Sabe-se que a eficiência de desgaseificação no RH depende da taxa de circulação do aço. A taxa de circulação pode ser entendida como a quantidade de aço que passa pela seção transversal da perna de descida por unidade de tempo, e exerce uma influência significativa sobre a descarburação, remoção de oxigênio e desidrogenação do aço, bem como sobre a eficiência da mistura na câmara de vácuo. Como tal, uma melhoria da eficiência do processo pode ser alcançada pela compreensão das variáveis que influenciam esse parâmetro (SESHADRI e COSTA, 1986). Desta forma, alguns pesquisadores propuseram equações empíricas para determinar a taxa de circulação. Destacam-se:
✓ Equação de Watanabe et al. (1966, apud SESHADRI e COSTA, 1986):
𝑄 = 0,2. 𝐷𝑐1,5. 𝐺0,33 (3.4)
✓ Aplicando um balanço energético a uma unidade industrial de RH de 80t de capacidade, Seshadri e Costa (1986) obtiveram a Equação (3.5), que correlaciona taxa de circulação e vazão de gás:
11 ✓ Equação empírica proposta por Kurokawa (1987 apud Park et al., 2000), para calcular
a taxa de circulação a partir do tempo de mistura: 𝑄𝑡= 3,33. 𝐷𝑐 4 3. 𝑊 𝑝 1 3. 𝜏−0,741 (3.6)
✓ Também a partir de um balanço energético, Kuwabara et al. (1988) encontraram a Equação (3.7), cuja validade foi verificada por dados de modelo físico, e o valor da constante de proporcionalidade igual a 114 foi determinada utilizando-se dados de taxa de circulação obtidos em vários processos industriais:
𝑄𝑡 = 114. 𝐷 4 3. 𝐺 1 3. [ln (𝑃1 𝑃2)] 1 3 (3.7)
Onde: Qt: Taxa de circulação do aço (t/min); Qc: Taxa de circulação (kg/s); D: Diâmetro das pernas (m); Dc: Diâmetro da perna (cm); G: Vazão de gás inerte na perna de subida (Nm³/min); Wp: Massa do líquido na panela (t); τ: Tempo total de mistura (s); P2: Pressão na câmara de vácuo (atm); P1: Pressão na perna de descida na linha dos bicos de injeção de gás (atm);
É geralmente aceito que a taxa de circulação está relacionada à vazão de gás injetado e ao diâmetro das pernas. Como a taxa de circulação depende de muitos outros parâmetros, além dos descritos acima, as Equações empíricas (3.4) a (3.7) possuem limitações em suas aplicações. Dentre as diversas variáveis que influenciam a taxa de circulação, Park et al. (2000), Silva et al. (2004), Martins (2004), Lacosqui (2006) e Neves (2008) destacam: a forma do equipamento; formato, diâmetro e número de pernas; diâmetro interno, quantidade, disposição e qualidade de obstrução dos bicos de injeção de gás inerte; além das condições de operação - altura de líquido e pressão da câmara de vácuo, profundidade de imersão das pernas, vazão de gás injetado na perna de subida, injeção de gás auxiliar na panela.
Neste sentido, diversos estudos foram realizados para avaliar a influência destas variáveis sobre a taxa de circulação. Os trabalhos que utilizaram técnicas de modelamento físico e simulação numérica serão abordados em tópicos específicos adiante desta revisão da literatura. A seguir, apresentam-se resultados de dois trabalhos que aferiram a taxa de circulação de aço em reatores RH.
12 Em reatores industriais, isótopos radioativos eram geralmente utilizados como traçadores para avaliar a taxa de circulação, porém apesar da precisão, tal método é um tanto problemático quanto comparado com outros. Desta forma, Kuwabara et al. (1988) utilizaram um método de medição da taxa de circulação pela adição de ferroligas, a partir de uma estimativa pelo balanço de massa do componente de liga adicionado. Os valores de taxa de circulação obtidos por este método também foram empregados para determinar a constante da Equação (3.7).
