Till innehåll på sidan
Till KTH:s startsida

IronArc a New Process for Pig Iron Production; a Numerical and Experimental Investigation Focusing on Mixing

Tid: To 2020-05-07 kl 10.00

Plats: https://kth-se.zoom.us/j/64491886604, Stockholm (English)

Ämnesområde: Metallurgisk processvetenskap

Respondent: Kristofer Bölke , Tillämpad processmetallurgi, Unit of Process

Opponent: Professor Stein Tore Johanssen,

Handledare: Associate Professor Mikael Ersson, Tillämpad processmetallurgi; Professor Pär Jönsson,

Exportera till kalender

Abstract

I den här studien så var syftet att undersöka omrörningen och relaterade fenomen i den nyutvecklade IronArc processen. Processen använder sig av gasinjektion genom plasmageneratorer för att smälta och reducera en slagg bestående av järnoxid. Både penetrationsdjupet hos gasen och omrörningstiden undersöktes under olika förhållanden för att de är viktiga parametrar för processen. Undersökningen har gjorts både genom experiment och Computational Fluid Dynamics (CFD).

Först utvecklades en nerskalad modell i akrylplast av IronArc pilot reaktorn i skala 1:3, där både penetrationsdjupet och omrörningstiden bestämdes för ett system med luft och vatten genom fysiska experiment. Sedan så skapades en matematisk modell för att beskriva penetrationen av luft injicerat i vatten. Den validerade modellen användes sedan för att beskriva penetrationsdjupet av den injicerade gasen i slaggen för pilotreaktorn. Vidare så utvecklades en ny metod för att bestämma omrörningstiden i pilotreaktorn med slagg som flytande medium. Slaggen undersöktes också både med hjälp av ljusoptiskt mikroskop (LOM) och även genom beräkningar i Thermo-Calc. Detta gjordes för att undersöka huruvida slaggen är i smält tillstånd då processen körs. Ytterligare en matematisk modell utvecklades sedan för att beskriva omrörningen i den nedskalade modellen av akrylplast med luft och vatten. Samma CFD modell användes för att beskriva omrörningen i pilotreaktorn, där modellen validerades mot de tidigare resultaten från de fysiska experimenten med slagg i pilotreaktorn. Slutligen så utfördes ytterligare försök i pilotreaktorn för att bestämma omrörningstiden, men med vatten istället för slagg. Det bör även nämnas att det enbart var luft som injicerades utan att gasen värmdes upp i plasmageneratorn, då vattnet skulle evaporerat om man värmt gasen.

Den genomsnittliga omrörningstiden för den nerskalade modellen där luft injicerades i vatten bestämdes till 7,6 s och 10,2 sekunder för respektive homogeniseringsgrad på 95% och 99%. Detta gjorde då ett inlopp användes med ett gasflöde på 282 NLmin-1 användes. Det visade sig att den genomsnittliga omrörningstiden ökade med 15,8% för 95% homogenisering och 17,6% för 99% homogeniseringsgrad då 3 inlopp användes för samma gasflöde. Penetrationsdjupet visade på ett pulserande beteende med ett maximum och minimum värde för respektive undersökt gasflöde.

Penetrationsdjupet för experimentet med gas injicerat i vatten kunde beskrivas korrekt med CFD modellen, där Euler-Euler metoden bestämde penetrationsdjupet av experimentet inom en noggrannhet på 86%. Det visade sig också att denna metod reducerade beräkningstiden jämfört med den andra testade Volume of Fluid (VOF) modellen. Penetrationsdjupet av gas i slagg predikterades till 0.3 m, vilket motsvarar radiens läng i reaktorn.

Resultaten visade att möjligt att experimentellt bestämma omrörningstiden i pilotreaktorn genom att addera ett spårämne (MnO2 pulver) till slaggen och ta kontinuerliga prover. Mer specifikt så var tiden för att homogenisera badet under 10 sekunder efter att spårämnet tillsatts. Både LOM (Ljusoptiskt Mikroskop)  observationerna och Thermo-Calc beräkningarna indikerade att det var rimligt att anta att slaggen är i smält tillstånd under körning.

Den predikterade omrörningstiden för den numeriska modellen för luft-vatten systemet var 7,5 sekunder och överensstämmer med experimentresultaten med 1,3%. omrörningstiden bestämdes till 6.5 sekunder för simuleringen av pilotreaktorn och det stämmer överens med resultaten från experimenten i pilotskalan som visade att omrörningstiden var under 10 sekunder. Även resultaten från experimenten då omörningstiden bestämdes 8,5 och 14 sekunder för 95 % och 99% homogeniseringsgrad, då reaktorn var vattenfylld.

Denna undersökning av den nya IronArc-processen har gett värdefull information om omrörningen som kan användas i designbeslut för en framtida storskalig järnframställningsprocess.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-272095