Interfacial contact topology governing molten iron–slag dripping in coke-packed beds under hydrogen-enriched blast furnace conditions

Resumo Técnico: Topologia de Contato Interfacial Governando o Gotejamento de Ferro Fundido–Escória em Camadas de Coque sob Condições de Alto-Forno Enriquecido com Hidrogênio

Definição do Problema
A indústria do ferro e do aço está em transição para operações de alto-forno enriquecidas com hidrogênio para reduzir as emissões de carbono. Embora os efeitos do hidrogênio na cinética de redução e na transformação de fase sejam bem documentados, o impacto dessas mudanças nas condições de fluxo acoplado de ferro fundido e escória através da camada inferior de coque ainda não foi quantificado suficientemente. Em ambientes enriquecidos com hidrogênio, o grau de redução dos materiais contendo ferro varia, alterando o conteúdo de FeO na escória, a razão volumétrica ferro-escória e as propriedades físicas dos fundidos (viscosidade, densidade, tensão superficial e tensão interfacial). Estudos anteriores frequentemente assumiram composições de escória fixas ou condições de suprimento de líquido, falhando em considerar como as mudanças de propriedades dependentes da redução poderiam deslocar o mecanismo governante da drenagem da escória de um regime controlado pela viscosidade para um dominado pela morfologia de contato interfacial e retenção de líquido (liquid hold-up).

Metodologia
O estudo empregou simulações de Hidrodinâmica de Partículas Suavizadas (SPH) tridimensionais multifásicas para modelar o comportamento de gotejamento de ferro fundido e escória de FeO–CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO dentro de uma camada compactada de partículas de coque irregulares.

• Estimativa de Propriedades Físicas: Cálculos termodinâmicos (usando FactSage) foram utilizados para determinar as composições da escória e as frações líquidas baseadas em três graus de redução ($R = 0,70, 0,90, 1,00$) e temperaturas (1300–1500 °C). As propriedades fundamentais — densidade, viscosidade, tensão superficial e tensão interfacial ferro–escória — foram estimadas como funções dessas variáveis. Notavelmente, as propriedades do ferro fundido foram mantidas constantes para isolar os efeitos das variações nas propriedades da escória.
• Configuração da Simulação: A camada de coque foi modelada com um diâmetro médio de partícula de 0,0237 m. Os fundidos foram fornecidos de forma intermitente pelo topo da entrada. A fase gasosa foi tratada como um vazio para isolar os efeitos hidrodinâmicos e de interface.
• Métricas de Análise: O estudo quantificou a retenção de fase (phase holdup), as velocidades de gotejamento do centro de massa, as áreas de contato aparente (entre ferro, escória, coque e vazio) e um índice de mistura ferro–escória. Uma análise de regressão foi realizada para identificar os descritores que governam as velocidades relativas de gotejamento das duas fases.

Principais Resultados

1. Regimes Duplos de Comportamento de Gotejamento: As simulações revelaram dois regimes distintos que governam a drenagem da escória:
   • Regime Controlado pela Viscosidade ($R = 1,00$): Sob condições de redução total, a viscosidade da escória era alta (750–5500 mPa·s). Neste regime, o aumento da temperatura reduzia a viscosidade, aumentando diretamente a velocidade de gotejamento da escória. As fases de ferro e escória permaneceram espacialmente separadas devido à alta tensão interfacial.
   • Regime Controlado pela Morfologia ($R = 0,70, 0,90$): Sob menores graus de redução, a viscosidade da escória era baixa ($\le 110$ mPa·s) e a fração volumétrica da escória era alta. De forma contraintuitiva, a menor viscosidade nem sempre levou a um gotejamento mais rápido. Em $R=0,70$ e 1500 °C, a escória apresentou a menor viscosidade, mas a velocidade de gotejamento aparente mais lenta. Isso foi atribuído ao extenso contato escória–coque, onde a escória de baixa viscosidade se espalhou sobre a superfície do coque ou foi retida dentro da rede de poros em vez de drenar verticalmente.
2. Papel da Topologia Interfacial: Um modelo de regressão usando apenas viscosidade da escória, tensão interfacial e razão volumétrica falhou em prever a razão de velocidade escória–ferro ($R^2 = 0,148$). No entanto, a incorporação da razão entre as áreas de contato escória–coque e ferro–coque melhorou significativamente a precisão do modelo ($R^2 = 0,943$). Isso demonstra que o estado de contato geométrico entre o fundido e o coque é um determinante primário do comportamento de drenagem em condições de baixa viscosidade e alta concentração de escória.
3. Mistura Ferro–Escória: A área de contato específica ferro–escória e o índice de mistura diminuíram conforme o grau de redução aumentou. Graus de redução menores ($R=0,70, 0,90$) promoveram maior contato ferro–escória devido às maiores frações de escória, enquanto as condições de redução total ($R=1,00$) resultaram em estruturas de fluxo de fases distintas e separadas. Curiosamente, em $R=0,70$ e 1500 °C, apesar da alta fluidez, o índice de mistura caiu significativamente, sugerindo que a fluidez aumentada promoveu o espalhamento sobre as superfícies do coque em vez de manter o contato com o ferro fundido.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a topologia de contato interfacial influencia significativamente a drenagem do fundido e a área de reação em operações de alto-forno de baixo carbono. A principal contribuição é a demonstração de que o comportamento de gotejamento da escória não pode ser explicado apenas pela viscosidade, particularmente sob condições de enriquecimento com hidrogênio, onde os graus de redução variam.

• O estudo estabelece que, em regimes de baixa viscosidade e rica presença de escória, a velocidade de gotejamento aparente é governada pela interação morfológica entre a escória e a camada de coque (especificamente a área de contato escória–coque) em vez da resistência viscosa isoladamente.
• Fornece um arcabouço conectando o grau de redução, as propriedades da escória, a fração da fase líquida e a morfologia de contato interfacial.
• Os autores concluem que avaliar a permeabilidade da zona de gotejamento e a retenção de líquido em altos-fornos enriquecidos com hidrogênio requer descritores combinados (como a área de contato escória–coque e a mistura ferro–escória) em vez de depender apenas da viscosidade da escória.

Limitações
Os autores observam algumas limitações: a velocidade de gotejamento é uma velocidade de migração aparente baseada no movimento do centro de massa, e não um fluxo de seção transversal real; a área de contato é aproximada usando células cúbicas em vez de interfaces curvas reais; a molhabilidade coque–líquido foi simplificada para uma condição de não-molhabilidade (ângulo de contato de 180°); e as propriedades do ferro fundido foram assumidas como constantes. Sugere-se que trabalhos futuros examinem os efeitos da tensão superficial do ferro fundido, variações de molhabilidade e frações sólidas.