Investigação da influência do teor de SiO2 nas propriedades termofísicas de escórias industriais de forno-panela

Abstract

As escórias metalúrgicas de aciarias utilizadas no forno-panela devem possuir propriedades termofísicas, tais como viscosidade, densidade e tensão superficial adequadas para que possam cumprir suas funções eficientemente. A necessidade de uma maior compreensão do comportamento dessas escórias em processos envolvendo altas temperaturas é de extrema importância, mas ainda não existe uma base sólida e confiável de conhecimento, pois as escórias apresentam comportamentos distintos em função de sua composição química e da temperatura. O presente trabalho tem como objetivo geral investigar a influência do teor de SiO2 sobre as propriedades termofísicas de um grupo de escórias manipuladas a partir de matérias-primas comerciais. A metodologia implementada neste trabalho se deu pela confecção de cinco escórias, contendo 1, 5, 10, 15 e 20% em massa de SiO2, seguida pela pré-fusão das mesmas e consequente realização de experimentos de reometria com pêndulo rotativo e Método da Pressão Máxima de Bolha. Paralelamente, simulações via termodinâmica computacional (Factsage) e utilização de modelos matemáticos foram empregados como ferramentas auxiliares na interpretação dos resultados. Os resultados indicaram que o aumento do teor de SiO2 foi responsável pelo aumento da viscosidade e redução da densidade e tensão superficial das escórias investigadas. Escórias com 1 e 5% de SiO2 eram heterogêneas em 1650 °C e, a fase sólida presente apresentou pouca influência na viscosidade em temperaturas elevadas, porém causou mudança abrupta no comportamento durante o resfriamento. O SiO2 agiu como estabilizador da fase líquida, por outro lado acarretou na formação de fases complexas e espinélios conforme o resfriamento. Os resultados obtidos experimentalmente são satisfatórios e apresentam concordância com as simulações computacionais e literatura. Os modelos matemáticos empregados apresentaram resultados com comportamento similar aos experimentos, porém houve divergência nos valores em função de suas abordagens simplificadas. A simulação termodinâmica computacional foi uma importante ferramenta na interpretação dos resultados experimentais.

The metallurgical steelmaking slags used in the ladle furnace must have thermophysical properties, such as viscosity, density and surface tension suitable in order to be able to fulfill their functions efficiently. The need for a greater understanding of the behavior of these slags in processes involving high temperatures is extremely important, but there is still no solid and reliable knowledge base, as the slags present different behaviors according to their chemical composition and temperature. The present work has as general objective to investigate the influence of the SiO2 content on the thermophysical properties of a group of slag manipulated from commercial raw materials. The methodology implemented in this work was composed by the making of five slags, containing 1, 5, 10, 15 and 20% by weight of SiO2, followed by their pre-melting and consequent experiments of rheometry with rotating bob and Maximum Bubble Pressure Method. Simultaneously, simulations via computational thermodynamics (Factsage) and the use of mathematical models were employed as auxiliary tools in the interpretation of results. The results indicated that the increase in the SiO2 content was responsible for the increase in viscosity and decrease of the density and surface tension of the investigated slags. Slags with 1 and 5% SiO2 were heterogeneous at 1650 °C and the solid phase present had slight influence on viscosity at high temperatures, however caused an abrupt change in the behavior during cooling. SiO2 acted as a stabilizer of the liquid phase, on the other hand it resulted in the formation of complex and spinel phases with the following cooling. The results obtained experimentally are satisfactory and present agreement with the computer simulations and literature. The mathematical models used showed results with behavior similar to the experiments, but there was a divergence in the values due to their simplified approaches. The computational thermodynamic simulation was an important tool in the interpretation of the experimental results.