Título

EFEITOS DA RAZãO DE PRESSãO NO BOCAL SOBRE AS ESTRUTURAS DO INíCIO DO ESCOAMENTO SUPERSôNICO E SUAS CONSEQUêNCIAS NO PROCESSO DE FABRICAçãO DE AçO

EFFECTS OF NOZZLE PRESSURE RATIO ON SUPERSONIC FLOW STARTUP STRUCTURES AND THEIR CONSEQUENCES ON BOF STEEL MAKING PROCESS

Autoria

Garcia, Pedro Francelino; Basilio, Lucas Martins; Zotelle, Ayrton Cavallini; Maia, Breno Totti; Oliveira, José Roberto de; Siqueira, Renato do Nascimento; Barbosa, João Paulo

DOI

10.5151/2594-5300-40235

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Resumo

Os bocais convergentes-divergentes são amplamente utilizados em Fornos Básicos de Oxigênio (BOF) para acelerar o oxigênio a velocidades supersônicas, permitindo o processo de descarbonização do ferro-gusa. Diferentes condições de escoamento, incluindo escoamentos sobreexpandidos, subexpandidos e próximos ao ideal, exibem características distintas. A estrutura complexa do escoamento dentro de bocais supersônicos no processo de inicialização inclui ondas de choque, zonas de recirculação e ondas de expansão, fatores que afetam a eficiência do processo de mistura do ferro-gusa, devido à mudança do tamanho do núcleo potencial. Neste estudo, o software ANSYS Fluent® 2022 foi utilizado para uma simulação axissimétrica 2D de um bocal convergente-divergente trapezoidal, similar ao usado pela ArcelorMittal Tubarão. O modelo de turbulência SST k-ω foi empregado e a análise foi realizada em regime transiente. Imagens de Schlieren foram usadas para analisar os fenômenos que ocorreram na inicialização dos jatos supersônicos. Os resultados indicam que altas razões de pressão do bocal (NPR) levam a altos gradientes de densidade no início do escoamento no bocal, com a presença de choques incidentes, descontinuidade de contato e vórtices. Para baixos valores de NPR, foi observada uma separação precoce da camada limite do jato, causando um fluxo reverso que permite a entrada de ar ambiente no bocal, reduzindo sua vida útil. O tamanho do núcleo potencial também varia com o NPR e bocais com maiores razões de pressão apresentam núcleos potenciais maiores, o que contribui para gerar a turbulência necessária para induzir as reações de refino do aço.

 

Convergent-divergent nozzles are widely used in Basic Oxygen Furnaces (BOF) to accelerate oxygen to supersonic speeds, allowing the process of decarburization of the hot metal. Different flow conditions, including overexpanded, underexpanded, and near ideal flows, exhibit distinct flow characteristics. The complex structure of the flow inside supersonic nozzles in the startup process includes shock waves, recirculation zones and expansion waves, factors that will affect the efficiency of the hot metal mixing process, due to the change of the potential core size. In this study, ANSYS Fluent® 2022 software was used for a 2D axisymmetric simulation of a trapezoidal converging-diverging nozzle similar to that used by ArcelorMittal Tubarão. The SST k-ω turbulence model was employed, and the analysis was performed in the transient regime. Schlieren pictures were used to analyze the phenomena that occurred in the startup of the supersonic jets. The results indicate that high nozzle pressure ratios (NPR) lead to high density gradients at the beginning of the flow in the nozzle, with the presence of incident shocks, contact discontinuity, and vortices. For low NPR values, early separation of the jet boundary layer is observed, causing a backflow that allows ambient air to enter the nozzle, reducing its lifespan. The size of the potential core also varies with NPR, and nozzles with higher pressure ratios present larger potential cores, which contributes to generating the turbulence required to induce steel refining reactions.

Palavras-chave

BASIC OXYGEN FURNACES; bocais supersônicos; Dinâmica dos Fluidos Computacional; processo inicial

Basic Oxygen Furnaces; supersonic nozzles; computational fluid dynamics; startup process