Advanced Techniques for Process Optimization in Iron and Steelmaking: Modeling and Monitoring Innovations

Chair: Doc. Weihong Yang, KTH Kungliga Tekniska Högskolan

Members of the grading committee:

Prof. Baijun Yan, University of Science and Technology Beijing,  

Prof. Maria Aquareles Carrero, University de Girona,    

Dr. Thomas Helander, Kanthal AB

Abstract

Järn- och stålindustrin är välkända för sina bidrag till de globala koldioxidutsläppen och står för nästan 7 % av de totala utsläppen. De är därför i akut behov av teknologiska framsteg för att förbättra effektiviteten i sina nuvarande processer och stödja övergången till mer hållbara metoder. För att adressera några av dessa behov introducerar denna studie avancerade tekniker med två huvudmål: för det första, att utveckla beräkningsmässigt effektiva gas-fast flödesmodeller för masugnar i järnframställning för att påskynda förutsägelsen av deras inre tillstånd och förbättra processförståelsen bortom nuvarande metoder; och för det andra, att vidareutveckla funktionaliteten och den praktiska tillämpningen av infraröd (IR)-baserade system för att optimera slagghantering under stålframställningsprocesser.

Ett viktigt steg i modelleringen av masugnens inre tillstånd är simuleringen av kopplade gas-fast flöde. Befintliga numeriska modeller som använder Discrete Element Method (DEM) och Computational Fluid Dynamics (CFD) är begränsade i sin tillämpning på grund av de höga beräkningskostnaderna som uppstår till följd av masugnens komplexitet. Som ett alternativ användes asymptotiska metoder för att förenkla Euler–Euler-formuleringen för att modellera gas-fast flöde i en masugn, vilket gav i stort sett samma resultat som numeriska metoder men till en betydligt lägre beräkningskostnad. Som ett inledande steg mot fullskalig modellering analyserades en endimensionell (1D) gas-fast modell i detta arbete – först under stationära förhållanden och därefter för ett övergående fall, vilket bättre representerar masugnens dynamiska karaktär. Inledande analys av de icke-dimensionella 1D-modellekvationerna under stationära förhållanden visade på behovet av gränsskikt nära gas- och fasta inloppen för att uppnå korrekta flödesprediktioner. Gränsskiktet nära gasinloppet visade sig vara betydligt bredare än det vid fasta inloppet. Metoden med matchade asymptotiska expansioner användes därefter för att härleda asymptotiska lösningar i respektive lager, samt den ledande ordningens lösning i domänens inre område. En viktig slutsats från den asymptotiska analysen av den stationära 1D gas-fast modellen är det starka inflytandet från den fasta fasens viskositet på lösningens beteende, vilket resulterar i fall där lösningen kan vara unik, icke-unik eller saknas helt. Insikterna från 1D-modellen visade sig vara mycket värdefulla för att förbättra en tidigare utvecklad tvådimensionell (2D) axialsymmetrisk stationär modell och lade även grunden för att utveckla en asymptotisk ram för den efterföljande övergående modellen i detta arbete. Den övergåendemodellen inkluderade ett tidsvarierande randvillkor vid fastinloppet för att efterlikna masugnens påfyllningspraxis. Analysen av den övergående formuleringen med hjälp av asymptotiska metoder visade på samma gränsskiktstruktur som i det stationära fallet. Den övergående lösningen uppvisade ett kvasi-stationärt beteende och växlade helt enkelt mellan två oberoende stationära profiler som motsvarade de tidsberoende randvillkoren. Den fasta fasens viskositet fortsatte att påverka lösningen på samma sätt även i den övergående modellen. Sammantaget gav de asymptotiskt reducerade 1D-modellerna resultat som visade god överensstämmelse med numeriska simuleringar av den ursprungliga 1D-formuleringen, vilket utgör grunden för ett beräkningsmässigt effektivt tillvägagångssätt för modellering av masugnsprocessen med ökande komplexitet. Ytterligare modifieringar i den övergående Euler–Euler-modellen rekommenderas, med särskilt fokus på dess potential att fånga den skiktade strukturen som är en väsentlig egenskap hos masugnens inre tillstånd.

Den senare delen av denna avhandling behandlar begränsningarna hos nuvarande IR-baserade system vad gäller deras funktionalitet för bedömning av slaggens sammansättning samt deras tillämpbarhet inom processkontroll i små och medelstora industrier. Potentialen hos IR-baserade system för bedömning av slaggens sammansättning undersöktes genom experimentell bestämning av slaggens emissivitet inom våglängdsintervallet 7,5–14 μm vid höga temperaturer, både i industriella miljöer och i laboratoriemiljö. Slaggens emissivitet, som i industriella försök vid ståltillverkningstemperaturer uppskattades till mellan 0,64 och 0,68, påverkades troligen av uppenbara yt-olikheter i slaggens sammansättning och temperatur – faktorer som är svåra att kontrollera i industriella miljöer – vilket understryker behovet av laboratorieförsök under välkontrollerade förhållanden. Därför genomfördes laboratorieförsök för att bestämma emissiviteten hos tre slaggprover från det kvaternära systemet CaO–Al₂O₃–SiO₂–MgO, representativa för skänksslagg vid 1773 K. De beräknade emissiviteterna från laboratorieförsöken varierade mellan 0,75 och 0,87 vid den målsatta temperaturen, där bästa repeterbarhet observerades hos det slaggprov som var helt smält under undersökningen. De övriga proverna uppvisade variationer i emissivitet, sannolikt till följd av förekomsten av fasta faser vid måltillståndet. Dessa fasta faser skapade sammansättningsmässiga ojämnheter på ytan, vilket gjorde ytan instabil och ledde till variationer i emissiviteten. Resultaten från laboratorieförsöken betonade därför vikten av helt flytande slaggprover, vilket säkerställer en stabil yta med enhetlig sammansättning och temperatur för noggrann emissivitetsbestämning. Även om laboratorieförsöken visade en tydlig påverkan av slaggsammansättning på emissiviteten krävs ytterligare forskning – inklusive studier av andra vanliga slaggsammansättningar vid olika temperaturer – för att undersöka potentialen hos IR-baserade system för online-analys av slaggens sammansättning. Dessutom behandlades den avslutande fasen av arbetet, som syftar till att förbättra IR-baserade systems tillämpbarhet, genom utvecklingen av ett operatörsstödssystem för visuell assistans (OVIAS), utformat med nyckelkomponenter för att förbättra operatörens sikt genom realtidsvisualisering. Industriella tester av en prototyp av OVIAS, avsedd för optimal avbildning av metallbadsytan i en induktionsugn, visade på OVIAS potential att ge operatörer förbättrad visuell överblick och därmed bättre beslutsfattande för att optimera slaggkontrollåtgärder såsom tillsats av slaggkoagulanter och processteg som avslagning. Kalibreringen av OVIAS i industriell miljö genomfördes i denna studie men mötte vissa utmaningar och kräver ytterligare undersökningar med hjälp av en laboratorieugn. Sammantaget utgör OVIAS ett kostnadseffektivt och flexibelt alternativ till dagens dyra IR-kamerasystem, och kan stödja små och medelstora industrier med förbättrade slagg- och processkontrollrutiner vid metallframställning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363300