Park et al. (2000) injetaram 125kg de cobre na câmara de vácuo de um desgaseificador RH (capacidade total 330t de aço) após estabilização do fluxo de aço líquido entre câmara de vácuo e panela, recolhendo amostras do aço ao longo do experimento para determinar o tempo de misturamento, que utilizaram para calcular a taxa de circulação utilizando a Equação (3.6) proposta por Kurokawa. Os resultados de taxa de circulação obtidos por estes experimentos foram próximos aos valores calculados pelo modelo computacional desenvolvido por eles.
Ajmani et al. (2004) também injetaram cobre, para validar resultados obtidos em modelamento matemático. Eles adicionaram 65kg de cobre puro (99,9%), cortado em pequenos pedaços, dentro da câmara de vácuo do desgaseificador RH, com uma panela de 130t de capacidade, e a partir da determinação do teor de cobre no aço em função do tempo, determinaram o tempo de misturamento. Estes resultados foram utilizados para validar o modelamento numérico, visto que os resultados de tempo de mistura previsto pelo modelo matemático foram muito próximos aos resultados dos testes na planta.
Shirabe e Szekely (1983), Kato et al. (1993), Miki et al. (1997), Lascosqui (2006), Geng et al. (2012a), Silva et al. (2015) destacam que o fluxo recirculatório de aço entre a câmara de vácuo e a panela, aliado ao aumento do estado de turbulência, na perna de subida do reator RH facilitam as colisões, aglomeração e flotação de inclusões não metálicas. Geng et al. (2012a e 2012b) lembram ainda que o aumento da taxa de circulação, além de reduzir o tempo de misturamento, resulta em considerável acréscimo nas taxas de descarburação, desgaseificação, dissolução das adições de elementos de liga e remoção de inclusão.
É consenso entre os muitos trabalhos sobre taxa de circulação no reator RH, que o aumento na vazão de gás na perna de subida resulta em elevação da taxa de circulação de aço. Contudo,
13 Park et al. (2000) ressaltam que a taxa de circulação tende a decrescer quando a vazão de argônio na perna de subida excede o valor de saturação. Eles observaram este fenômeno em resultados de simulação matemática. Justificaram este efeito da seguinte forma: à medida que a vazão do gás aumenta acima da vazão saturação, o volume sobreposto de plumas aumenta, e o volume total da pluma gasosa diminui, resultando em redução da força motriz da circulação de líquido. Resultados similares foram observados posteriormente em outros trabalhos, como por exemplo, Geng et al. (2010), Mukherjee et al. (2017).
Com o objetivo de aumentar taxa de circulação no desgaseificador RH, muitas pesquisas têm sido realizadas nos últimos anos, destacando-se algumas medidas principais: a primeira alternativa é modificar os parâmetros de imersão das pernas (AJMANI et al., 2004), aumentar o diâmetro das pernas de subida e descida (VARGAS, 2000), utilizar pernas de formato oval para substituir o formato circular (KUWABARA et al., 1988; LING et al., 2016a; LUO et al., 2018), utilizar três pernas de subida e uma de descida (KISHAN e DASH, 2009); outro método é aplicar um campo eletromagnético em torno da perna de subida ou de descida (GENG et al., 2012a); uma terceira alternativa é injeção adicional de argônio, como por exemplo, soprando argônio através de plugues no fundo da câmara de vácuo (KUWABARA et al., 1988); NEVES et al., 2009) ou no fundo da panela (SESHADRI et al., 2006; GENG et al., 2012b).
Em resumo, o reator RH é um equipamento para refino secundário do aço líquido assistido por recirculação e desgaseificação a vácuo, visando a descarburação, remoção de nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, enxofre e inclusões não metálicas; adição de elementos de liga, entre outros. Dadas as diversas aplicações, são diversos os estudos sobre o desgaseificador RH disponíveis na literatura. Nos tópicos seguintes, agrupou-se por assunto, diferentes trabalhos sobre modelamento físico, modelamento matemático de RH, dessulfuração do aço e comportamento metal/escória. Estes tópicos são a base para o desenvolvimento da presente pesquisa.
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