Till innehåll på sidan

Thermodynamics and Kinetics in Metallurgical Processes - with a Special Focus on Bubble Dynamics

Tid: On 2020-12-16 kl 14.00

Plats: Publikt via Zoom, Stockholm (English)

Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap Metallurgisk processvetenskap

Respondent: Yu Liu , Processer, KTH-Royal Institute of Technology

Opponent: Professor Joaquín B. Ordieres-Meré, Universidad Politécnica de Madrid, Departamento De Ingeniería De Organización,; Professor Yogeshwar Sahai, Department of Materials Science and Engineering, Ohio State University; Dr.-Ing. Birgit Palm, BFI VDEH Betriebsforschungsinstitute GmbH; Docent Ville-Valtteri Visuri, Process Metallurgy Research Unit, University of Oulu

Handledare: Mikael Ersson, Processer, KTH-Royal Institute of Technology; Pär Göran Jönsson, Processer, KTH-Royal Institute of Technology; Bjoern Glaser, Processer, KTH-Royal Institute of Technology

Abstract

Gasomrörning används frekvent inom järn och stålframställning för att effektivisera kemiska reaktioner, kinetik, transport av inneslutningar osv. Denna avhandling fokuserar på flerfasflöden med gasblåsning för att studera fluidmekanik och termodynamik i metallurgiska processer. Avhandlingen analyserar bubbelkaraktär i olika skalor: testugnsskala (makro) → bubbelplymskala → enkelbubbelskala → jämviktsberäkningar (mikro).

Först och främst har metoderna för experimentell och matematisk modellering av gas-bubblor i skänk från tidigare studier granskats. I dessa studier upptäcktes följande svagheter:

  • Inom experimentell modellering av omrörning och homogenisering i skänken har de generella empiriska reglerna inte analyserats tillräckligt utförligt;
  • De matematiska modellerna som fokuserar på inneslutningars beteende vid stål-slagg gränsytan behöver förbättras;
  • Fenomen som styr transport av ämnen, vakuumavgasning, samt kombinationen av fluidmekanik och termodynamik så som i svavelrening kräver ytterligare forskning.

Ett av de mest omfattande forskningsfälteten inom metallurgi är kinetik som styr temperatur och homogenisering av ämnen. I en analys i testugnsskala har den optimala konfigurationen av porösa dysor studerats för en 50 ton skänk. Vid bottenblåsning med två dysor rekommenderas en separationsvinkel på 160 grader med en radiell positionering på 0.65R. Det upptäcktes även att effekten av den naturliga konvektionen hos spårämnet inte kan försummas vid homogeniseringsexperiment, speciellt vid låg flödeshastighet.

I studien av det statistiska beteendet hos bubbelplymen jämfördes två numeriska metoder, Euler-Euler och Euler-Lagrange. Med hänsyn till bubbelkoalescens och delning är Euler-Lagrange metoden mer precis för att karakterisera flödet vid gasinjektion med porös dysa. Experimentell modellering utfördes för att undersöka effekten av dysans design på bubblorna i plymen där skillnaden mellan porös plug och ”slot” dysa studerades. Gas injektion med ”slot” dysa ökar kinetiken för reaktion nära ”open eye” området på grund av den koncentrerade plymen. Däremot är gasblåsning genom en porös dysa mer effektiv på att driva upp inneslutningar på grund av den större mängden bubblor.

I studien på enkelbubblans beteende har effekten av nedsatt tryck vid vattenytan på bubbel-bildning och uppstigning undersökts. Med samma gasflöde och minskande tryck vid ytan ökar bubbeldiametern samtidigt som bubbelfrekvensen minskar. När en stor bubbla stiger når den gradvis ett stabilt läge genom att separera flera små bubblor från botten av bubblan. I ett system av stål och argon är bubblans originaldiameter mellan 6.0mm och 20.0mm när ett flöde mellan 5.0(mL‧min-1)STP och 2000(mL‧min-1)STP används. Under laminärt tillstånd och ett tryck på 0.2bar är bubblans maximala bredd 65mm och vid ett tryck på 2.0bar är bubblans stabila bredd ca 58mm.

Slutligen har en kopplingsmodell kallad ’Multi-zone Reaction Model’ utvecklats för att studera raffinering i en EAF process. En gasinjektion bestående av O2 gas utspädd med inert argongas ökar kolfärskningshastigheten på grund av en mer effektiv kinetisk masstransport av kol i smältan, jämfört med samma injektionsmängd av enbart syrgas. Vidare, när argon byts mot CO2 och förhållandet av CO2 mot O2 ökar, minskar den maximala ’hot spot’ temperaturen och den genomsnittliga temperaturökningen samt  hastigheten för kolfärskningen dramatiskt.

Kopplingen mellan fluiddynamik och termodynamik är ett stort framsteg som gjorts i denna studie. Dessutom har användningen av ’Open-source’ mjukvaror för att ersätta kommersiella mjukvaror varit en viktig del i arbetet för att förstå numerisk fluiddynamik mer djupgående, modifiera variabler i olika modeller och designa en mer precis modell för att undersöka gasbubblornas beteende i metallurgiska processer.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-285937