11.3.2022
Doktorsavhandling i värme- och strömningsteknik
M.Sc. (Tech.) Weiqiang Lius doktorsavhandling i värme- och strömningsteknik framläggs till offentlig granskning vid fakulteten för naturvetenskaper och teknik vid Åbo Akademi.
Avhandlingen heter Experimental and numerical analysis of blast furnace drainage.
Disputationen äger rum fredagen den 18 mars 2022 kl. 13 i Auditorium XXI, Agora, Vattenborgsvägen 3, Åbo samt via videolänk. Opponent är docent Ville-Valtteri Visuri, Uleåborgs universitet och kustos är professor Henrik Saxén, Åbo Akademi.
Sammanfattning
Denna doktorsavhandling studerar strömningen av järn och slagg i masugnens nedersta del, så kallade ställ, och den komplexa dräneringen av ugnen under tappning. Forskningen baserades på såväl experiment i liten skala som numerisk simulering. I arbetet utvecklades även en matematisk modell för ställväggens och -bottnens slutliga tillstånd för en specifik ställdesign samt drifttillstånd hos masugnen.
Doktorsarbetets huvudsakliga avsikt var att undersöka förhållandena under tappning av masugn och att kvantifiera hur de två smälta faserna flödar ut ur ugnen. Speciell tonvikt sattes vid hur gränsskikten mellan fluiderna utvecklades under tappningen. En genomskinlig spaltmodell, av H-S-typ, byggdes och användes i arbetets experimentella delar. I laboratoriemodellen ersattes järn och slagg av vatten och olja, som inbördes visades ha sådana egenskaper att slutsatser om det verkliga systemet kunde dras på basis av experimenten.
För att kunna behandla stora datamängder samt erhålla tillförlitlig information från spaltmodellens försök utvecklades en metodik för automatisk bildanalys, som via videosekvenser kan detektera fasernas gränsskikt och därför beskriva dessa numeriskt för vidarebehandling av informationen. Metoden möjliggjorde även en automatisk uppföljning av vätskevolymerna i H-S-modellen under experimenten, vilket implicit även gav utflödeshastigheterna av vatten och olja. På basis av metoden studerades inverkan av blästertryck, slaggviskositet och startvolymerna av järn och slagg i masugnsstället på tapptiden genom motsvarande försök i H-S-modellen, där resultaten för vatten och olja omformades med hjälp av dimensionslösa uttryck så att slutsatser beträffande de industriella förhållandena kunde dras. Försöken gjordes utan att tillföra vätskor, vilket betyder att endast dräneringen (utflödet) beaktades i experimenten. Med modellen studerades bland annat hur omständigheterna påverkade de slutliga vätskemängderna, hur vätskenivåerna och -utflödet utvecklades samt hur, och i vilken omfattning, gränsskikten deformerades i närheten av tapphålet under tappningens gång. Arbetet klargjorde de faktorer som har stor betydelse för tappningsförloppet, samt illustrerade även möjliga avvikande tillstånd som kan uppstå under vissa omständigheter. Blästertrycket befanns spela en avgörande roll vid dräneringen för både tappningshastigheterna och restvolymerna av smältorna då tappningen avslutats. Ett exempel ur avvikande tillstånd är tappningar som slutar fastän gränsskiktet mellan järn och slagg överlag befinner sig ovanom tapphålets nivå.
Då det inte var enkelt att studera vissa parametrar med den experimentella modellen, såsom t.ex. bäddpermeabiliteten eller en möjlig flytning av koksbädden i masugnen, utvecklades även en numerisk modell på basis av strömningsmekanik (eng. computational fluid dynamics, CFD) för H-S-systemet. Den numeriska modellen efterliknar det experimentella systemet och kan användas för jämförelse samt för att analysera variabler vilkas värden inte kan ändras i laboratoriemiljö. Modellen befanns beskriva den experimentella modellen med acceptabel noggrannhet och utnyttjades därefter för att teoretiskt studera vissa faktorers inverkan på dräneringsförloppen. I överensstämmelse med resultat som rapporterats i litteraturen fann man att utströmningen av vätskorna påverkades kraftigt av en koksfri zon i bädden som sträcker sig ända upp till tapphålet.
I praktiken är masugnsställets dimensioner inte statiska utan förändras under driften p.g.a. slitage av de eldfasta ställmaterialen samt även av möjliga ansättningar av material på ställväggen och -bottnen. För att öka förståelsen för hur ställdesign samt driftsparametrar, såsom omständigheterna vid ställets gränser, påverkar förloppen utvecklades en matematisk modell som beskriver det asymptotiska sluttillståndet för ställinfodringen. Modellen, som är tvådimensionell och statisk, beaktar strömningen av järnsmältan, värmeöverföring från smältan via ställväggen och -bottnen till omgivningen, och estimerar samtidigt infodringens slitage samt möjlig bildning av ansättningar. Den kan därför användas som ett verktyg för att teoretiskt studera hur ställdesign (geometri, materialval) samt driftomständigheter (produktionstakt, väggkylning, etc.) påverkar det förväntade fortfarighetstillståndet hos stället. Ett flertal intressanta fall studerades med modellen för att belysa dess användningsmöjligheter.
Weiqiang Liu är född 1992 i Shandong-provinsen, Kina. Han kan vid behov nås per telefon 044 977 0584 eller e-post weiqiang.liu@abo.fi.
Avhandlingen kan läsas i Åbo Akademis publikationsarkiv Doria.
Klicka här för pressbild på disputanden.
Anvisningar för att följa med disputationen på distans
För att följa med disputationen behövs programvaran Zoom eller webbläsaren Google Chrome. Du behöver inte skapa ett Zoom-konto för att kunna följa med disputationen. Om du installerar appen deltar du genom att klicka på möteslänken varefter du bör tillåta att länken öppnas i Zoom-appen.
I slutet av tillställningen är det möjligt att ställa frågor. Har du en fråga kan du visa det genom funktionen ”Raise Hand”. Förbered dig gärna genom att ha en mikrofon installerad på din dator eller genom att ha frågan färdigt formulerad i ett textdokument på datorn därifrån du sedan kopierar in den i Zooms chattfunktion då du får tillstånd att ställa din fråga.