Search

In this work injection of air into a water physical model of an industrial steel ladle was mathematically simulated. Calculations were developed based on a multiphase Eulerian fluid flow model involving principles of conservation of mass, momentum and chemical species on both phases in order to predict turbulent flow patterns and mixing times in both centric and eccentric injections. Mixing phenomena was addressed by injecting a tracer and it was analyzed the effect of the gas flow rate, injector position, number of injectors and geometry of the ladle on the mixing time. It was concluded that the optimum injection conditions is using a single injector at 2/3 of the radius with high gas flow rates. It is shown that incrementing the number of injectors is detrimental on mixing. Finally, quantitative correlations of mixing time as a function of gas flow rate, position of the injector, number of injectors, geometry of the ladle and mass of liquid were obtained.En este trabajo se simuló, matemáticamente, la inyección de aire en agua en modelo físico de una cuchara de acero industrial. Los cálculos se hicieron con la modelación de flujos bifásicos Euleriana, empleando principios de conservación de la cantidad de movimiento y de materia en ambas fases, para simular patrones de flujo turbulento y mezclado en inyecciones por el centro del reactor (céntricas) y fuera del centro (excéntricas). Se estudió el fenómeno de mezclado de un trazador y se analizó el efecto que tienen el flujo de gas, la posición del inyector, el número de inyectores y la geometría de la cuchara sobre el tiempo de mezclado. Se concluyó que la mejor manera de disminuir el tiempo de mezclado es inyectar el gas con un solo tapón colocado a 2/3 del radio con flujos altos de gas. Se demostró que incrementar el número de inyectores perjudica al mezclado. Además, se obtuvieron correlaciones cuantitativas del tiempo de mezclado en función del flujo de gas, número de tapones, posición del tapón, geometría del reactor y masa de líquido.

The use of gas jets (oxygen) plays a key role in several steelmaking processes as in the Basic Oxygen Furnace (BOF) or in the Electric Arc Furnace (EAF). Those jets improve heat, mass and momentum transfer in the liquid metal, mixing of chemical species enhancing and govern the formation of foaming slag. In this work experimental measurements were performed to determine the dimensions of the cavity formed at the liquid free surface caused by a gas jet impinging on it; also velocities vectors were measured in the zone affected by the gas jet. Cavities were measured from images from high speed camera and the vector maps were obtained with a Particle Image Velocimetry (PIV) technique. Both velocities and cavities were determined as a function of the main process variables: gas flow rate, distance of the nozzle from the free surface and lance angle. Cavity dimensions were statistically processed treated as a function of the process variables and also as a function of the proper dimensionless numbers that govern these phenomena. It was found thatWeber and Froude numbers govern the cavity geometry. Liquid flow driven by the jet is mainly affected by the air flow rate, lance height and angle. El uso de chorros de gas (oxígeno) es fundamental en diversos procesos de aceración, como el Horno Básico de Oxígeno (BOF, por sus siglas en inglés) o en el Horno Eléctrico de Arco (EAF). Estos chorros mejoran la transferencia de calor, masa y cantidad de movimiento en el metal y el mezclado de especies y son muy importantes en la formación de escoria espumosa. En este trabajo, se realizaron mediciones experimentales de las dimensiones de la cavidad formada en la superficie líquida por la incidencia de un chorro, así como también se obtuvieron vectores de velocidad en la zona aledaña a dicha cavidad. Éstas, se midieron usando una cámara de alta velocidad, mientras que los mapas vectoriales se obtuvieron por la técnica PIV (Particle Image Velocimetry). Las velocidades y las dimensiones de las cavidades se determinaron como función de las principales variables de proceso: flujo de gas, distancia entre tobera y superficie libre, diámetro de tobera y ángulo de lanza. Las dimensiones de la cavidad se procesaron estadísticamente, como función de las variables de proceso y como función de los números adimensionales que lo gobiernan. En este caso, el número de Froude junto con el deWeber controlan la geometría de la depresión. El flujo en el seno del líquido es principalmente afectado por el flujo de aire, la altura y el ángulo de la lanza.