Computational Modelling of Melting, Solidification, and Slag Dynamics in Sustainable Ironmaking

Abstract

Den här avhandlingen stöttar transformationen till fossilfri ståltillverkning genom att undersöka två nya processer: ståltillverkning från vätgasbaserad direktreduktion av järn (H-DRI) , samt IronArc processen. Båda dessa processer har som mål att byta ut den nuvarande masugnsbaserade järntillverkningen med mer klimatsmarta alternativ som släpper ut mindre CO₂. Detta kan göras via ståltillverkning baserad på direktreduktion med fossilfri vätgas i schaktugn kombinerat med smältning i elektrisk ljusbågsugn (EAF) som drivs med fossilfri el. Även IronArc processen minskar CO₂ utsläpp från ståltillverkningen genom att använda flytande naturgas (LNG) för reduktionen och plasma generatorer för att förse värme och omrörning till processen. För att stötta implementeringen av båda dessa processer har 5 supplement publicerats som använder sig av experimentellt arbete och numeriska simuleringar för att utvärdera flödet av slagg, och hur dess materialegenskaper påverkar slitage av infodring, bildande av frusna skyddslager, smältning av vätgasreducerat järn (H-DRI), infiltration i porösa strukturer, värmetransport, och gasinjektion. IronArc processen använder sig av en slagg med över 90% FeO som förväntas vara korrosiv mot de flesta vanliga eldfasta infodringsmaterial. För att möjliggöra hanteringen av en sådan slagg har bildandet av frusna skyddslager på infodringen undersökts för att skydda infodringen. Studierna visade att det är möjligt att bilda ett stabilt och heltäckande fruset skyddslager i slaggrännan mellan de två reaktorerna, men att det krävs ett högt flöde av kylvatten för att bibehålla täckningen, samt att höga slaggflöden är problematiska och riskerar att smälta skyddslagret. Olika infodringsmaterial undersöktes också i både experiment och med termodynamiska beräkningar. Dessa studier visade att de termodynamiska beräkningarna kan användas för att förutspå den experimentella stabiliteten hos infodringsmaterialen genom att utvärdera hur stabila de ingående materialen i infodringen är vid den experimentella temperaturen i ett system tillsammans med slagg. Det enda infodringsmaterialet som visade något motstånd mot slitage var MgO-spinel som vid hög sintringsgrad kunde motstå det kemiska slitaget under den experimentella tiden och visade några kemiska stabila faser. Den varma gas från plasmageneratorerna som används i IronArc processen utvärderades också i simuleringar för att se hur den jetström som bildas kommer att påverka processen. Det upptäcktes att gasen endast kommer att bilda en stabil jet om Froude talet är tillräckligt högt, för IronArc processens slagg krävs ett Froude tal på 300 för att jetströmmen ska vara mestadels stabil. För att kunna förutspå hur djupt gasen penetrerar i slaggen krävs även att jetströmmen är stabilt, vilket kräver ett högre Froude tal. Undersökningen visade även att densitetsförhållandet mellan gas och vätska påverkar vilket Froude tal som krävs för en stabil jetström. För att garantera att jetströmmen i IronArc processen blir stabil så rekommenderas det att diametern på inloppet från plasmageneratorn minskas, vilket kommer öka Froude talet direkt, och genom en högre gashastighet om massflödet bibehålls. Om jetströmmen inte är stabil så riskerar flödet att börja pulsera vilket gör att gas kan interagera med infodringen och orsaka extra slitage. Smältningen av H-DRI i EAF är beroende av snabb smältning för att möjliggöra hög produktivitet, men också för att undvika agglomeration av osmält material och bildande av ferroberg. I två av supplementen undersöktes smältningen av H-DRI genom att utvärdera effekten av flöde, temperatur, infiltration, och materialegenskaper. Resultaten visade att smälttiden för H-DRI påverkas av slaggtemperaturen i relation till övervärmningen mot järnets smälttemperatur, och även av det påtvingade flödet av slagg. Den kortaste smälttiden uppnåddes genom att kombinera hög slaggtemperatur med låg viskositet, hög värmeledningsförmåga, och högt påtvingat flöde. Denna kombination resulterade i en smälttid på 4.56 s, vid vilken det är rimligt att anta att fullkomlig smältning kan ske under tiden som H-DRI faller igenom den skummande slaggen. Reduktionsgrad och porositet hos H-DRI däremot verkar endast ha en liten effekt på smälttiden, jämför med ändringarna i slaggens egenskaper. Detta beror mest troligt på att det är värmetransporten till H-DRI som är den begränsande faktorn i smältningen, vilket gör att ökad intern värmeledning inte ger någon stor skillnad i smälttid. Infiltration av slagg in i den porösa strukturen av H-DRI simulerades som kapillärflöde av varm slagg i en kall kapillär med väggar av järn. Simuleringarna visade att slaggen snabbt stelnar på väggar och i hela kapillären om inte järn-matrisens temperatur är högre än slaggens smälttemperatur. Det gör att slaggen endast kan infiltrera strukturen där temperaturen är högre än 1523K i järnet. Beräkningar visade också att det konvektiva bidraget av energi från infiltrerande slagg är väldigt litet i jämförelse med det totala energibehovet, och att slagginfiltration därför inte nödvändigtvis ger en minskad smälttid. För att infiltration av slagg in i H-DRI ska minska smälttiden så krävs det en hög porositet (65%) och en hög värmeledningskoefficient (> 2500 W m^-2 K^-1) från slagg till H-DRI. Sammanvägningen av alla resultat i den här avhandlingen visar på vikten av korrekta materialdata för numeriska och termodynamiska beräkningar för att kunna göra realistiska förutsägningar av processer. Det visades också att IronArc processen är en lovande process för primär järntillverkning med låga utsläpp för små och medelstora stålverk, och att smältning av H-DRI i ljusbågsugn kan utföras med hög produktivitet och är väl anpassad för primär järntillverkning i såväl liten som stor skala. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-369667