Till innehåll på sidan
Till KTH:s startsida

Development Towards Sustainable Ironmaking

The IronArc Process

Tid: Fr 2020-12-18 kl 14.00

Plats: https://kth-se.zoom.us/j/6173157703, Stockholm (English)

Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap

Licentiand: Jonas Svantesson , Processer

Granskare: PhD Robert Eriksson, Jernkontoret

Huvudhandledare: Universitets lektor Mikael Ersson, Materialvetenskap

Exportera till kalender

Abstract

Sammanfattning

IronArc processen är en nytänkande metod för att producera flytande råjärn på ett mer hållbart sätt genom att använda elektricitet för uppvärmning och kolväten för reduktion. Denna avhandling ämnar att utvärdera möjliga metoder för att skydda infordingen i processen och undersöka gasblåsningen i processesen som görs med en plasma generator.

Ett av huvudstegen av IronArc processen är tillverkningen av en slagg med upp till 90 vikts % järnoxid samt 5 vikts % kiseldioxid och 5 vikts % kalciumoxid från gångarten. Interaktionen mellan en sådan slagg och olika infodringar baserade på MgO, Al2O3, Cr2O3, SiC, ASZ, och C undersöktes i högtemperaturexperiment vid 1700 K samt med termodynamiska beräknar i Thermo-calc och FactSage. Experimenten visade att alla de undersökta infodringsmaterialen bröts ned under de 3 timmar de var i kontakt med slaggen, men de två MgO-Al2O3 spinel baserade infodringarna visade högst motståndskraft mot slitaget. De termodynamiska beräkningarna överrensstämde bra med de experimentella resultaten för alla infodringsmaterial förutom den kromoxid baserade infodringen som bröts ned fullständigt trots att de termodynamiska beräkningarna påvisade viss stabilitet. Slutsatsen är att inget av de studerade infodringsmaterialen är bra anpassat för IronArc processen men att metoden som användes för de termodynamiska beräkningarna i Thermo-calc och FactSage kan användas för att ge en indikation om stabiliteten för olika infodringsmaterial i kontakt med slagg. Dock så kommer resultaten av de termodynamiska beräkningarna vara beroende av kvalitén av databasen som används för beräkningen.

Eftersom infodringsmaterialen inte kunde motstå slitaget från slaggen undersöktes en dynamisk infodring för slaggrännan i IronArc processen. Detta gjordes genom att simulera flödet och stelningen av slagg i flödesberäkningar i ANSYS Fluent i två olika typer av slaggrännor. Studien visade att enthalpy-porosity modellen för stelning samt RSM modellen för turbulens kunde förutspå stelningsförloppet i slaggrännan samt beskriva hur väl den dynamiska infodringen skyddar väggen och vilken kyleffekt som krävs för att bibehålla den. Denna modell validerades mot experimentella studier i CaCl2-H2O systemet med god överrensstämmelse. För optimalt skydd av väggarna i IronArc processen borde reaktorn och slaggrännan utformas så att flödet nära väggarna minimeras då ett turbulent flöde nära väggen är negativt för stabiliteten och tjockleken hos den dynamiska infodringen.

IronArc proceesen använder sig av en plasmagenerator för att förse processen med värme via elektricitet. Genom att blåsa gas och kolväten genom en ljusbåge värms gasblandningen och trycks in i reaktorn  vilket ger både värme och omrörning till processen. För att undersöka hur den varma gasen beter sig i reaktorn utvecklades en simuleringsmodell i OpenFOAM. Modellen utformades som både inkompressibel och kompressibel för blåsning av luft i vatten och jämfördes med experiment där gas blåstes i vatten. De båda modellerna överrensstämde bra med de experimentella resultaten och kunde därför användas för att studera gasflödet i IronArc processen. För simuleringen av IronArc processen valdes den kompressibla versionen av simuleringen då den tar hänsyn till de höga temperaturer och tryck som uppstår i reaktorn.

Simuleringarna visade att den inblåsta gasen kan ge en stabil gas-jet om Froude-talet för inblåset är tillräckligt högt. Om Froude-talet för gasblåsningen är för lågt så kommer gasen pulsera på ett instablit sätt och skapa stora bubblor som kommer i kontakt med infodringsmaterialet, vilket tidigare har påvisats orsaka ökat slitage på infodringsmaterialet. För IronArc processen krävdes ett Froude tal på ca 300 eller högre för att skapa en stabil jet av gas, där högre värden vidare ökar gas-jettens stabilitet. Studien visade också att den empiriska ekvationen som används för att beräkna penetrationslängden vid gasblåsning endast är korrekt om gasen är en stabil jet. Om ekvationen används för att beräkna penetrationslängden för gasblåsning med mindre än det krävda Froude talet kommer penetrationslängden kraftigt underskattas vilket kan medföra att fel beslut tas när en process utformas. Genom att minska diametern på dysan som används för gasblåsningen ökas Froude-talet och därmed stabiliteten av gasjetten, vilket gör den mer förutsägbar och bättre för processen.

För att vidare utveckla IronArc processen så bör den undersökta dynamiska infodringen samt de föreslagna modifieringarna till gasblåsningen användas. Då kan en lovande industriell process utformas som har möjlighet att producera flytande råjärn på ett mer hållbart sätt.

 Keywords: IronArc, infodringsslitage, plasmagenerator, dynamisk infodring

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-286031