Title

Simulação termofluidodinâmica transiente para otimização do ensaio de redutibilidade de minérios de ferro (ABNT NBR ISO 7215) via CFD

Transient thermofluid dynamic simulation of the iron ore reducibility test (ABNT NBR ISO 7215) via CFD

Authorship

RODRIGUES, MILENA PEIXOTO; CASTRO, EUGÊNIO DE; PONTES, MARIA FERNANDA FARIAS; MACHADO, JANAÍNA GONÇALVES MARIA DA SILVA; SILVEIRA, JARBAS ARYEL NUNES DA; MACHADO, ANDRÉ DA SILVEIRA

RODRIGUES, MILENA PEIXOTO

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MACHADO, JANAÍNA GONÇALVES MARIA DA SILVA

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SILVEIRA, JARBAS ARYEL NUNES DA

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DOI

10.5151/2594-357X-44272

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Abstract

O ensaio de redutibilidade de minérios de ferro (ABNT NBR ISO 7215) exige isotermia estrita de 900 °C na amostra. Este trabalho desenvolve uma simulação computacional transiente bidimensional (2D planar) no COMSOL Multiphysics para avaliar as fases de aquecimento e estabilização térmica de uma retorta. A metodologia via Fluidodinâmica Computacional (Computational Fluid Dynamics — CFD) acoplou as Equações de Brinkman para o escoamento de nitrogênio em meios porosos à transferência de calor sob equilíbrio térmico local (Local Thermal Equilibrium — LTE). Os resultados mostram que o leito de alumina concentra a maior perda de carga. Termicamente, a vazão de 5 NL/min gera aquecimento radial lento, enquanto 15 NL/min, na fase de estabilização, causa intenso resfriamento convectivo no núcleo dos briquetes. Mesmo com superaquecimento da parede a 950 °C, o gás absorve energia térmica devido à sua capacidade calorífica, atuando como sorvedouro de calor no ambiente e reduzindo a temperatura central. Conclui-se que a estabilização do leito por meio da injeção de gás em temperaturas próximas à ambiente é difícil. Assim, o projeto do equipamento deve necessariamente garantir o pré-aquecimento do gás para assegurar a validade do ensaio.

The iron ore reducibility test (ABNT NBR ISO 7215) requires a strict 900 °C isotherm in the sample. This work develops a transient two-dimensional (2D planar) computational simulation in COMSOL Multiphysics to evaluate the heating and thermal stabilization phases of a retort. The methodology via Computational Fluid Dynamics (CFD) coupled the Brinkman Equations for nitrogen flow in porous media to heat transfer under Local Thermal Equilibrium (LTE). Results show that the alumina bed concentrates the highest pressure drop. Thermally, the 5 NL/min flow rate generates slow radial heating, while 15 NL/min (stabilization phase) causes severe convective cooling in the briquette core. Even with wall overheating (950 °C), the gas absorbs thermal energy due to its heat capacity, acting as a heat sink in the environment, reducing the core temperature. It is concluded that stabilizing the bed by injecting gas at near-ambient temperatures is difficult. Thus, the equipment design must necessarily guarantee gas preheating to ensure the validity of the test.

Keywords

CFD, Ensaios Metalúrgicos, Redutibilidade, Leito fixo, ISO 7215

Computational fluid dynamics, Reducibility, Fixed bed, ISO 7215