Bilimsel Faaliyetler

Por meio de décadas de estudo voltados à cinética das reações entre gases e o ferro líquido, aprendeu-se muito sobre os mecanismos controladores e as constantes cinéticas das reações (BELTON e HUNT, 1993; FRUEHAN et al., 2000; FRUEHAN, 2003), No entanto, nosso conhecimento no tema é ainda restrito.

Por um lado, a quantidade de sistemas estudados e a faixa de composição química analisada são limitadas. Por outro, é comum uma divergência expressiva entre os valores dos parâmetros cinéticos obtidos por diferentes autores. Também não há consenso acerca do modelo mais apropriado para expressar o efeito de elementos tensoativos. Outro ponto de incerteza é a provável dependência das constantes cinéticas em relação ao aparato experimental usado (BAN-YA et al., 1988; SIMENTO, HAYES e LEE, 1998; NAGASAKA, FRUEHAN e CRAMB, 2003).

CHOH e INOUYE (1973) elaboraram modelo cinético para prever as taxas de absorção de oxigênio e hidrogênio no aço líquido a partir do vapor de água. Foram consideradas pressões parciais de água entre 0,0032atm e 0,1atm. Assumiu-se que o vapor de água dissocia em hidrogênio e oxigênio elementar na interface gás-metal, sendo que suas pressões parciais estão em equilíbrio.

CHOH e INOUYE (1979) estudaram a taxa de absorção de oxigênio em ferro líquido por um modelo cinético que leva em conta a formação de óxido de ferro na interface gás- metal. Nos experimentos realizados, soprou-se mistura de Ar-O2 sobre a superfície de banhos de ferro agitados. Foi comprovado que a maior parte da absorção de oxigênio pelo ferro ocorre na região da superfície sem óxido, embora parte do oxigênio forme óxido de ferro na interface e posteriormente se dissolva no banho.

Por meio de modelamento físico com água, MCLEAN e SOMMERVILLE (1981) investigaram o mecanismo de entranhamento de ar durante o vazamento de jatos de aço. MCKEOGH e ERVINE (1981) propuseram um método semi-empírico para estimar a

magnitude do entranhamento de ar em jatos de água. Já IWATA, CHOH e INOUYE (1982) desenvolveram um equacionamento que se aplica a jatos de diferentes líquidos. O tema é complexo e foi revisado em detalhes por BIN (1993).

CHOH, IWATA e INOUYE (1982) utilizaram seu modelo para estimar a reoxidação de jatos de aço em diferentes circunstâncias: enchimento de lingoteiras, vazamento de panela em distribuidor e de distribuidor em molde. Os valores obtidos apresentaram razoável concordância com dados da literatura. Por meio de considerações cinéticas, os autores concluíram que todo oxigênio do ar que adentra o aço é absorvido.

CHOH, IWATA e INOUYE (1983) aplicaram seu modelo para estimar a absorção de oxigênio e nitrogênio durante o vazamento de convertedor. Para a cinética de nitrogenação, assumiu-se controle misto: reação química e transferência de massa na fase líquida. Seus resultados mostram que o coeficiente de transferência de massa na fase líquida é elevado devido à vigorosa agitação do banho pelo jato de aço, sendo que esse parâmetro afeta pouco a absorção de nitrogênio para altas concentrações de oxigênio no aço. Por meio de comparação com dados industriais da literatura, constatou- se que para baixos teores de oxigênio no aço, praticamente todo nitrogênio do gás que adentra o aço é absorvido.

SUZUKI et al. (1983) obtiveram boa concordância entre medições industriais da reoxidação do aço durante o enchimento de distribuidor e os valores preditos pelo modelo de CHOH, IWATA e INOUYE (1982).

BAN-YA et al. (1988), a partir de experimentos e análise de dados disponíveis na literatura, propuseram dois modelos cinéticos para a dessorção (ou absorção) de nitrogênio do aço líquido. Cada um dos modelos se ajusta melhor a uma determinada faixa de composição química do aço. Equações similares foram desenvolvidas por BYRNE e BELTON (1983), HARASHIMA et al. (1987), GOLDSTEIN e FRUEHAN (1999), NAGASAKA, FRUEHAN e CRAMB (2003) e TURKDOGAN (2010).

BECKERMANN (1992) analisou teoricamente a aplicabilidade de modelos com água para estudar a reoxidação de aço durante seu vazamento em fundição. Há grande incerteza em como quantificar as propriedades superficiais do sistema metálico. Caso essa dificuldade seja superada, será possível prever o entranhamento de ar em um modelo 1:1.

Entretanto há poucas esperanças que se consiga modelar com água as reações de oxidação do aço.

FRUEHAN et al. (1992) estudaram a taxa de descarburação de ferro líquido saturado em carbono por vapor de água. Foi considerado controle de reação química por dissociação de H2O e foram feitas correções devido à influência da transferência de massa na fase gasosa sobre a cinética global. Segundo os autores, é esperado que a constante cinética levantada também possa ser aplicada ao ferro líquido. Trabalhos similares foram feitos por NAGASAKA e FRUEHAN (1994) e SIMENTO, HAYES e LEE (1998).

SASAKI e BELTON (1998) concluíram de seus experimentos que a dependência na atividade de elementos tensoativos (enxofre, oxigênio e selênio) da cinética das reações de CO2 e H2O com ferro líquido é similar.

