SI MULAÇÃO DO CARREGAMENTO DO ALTO FORNO DO TADO DE UM SISTEMA BELL LESS TOP® USANDO O MÉTODO DE ELEMENTOS DISCRETOS (DEM) Bruno Ribeiro de Miranda Lima Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia de Materiais da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro de Materiais . Orientador: Prof. Rodrigo Magalhães de Carvalho Rio de Janeiro Agosto de 2016 1 SIMULAÇÃO DO CARREGAMENTO DO ALTO FORNO DOTADO DE UM SISTEMA BELL LESS TOP® USANDO O MÉTODO DE ELEMENTOS DISCRETOS (DEM) Bruno Ribeiro de Miranda Lima PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO DE MATERIAIS. Examinado por: _____________________________________ Prof. Rodrigo Magalhães de Carvalho, D.Sc _____________________________________ Prof. Luís Marcelo Marques Tavares, Ph.D. _____________________________________ Eng. Emerson Reikdal da Cunha, D. Sc. _____________________________________ Eng. André Wulff Hirano, B. Sc. RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL Agosto de 2016 i Lima, Bruno Ribeiro de Miranda Simulação do carregamento do alto forno dotado de um sistema Bell Less Top® usando o Método dos Elemtos Discretos (DEM)/ Bruno Ribeiro de Miranda Lima. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016. XV, 114, p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Rodrigo Magalhã es de Carvalho Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia de Materiais, 2016. Referências Bibliográficas: p. 110-112. 1. Alto Forno 2. Distribui ção de carga. 3. Método dos Elementos Discretos. I. Carvalho, Rodrigo Magalhães de. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia de Materiais. III. Simulação do carregamento do alto forno dotado de um sistema Bell Less Top® usando o Método dos Elemtos D iscretos (DEM). ii “You, me, or nobody is gonna hit as hard as life... But it ain't about how hard you hit. It's about how hard you can get hit, and keep moving forward. It's how much you can take, and keep moving forward. That's how winning is done.” Rocky Balboa iii Em memória de minha amada avó Romélia Ribeiro iv Agradecimentos Esta trabalho foi realizado graças à ajuda de muitos, portanto devo agradecer à: § À minha família, minha mãe Sonia Ribeiro, meu irmão Bernard Ribeiro e minha irmã Bárbara Ribeiro por formarem a base da minha formação pessoal e pelo apoio incondicional em todas as etapas da minha vida. § Minha amada namorada Tainá Corral pelo companheirismo, compreensão e incentivo que sempre me deu. Esta conquista é nossa! Devo agradecer a seus pais Jorge Corral e Ieda Corral por todo apoio. § À todos professores que já tive durante toda a minha vida acadêmica que sem duvidas contribuíram bastante para minha formação como engenheiro e principalmente como cidadão. Dedico à todos vocês meus sinceros agradecimentos § Meu professor, orientador deste projeto, Professor Rodrigo Magalhães de Carvalho por todos os ensinamentos, comprometimento, seriedade e presteza durante toda a execução deste trabalho, me orientando e ajudando mesmo quando estive fora do país. § À toda equipe do LTM pela ajuda na realização dos experimentos § À empresa ThyssenKrupp Steel Europe pelo financiamento de Bolsa de Mérito Acadêmico durante boa parte da execução deste projeto. § Ao Engenheiro André Wulff Hirano por sua total disponibilidade e vivaz interesse em colaborar sempre quando solicitado § Ao Engenheiro Thiago Rabelo Nunes Campos pelos preciosos comentários, dicas e conselhos na etapa de finalização deste trabalho. § À todos meus amigos componentes do “Rolé dos Campeões” por tornarem meus dias na Ilha do Fundão, principalmente as sextas feiras, mais agradáveis. § À todos meus colegas da Metalmat por todas as noites viradas estudando juntos e bons momentos que compartilhamos durante toda graduação. v Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro de Materiais. SIMULAÇÃO DO CARREGAMENTO DO ALTO FORNO DOTADO DE UM SISTEMA BELL LESS TOP® USANDO O MÉTODO DE ELEMENTOS DISCRETOS (DEM) Bruno Ribeiro de Miranda Lima Agosto / 2016 Orientadores: Rodrigo Magalhães de Carvalho; Luís Marcelo Marques Tavares Curso: Engenharia de Materiais Para que o processo de produção de ferro gusa ocorra de maneira eficiente e estável é muito importante que se tenha um fluxo gasoso no interior do forno de forma adequada, com velocidade controlada e visando evitar regiões preferenciais para passagem desses gases. Para que isto ocorra, é imprescindível que se tenha um controle preciso da distribuição da carga de material particulado no interior do Alto Forno. O presente trabalho faz uso do Método dos Elementos Discretos (DEM) para simular o processo de carregamento das diversas matérias primas no alto-forno. As simulações tornaram possível avaliar os efeitos das diferentes características físicas apresentadas pelas matérias primas alimentadas como granulometria, forma, densidade e resistência mecânica, bem como o efeito da dinâmica de movimentação da calha rotatória em um sistema Bell Less Top® (BLT®). Foram considerados os carregamentos de carga de coque, cujos parâmetros de contato foram caracterizados em laboratório e também partículas representado a carga metálica composta por sínter, minério de ferro granulado e pelotas de minério de ferro. Foi também desenvolvida uma ferramenta para pós processamento das simulações visando caracterizar quantitiativamente o material carregado no topo do forno em função de parâmetros como segregação granulométrica e de componentes. Por fim, o presente trabalho estabelece as bases para a busca por um algoritmo ótimo de carregamento em função da carga a ser alimentada no alto-forno. Palavras-chave: alto forno, distribuição de carga, método dos elementos discretos vi Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for degree of Materials Engineer. SIMULATION OF BLAST FURNACE BURDEN CHARGING PROVIDED BY BELL LESS TOP SYSTEM® USING THE DISCRETE ELEMENT METHOD (DEM). Bruno Ribeiro de Miranda Lima August / 2016 Advisors: Rodrigo Magalhães de Carvalho; Luís Marcelo Marques Tavares Course: Materials Engineering (BEng) To achieve a stable and efficient blast furnace process it’s important to have a proper gas flow inside the furnace with a controlled flow speed, thus a strict control of the particulate material size distribution inside the charge is required in order to avoid generation of preferential paths of the gas molecules through the burden. This work uses Discrete Element Method (DEM) to simulate raw material loading into a blast furnace equipped with a Bell Less Top® (BLT®) system. The simulations allowed the evaluation of the contribution of the physical properties of the raw materials fed into the furnace