Mathematical modeling of mixing phenomena in ladles of aluminum equipped with impeller and gas purging for degassing

Abstract

ResumenSe desarrolló un modelo matemático Euleriano para analizar el flujo de fluidos y el mezclado en ollas (cucharas) de tratamiento de aluminio equipadas con rotor-inyector, variando parámetros del proceso como la velocidad de giro del rotor, la distancia de inmersión de la flecha, el flujo de gas, el tipo de rotor y el factor de forma de la olla (cuchara) (relación altura/diámetro). El modelo matemático simula la operación, con y sin inyección de gas, a través del rotor, empleando el código comercial PHOENICS donde se resolvieron las ecuaciones de continuidad, momento, especies químicas y turbulencia, k-ε, de forma simultánea, tanto para la fase líquida como para la gaseosa. El dominio se dibujó, realistamente, empleando coordenadas ajustadas al cuerpo (BFC) y se utilizó el algoritmo IPSA (Interphase Slip Algorithm) para simular el comportamiento del gas inmerso en el líquido, así como la superficie libre del baño. De los resultados que arrojó el modelo se concluyó que el grado de recirculación del baño depende, principalmente, de la velocidad de giro de rotor y que, ésta, aumenta al aumentar el giro del rotor. También, se dedujo que la principal causa de formación y tamaño del vórtice es la velocidad angular del rotor. Por último, el mezclado se mejora cuando: 1) La colocación del rotor se sitúa a una profundidad de inmersión de 0,229 m; 2) Usando altas velocidades de rotación; 3) Si se usan ollas (cucharas) con relaciones geométricas de baja altura y diámetro grande; y 4) Usando rotores muescados. Palabras claveModelación matemática. Flujos bifásicos. Vórtice. Superficie libre. Mezclado.Mathematical modeling of mixing phenomena in ladles of aluminum equipped with impeller and gas purging for degassing AbstractIn this work a fundamental Eulerian mathematical model was developed to study fluid flow and mixing phenomena in aluminum ladles equipped with impeller for deshidrogenization treatment. The effect of critical process parameters such as rotor speed, depth of immersion, gas flow rate, and type of rotor on the mixing behavior and vortex formation was analyzed with this model. The model simulates operation with and without gas injection and it was developed on the commercial CFD code PHOENICS 3.4 in order to solve all conservation equations governing the process, i.e. continuity, 3D turbulent Navier-Stokes and the k-ε turbulence model for a two-phase fluid flow problem using the Inter Phase Slip Algorithm (IPSA). In order to realistically represent the process, shape of the furnace and three kinds of impellers were drawn by employing Body Fitted Coordinates (BFC). From the results it * Trabajo recibido el día 16 de agosto de 2005 y aceptado en su forma final el día 28 de marzo de 2006.