Modelling Approaches of Multiphase Phenomena Focusing on an Integrated Steelmaking Route

Abstract

Förbättringar av numeriska metoder och utveckling av datorhårdvara har möjliggjort modellering av metallurgiska processer. Detta har varit ett kritiskt steg för att förstå förhållanden i ugnen under hela järn- och ståltillverkningsprocesserna eftersom det är, om inte omöjligt, extremt svårt att utföra mätningar under processerna.

I och med introduktionen av matematiska modeller har man fokuserat på modelleringen av varje enskild process för att öka kunskapen om driften av processen. Dessutom så tillhör de flesta av dessa processer kategorin flerfassystem, där olika materialfaser samverkar med varandra. Till exempel, i ett masugnsschakt så sjunker fasta partiklar ner i ugnen medan den varma gasen stiger upp genom den packade bädden; under avsvavlingsprocessen injiceras ett pulvermaterial i smältan med hjälp av en inert gas; i skänkstationen uppnås stålets renhet med hjälp av gas- och/eller induktionsomrörning.

Var och en av dessa processer har varit fokus för ett antal studier där processerna har modellerats med användande av olika metoder, nämligen helt Eulerian eller Eulerian-Lagrangian metoder som främst använts för fast fas-fluid system och Volume-of-Fluid (VOF) eller VOF-Lagrangian metoder för vätske-vätske-system eller vätske-gas-system. Det har dock publicerats färre studier där undersökningarna fokuserat på vilken av dessa metoder som är bäst lämpad för en specifik process och orsakerna till detta. Således har den aktuella studien försökt fylla denna lucka genom att ge en överblick över de metoder som används för att modellera en integrerad ståltillverkningsprocess med fokus på användbarheten av modeller för applikationer i industrin.

Denna studie går igenom den integrerade ståltillverkningsvägen genom att titta på flödet av fasta partiklar i masugnen, avsvavling av järnsmältan som produceras i masugnar och skänkraffineringsprocessen där en ny omrörningsstrategi introduceras. Därefter så fokuserar avhandlingen på en av de vanligaste biprodukterna från ståltillverkningsprocessen, nämligen slaggen. Detta beror på att stålslagger innehåller en avsevärd energimängd och att endast få försök har gjorts att utnyttja denna energi. Det nyligen genomförda globala initiativet för att åstadkomma en minskning av växthusgaser har väckt stor uppmärksamhet gällande olika aspekter av ståltillverkningsprocesser med avseende på en socioekonomisk utveckling i kombination med statlig policier. Därför undersöker studien utnyttjandet av energin i ståltillverkningsslaggen med hjälp av en värmeväxlare för att svara upp mot kraven att skapa en grönare industri.

Resultaten av denna studie visar att det är mest fördelaktigt att använda Eulerian metoden för att modellera fast-vätskesystem i en masugn och pulverinjektion i en smälta i en svavelraffineringsstation. Dessutom är det fördelaktigt att använda Volume-of-Fluid metoden för att modellera vätske-gas-interaktioner som sker under skänkraffineringsprocessen. Slutligen rekommenderas det att använda den reducerade enfasmodellen för att beräkna den statiska smältenergiförlusten i en process för att återvinna värme från slagg.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-324444