such as size distribution, shape, density and mechanical resistance, as well as the effect of the rotating distributing chute of the BLT® system. The loading of coke and the metallic charge constituded of sinter, iron ore and pellet particles. Also, a post- processing tool was developed that allowed a qualitative and quantitative analysis of the DEM simulation results in terms of particle size and component segregation at the top of the blast furnace. Thus this work establishes the foundations of a methodology that allows search for an optimum rotating chute algorithm as function the particle properties. Keywords: blast furnace, burden distribuition, discrete element method vii Sumário Agradecimentos ..................................................................................................................... v Lista de Figuras ...................................................................................................................... x Lista de Tabelas .................................................................................................................... xv 1. Introdução ........................................................................................................................ 3 2. Objetivo ............................................................................................................................. 4 3. Revisão Bibliográfica .................................................................................................... 5 3.1. O Alto Forno ...................................................................................................................................... 5 3.1.1. A importância do processo de produção de aço via Alto Forno .............................. 5 3.1.2. O Processo de Alto Forno ......................................................................................................... 7 3.1.3. Estruturas e Zonas do Alto Forno ........................................................................................ 9 3.2. Matérias Primas ............................................................................................................................ 11 3.2.1. Coque ............................................................................................................................................. 12 3.2.2. Pelota ............................................................................................................................................. 15 3.2.3 Minério de Ferro Granulado ................................................................................................. 17 3.2.4 Sínter ............................................................................................................................................... 17 3.3. Sistemas de Carregamento do Alto Forno ......................................................................... 19 3.4. O Método dos Elementos Discretos ...................................................................................... 26 3.5 Simulação do carregamento de altos-fornos usando DEM ......................................... 30 4. Metodologia ..................................................................................................................... 35 4.1 Caracterização das matérias primas ..................................................................................... 35 4.1.1 Análise Granulométrica .......................................................................................................... 35 4.1.2 Determinação da Massa Específica .................................................................................... 36 4.2 Ensaios de manuseio ................................................................................................................... 39 4.2.1 Ângulo de rolamento ............................................................................................................... 39 4.2.2 Ângulo de Repouso ................................................................................................................... 40 4.3 Calibração de parâmetros de contato com o Método dos Elementos Discretos 41 viii 4.4 Construção da Geometria 3D do Sistema de Carregamento BLT® ......................... 44 4.5 Simulações do Carregamento do Alto Forno ..................................................................... 45 4.5.1 – Escalonamento do diâmetro das partículas nas simulações ............................... 45 4.5.2.1 Simulação da correia transportadora no topo do sistema BLT® ...................... 49 4.5.2.2 Simulação de carregamento do silo ............................................................................... 50 4.5.2.3 Simulações de carregamento de matérias primas no topo do forno ............... 52 4.5.3 Metodologia de análise de resultados das simulações .............................................. 53 5. Resultados e Discussão ................................................................................................ 55 5.1 Caracterização das Matérias Primas ..................................................................................... 55 5.1.1 Analise Granulométrica .......................................................................................................... 55 5.1.2 Massa específica ......................................................................................................................... 56 5.2 Ensaios de Manuseio ................................................................................................................... 56 5.3 Parâmetros de contato ................................................................................................................ 57 5.4 Geometria 3D do Sistema de Carregamento BLT® ......................................................... 63 5.5 Resultados das Simulações ....................................................................................................... 64 5.5.1 Resultados das simulações do topo do Sistema BLT® ............................................... 64 5.5.2 Resultados Simulações carregamento do Silo do sistema BLT® ........................... 71 5.5.3 Resultados das simulações de descarregamento do Silo do sistema BLT® ..... 74 5.5.4 Resultados de simulações do carregamento de matérias primas no topo do forno 82 6. Conclusões ..................................................................................................................... 108 7. Referências .................................................................................................................... 110 ix