GOLDSTEIN e FRUEHAN (1999) desenvolveram modelo matemático para controle do teor de nitrogênio no aço líquido durante o refino primário em aciaria a oxigênio. O modelo considera que a taxa de transferência de nitrogênio na superfície do aço é de controle misto por reação química e transferência de massa de nitrogênio no líquido. A evolução dos teores de enxofre e oxigênio no aço também foi modelada devido à influência desses elementos sobre a constante cinética da reação de nitrogenação.

LAUX e JOHANSEN (1999) elaboraram uma abordagem CFD para estudar a entrada de ar que ocorre durante o vazamento de aço do forno-elétrico ou convertedor em panela. Na abordagem proposta, a simulação é feita em duas etapas separadas. Na primeira, a taxa de entranhamento de ar é prevista por um modelo VOF (Volume of Fluid), destinado a simulações com fases estratificadas. Na segunda etapa, o perfil de escoamento e de dispersão das bolhas é previsto por um modelo euleriano-granular, destinado a simulações com fases dispersas. No segundo modelo, a taxa de entranhamento de ar é especificada como condição de contorno. Os autores também propuseram uma equação diferencial parcial para o cálculo local do diâmetro médio de bolha.

HIRT (2003) desenvolveu um modelo para prever o entranhamento turbulento de ar em escoamentos com superfície livre. O modelo considera que a entrada de ar é provocada por distúrbios turbulentos na superfície do fluido e ocorre quando a energia cinética turbulenta local é suficiente para vencer as forças estabilizadoras devido à gravidade e a

tensão interfacial. O modelo foi calibrado e validado com dados da literatura. Para uma descrição detalhada da turbulência em superfícies livres e o papel estabilizante das forças de gravidade e tensão interfacial, ver BROCCHINI e PEREGRINE (2001).

FRUEHAN e MISRA (2005) estudaram o controle de hidrogênio e nitrogênio no aço líquido. A contaminação do aço durante o vazamento na panela foi modelada matematicamente. Considerou-se controle misto (reação química e transporte de massa na fase líquida) para a absorção dos dois gases e a área de reação foi predita por CFD. MELENDEZ, CARLSON e BECKERMANN (2010) modelaram a reoxidação do aço líquido pelo ar na fundição por molde de areia. O modelo desenvolvido é capaz de prever o escoamento e a solidificação do aço, a formação local de inclusões na superfície do aço e a trajetória das inclusões até sua posição final na peça solidificada. Foi assumido controle da taxa de absorção de oxigênio por transferência de massa de oxigênio na fase gasosa. A espessura da camada limite de difusão foi modelada em termos da velocidade local do aço e de um comprimento característico, que foi usado como parâmetro de ajuste do modelo.

HIRT (2012) aprimorou seu modelo previamente elaborado e confrontou seus resultados com novos dados da literatura. Segundo o autor, o modelo é sensível à intensidade de turbulência do fluido que adentra o domínio. No entanto, esse parâmetro, muitas vezes, não é conhecido com precisão. Assim a aplicação do modelo se torna qualitativa, como demonstrado por FLOW SCIENCE (2013) em simulação de fundição sob pressão de alumínio. A influência da intensidade de turbulência na entrada sobre a magnitude do entranhamento turbulento de ar em jatos de água é verificada experimentalmente (MCKEOGH e ERVINE, 1981), entretanto HIRT (2012) não demonstrou se seu modelo é capaz de captar essa relação corretamente.

HÄNSCH et al. (2012) propuseram uma abordagem CFD promissora que permite simular a transição entre fases estratificadas e fases dispersas. Embora a aplicação citada pelos autores não seja metalúrgica, a abordagem proposta pode ser usada para simular a incorporação de ar no aço.

LOU e ZHU (2014) desenvolveram um modelo numérico (CFD) para prever a dessulfuração do aço em panela sob agitação por argônio. O modelo contempla o

escoamento do aço, a dispersão de diversos elementos de liga no aço, as reações desses elementos com a escória e a absorção de oxigênio atmosférico e reações de oxidação através do olho na escória. Em todos os casos, considerou-se controle de reação misto por transferência de massa nas duas fases envolvidas na reação. Os coeficientes de transferência de massa foram calculados em função do parâmetro ε (taxa de dissipação da energia cinética turbulenta) previsto pelo modelo de turbulência. O modelo foi calibrado para reproduzir o teor de enxofre medido industrialmente em função das composições químicas do aço e da escória.

Para o presente autor, a aplicabilidade para cada reação química do equacionamento usado por LOU e ZHU (2014) necessita ser investigada com cautela. O modelo cinético utilizado foi derivado teoricamente por LAMONT e SCOTT (1970) para prever a transferência de massa gás-líquido em regime de borbulhamento. Seu uso em superfícies de tanques agitados não é recomendado por LAMONT e SCOTT (1970), pois seu modelo ignora a deformação da superfície e a consequente importância da tensão interfacial. A presença de elementos tensoativos na interface também precisa ser considerada (HUA e PARLEE, 1982).

De fato, em experimento de absorção de gás em modelo físico de panela de aciaria, TANIGUCHI, MATSUKURA e KIKUCHI (2000) verificaram que o modelo de LAMONT e SCOTT (1970) prevê adequadamente o coeficiente de transferência de massa na região da pluma, mas superestima a transferência de massa na superfície do banho.

Outro ponto de incerteza na abordagem de LOU e ZHU (2014) é a interpretação física do parâmetro ε de modelos de turbulência do tipo k-ε. Segundo WILCOX (1993), a relação entre a equação modelada para ε nesses modelos e sua forma exata é tão tênue que não deve ser considerada seriamente.

3.4.3 Trabalhos de Sasai e colaboradores (SASAI e MIZUKAMI, 1996b; SASAI e