Desenvolvimento de uma metodologia numérica para estimativa de espessura de Ledge na produção de alumínio primário

Abstract

Cada vez mais se busca um correto dimensionamento dos materiais refratários e uma correta escolha das variáveis operacionais dos reatores metalúrgicos. No caso da produção de alumínio primário, a competitividade do mercado exige alta vida útil da célula de redução eletrolítica, acompanhada de uma eficiência energética no processo, uma vez que as fontes energéticas estão se tornando cada vez mais escassas. Por isso, a formação e a espessura da camada de banho congelado (também chamada de ledge) são muito importantes para estimar e prolongar a vida útil da cuba de redução eletrolítica. A espessura de banho congelado está, intimamente, relacionada com a proteção dos materiais refratários (resultando em aumento de vida útil do reator) e com a resistência térmica do reator metalúrgico para produção de alumínio primário, influenciando a sua eficiência energética. Nesta dissertação estuda-se a simulação termo-elétrica através do uso do pacote comercial Ansys CFX 11. Para isso, é realizada a deformação da malha e a temperatura Tliquidus do ledge é especificada. Essa deformação acarreta uma alteração da resistência térmica da camada de ledge, fato que altera a temperatura das interfaces ledge/banho e ledge/metal devido ao balanço térmico. Em vista disso, o modelo apresentado tem o objetivo de estimar a espessura do ledge, a eficiência energética da Cuba de redução eletrolítica, seu perfil de temperaturas, fluxo de calor e auxiliar na escolha e no projeto de refratários adequados para a cuba de redução eletrolítica utilizada na produção de alumínio primário. A dissertação apresentará o perfil de temperatura na frente de solidificação nas interfaces ledge/banho e ledge/metal. Também, o presente trabalho mostra o estudo do fluxo de calor através da frente, a espessura de banho congelado, a resistência térmica e a validação do modelo numérica. A metodologia empregada na análise numérica do fenômeno físico estudado foi adequada e conseguiu-se a validação do modelo.

Increasingly, the aim is a correct sizing of refractory materials and a correct choice of the operating variables of metallurgical reactors. In the case of primary aluminum production, the competitive market requires high life of the electrolytic reduction cell, accompanied by energy efficiency in the process, since the energy sources are becoming increasingly scarce. Therefore, the formation and the layer thickness of bath frozen (also called ledge) are very important to estimate and prolong the life of the cell of electrolytic reduction. The thickness of frozen bath is closely related to the protection of refractory materials (resulting in increased life of the reactor) and the thermal resistance of the metal reactor for the production of primary aluminum, influencing its efficiency. On This dissertation is studied the simulation thermothrough the electrical use of commercial package Ansys CFX 11. To Hence it is held the deformation of mesh and temperature Tliquidus of the ledge is specified. This deformation causes a change in the thermal resistance layer ledge, a fact that the temperature changes of the interfaces ledge / bath and ledge / metal due to thermal balance. As a result, the model aims to estimate the thickness of the ledge, the energy efficiency of electrolytic reduction cell, its temperature profile, heat flow and help in the choice and design of refractories suitable for the electrolytic reduction cell used for the production of primary aluminum. The dissertation shows the temperature profile in front of solidification at the interfaces ledge / bath and ledge / metal. Also, this paper shows the study of heat flux through the front of solidification, the thickness of the ledge, the thermal resistance influence and the validation of numerical model. The methodology used in the numerical analysis of the physical phenomenon studied was adequate and we were able to validate the model.