Aplicación de la Dinámica de Fluidos Computacional en la Refinación de Aluminio mediante Inyección Neumática de Polvos

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Ing. Jorge Enrique Rivera Salinas

 

RESUMEN

En este trabajo se desarrollaron dos modelos matemáticos para el estudio numérico hidrodinámico de operaciones de cuchara tales como; el proceso de inyección neumática en metales fundidos y el proceso de inducción electromagnética para agitación. Los modelos se aplicaron bajo condiciones experimentales relevantes al reciclaje de aluminio. En el primero, se utilizaron polvos de sílice para remover magnesio, mientras que en el segundo se promovió la agitación de aluminio electromagnéticamente, ambas operaciones a escala laboratorio. La descripción de la dinámica fundamental del flujo bifásico líquido-gas, presenta un enfoque innovador al emplear el método de campo de fase para describir la evolución de la interface líquido-gas durante el proceso de inyección. Este modelo permite el estudio del trazado de partículas sólidas esféricas inyectadas al metal fundido para determinar los tiempos de residencia, así como la identificación del tipo de interacción de los agentes solidos con los fluidos durante la reacción transitoria. El modelo de Ohguchi y Robertson se adaptó a las reacciones transitorias para representar el término fuente del balance de conservación de materia. El modelo de inyección neumática se validó cualitativamente comparando el comportamiento de la evolución dinámica de la interface líquido-gas con resultados reportados en la literatura y cuantitativamente, comparando los datos cinéticos experimentales contra los predichos numéricamente. Ambas validaciones presentaron una buena concordancia de los datos para los tres casos estudiados.

El estudio numérico muestra que el método de contacto entre los polvos reactivos con el fundido según el tamaño de partícula, tiene un efecto fundamental para el desarrollo de la reacción transitoria, ya que se observa que esto afecta más en la eficiencia de utilización de las partículas que su tiempo de residencia.

Aunque todos los resultados presentados en este estudio son de particular interés en la refinación de aluminio empleando sílice, estos también proveen información invaluable y una mirada más profunda a las variables y parámetros que juegan un rol fundamental en el proceso de inyección neumática en general.

El modelo de agitación electromagnética, se desarrolló para establecer las bases fisicomatemáticas y numéricas, las cuales posteriormente permitan incluir el flujo bifásico para el estudio de la agitación combinada por inyección de gases y electromagnética. Este modelo se validó comparando los campos de velocidad y de densidad de flujo magnético predichos por el modelo, contra valores experimentales reportados en la literatura.

Las ecuaciones gobernantes se resolvieron utilizando el código del elemento finito implementado en el software Comsol Multiphysics. No obstante, los fundamentos matemáticos del método del elemento finito para la solución de las ecuaciones de flujo de fluidos, transferencia de masa y electrodinámica se presenta con amplio detalle.

 

ABSTRACT

In this work, two mathematical models were developed for the hydrodynamic numeric study of ladle operations such as; pneumatic injection process molten metals and the induction electromagnetic stirring process. The models were applied under experimental conditions relevant to aluminum recycling. In the first one, silica powders were used to remove magnesium, while in the second one, an electromagnetic stirring of aluminum was promoted, both in laboratory-scale conditions. The description of the fundamental dynamics of liquid-gas two-phase flow, presents an innovative approach employing the phase field method to describe the evolution of the liquid-gas interface during the injection process. This model allows the study of the subsurface motion of spherical solid particles injected into the molten metal to determine the residence time, and the type of interaction of the solid agents with the fluids as the transitory reaction proceeds. The model of Ohguchi and Robertson was adapted to the transitory reactions to represent the source term in the balance of matter conservation. The pneumatic injection model was validated qualitatively by comparing the behavior of the dynamic evolution of the liquid-gas interface against results reported in the literature and quantitatively, comparing the experimental kinetic data against the predicted numerically. Both validations showed good agreement of the data for the three cases studied.

The numeric study shows that the contact method between the reactive powders with the molten according to the particle size has a fundamental effect in the developing of the transitory reaction. It was observed that this effect is more pronounced than the residence time in the utilization efficiency of the solids.

Although the results presented in this study are of particular importance to aluminum refining using silica powders, it also provides invaluable information and a deep insight to the variables and parameters playing a fundamental role in the pneumatic injection process.

The model of electromagnetic stirring was developed to establish the physico mathematical and numerical basis for the subsequent link with the two phase flow to study the combined agitation by gas injection and electromagnetic. This model was validated by comparing the velocity fields and magnetic flux density predicted against experimental values reported in the literature.

The governing equations were solved using the finite element code implemented in software Comsol Multiphysics. However, the mathematical fundamentals of the finite element method for the solution of the equations of fluid flow, mass transfer and electrodynamics are presented in great detail.

 

Aplicación de la Dinámica de Fluidos Computacional en la Refinación de Aluminio mediante Inyección Neumática de Polvos


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