14.10.2022

Doktorsavhandling om masugnsmodellering

MSc (Tech.) Han Weis doktorsavhandling i värme- och strömningsteknik framläggs till offentlig granskning vid fakulteten för naturvetenskaper och teknik vid Åbo Akademi.

Avhandlingen heter Experimental and Numerical Studies of Burden Layers at Blast Furnace Charging. 

Disputationen äger rum fredagen den 21 oktober 2022 kl. 12 i Auditorium XX, Agora, Vattenborgsvägen 3, Åbo. Opponent är professor Yansong Shen, University of New South Wales, Australien och kustos är professor Henrik Saxén, Åbo Akademi.

Sammanfattning
 

Masugnen är den huvudsakliga processenheten vid produktion av råjärn för stålframställning. Den är en industriell reaktor med mycket stor genomströmning av material. Ugnen har en hög energiförbrukning, vilket innebär att redan små relativa förbättringar i driften kan ha stora implikationer för material- och energiåtgång samt för de utsläpp som förorsakas av processen. Masugnens chargering, d.v.s. inmatningen av det fasta råmaterialet vid toppen, är av stor betydelse för styrningen av råmaterialets radiella fördelning i ugnens övre del. Chargeringen bestämmer beskickningens struktur i masugnsschaktet, vilket påverkar ugnens termiska och kemiska verkningsgrad. Dessa faktorer är centrala för att uppnå driftpunkter med låg förbrukning av reduktionsmedel, lång ugnskampanj samt en hållbar järnframställning.

Föreliggande avhandling studerar beteendet hos partiklar som bildar högar och lager i granulära system. Avhandlingen behandlar frågor av speciell relevans för bäddens egenskaper i masugnsschaktet, där lager av olika beskickningsmaterial bildas vid chargeringen och efter det långsamt sjunker nedåt i ugnen. För att beskriva hur gasen fördelas i schaktet måste även porositeten hos materialbädden vara känd.

I den första delen av arbetet studerades inverkan av partikelform och fysikaliska parametrar på porositeten och rasvinkeln för högar av järnbärare. Systemet simulerades med diskreta element-metoden (DEM), där partiklar med annan form är sfärisk skapades genom att klumpa ihop överlappande sfärer (eng. sphere-cluster). För jämförelse och för validering av den matematiska modellen utfördes småskaliga laboratorie-experiment med partiklar av samma typ. Överensstämmelsen mellan de simulerade och experimentella resultaten visade att DEM-modellen kan användas för att prediktera porositeten hos partikelsystemet.

Några viktiga fysikaliska parametrar hos de huvudsakliga beskickningsmaterialen (pelletar, sinter och koks) uppmättes och validerades med hjälp av experiment. De parametrar som bestämdes experimentellt var elasticitetsmodulen, skjuvmodulen Poissons konstant, partikeldensitet, restitutionskoefficienter, samt statiska och rullnings-friktionskoefficienter. De experimentella och simulerade resultaten befanns överensstämma väl, vilket bekräftade att DEM-parametrarna som bestämts var tillräckligt noggranna för att kunna utnyttjas vid simulering av beskickningsfördelning och -sjunkning i masugnen.

DEM-modeller som beskriver bäddporositetens och den radiella malm-koks-fördelningen hos beskickningen i masugnsschaktet skapades för ett system med s.k. Paul Wurth-chargeringsmål med två- eller tredimensionella modeller för masugnens gikt. Ett experimentellt klocklöst (eng. bell-less) uppsättningsmål i laboratorieskala i 1:10-skala jämfört med en industriell ugn byggdes och utnyttjades i experiment.  DEM-simuleringar av motsvarande system gav resultat som generellt överensstämde med de experimentella resultaten, vilket validerade de matematiska modellerna.

Två typer av ojämn sjunkning av beskickningen i schaktet studerades även numeriskt med hjälp av en DEM-modell, där bädden simulerades sjunka snabbare eller långsammare i masugnens centrala del. Resultaten visade att malm/koks-förhållandet avtar i regioner där bädden sjunker långsamt, medan kvoten ökar i regioner där sjunkhastigheten är hög.

I arbetets sista del studerades hur en satsvis chargering påverkar det termiska och flödesmässiga dynamiska tillståndet hos den översta delen av masugnsschaktet med hjälp av flödessimulering (eng. Computational Fluid Dynamics, CFD) kombinerad med DEM, s.k. CFD-DEM-teknik.  En förenklad och nerskalad modell utvecklades, som beskriver motströmsflödet av gas och beskickningsmaterial och temperaturerna hos de två faserna. Modellen klargjorde hur temperaturerna och gashastigheten påverkades av den oregelbundna chargeringen, vilket förklarar fenomen som man kan observera vid ugnstoppen i den verkliga driften av masugn.

Han Wei är född 1992 i Rizhao, Shandong provinsen, Kina. Hon kan vid behov nås per telefon +358 44 952 5228 eller e-post han.wei@abo.fi. 

Avhandlingen kan läsas i Åbo Akademis publikationsarkiv Doria.   

Klicka här för pressbild på disputanden.