Abstrakti
Liekkisulatus on merkittävä kuparinvalmistusmenetelmä. Uunin sisällä kuonakerroksen läpi laskeutuvia kuparikivipisaroita on kuitenkin mahdotonta tarkastella korkean lämmön ja uunin suljetun rakenteen vuoksi. Tästä syystä uunissa tapahtuvia ilmiöitä on tutkittu numeerisen virtausdynamiikan (computational fluid dynamics, CFD) avulla. Tässä tutkimuksessa kytkettyä CFD-DEM (discrete element method, DEM) menetelmää käytettiin simuloimaan sulia kuparikivipisaroita liekkisulatusuunin alauunissa. Perinteisesti DEM on ollut kiinteiden partikkelien mallinnusmenetelmä. Sulia pisaroita saatiin kuitenkin tutkittua simuloimalla niitä pehmeinä palloina, joiden kanssa käytettiin tässä työssä kehitettyjä alimalleja pisaroiden yhdistymisen ja reaktiokinetiikan vaikutusten kuvaamiseksi. Koska korkealämpötilaprosessia oli mahdotonta havainnoida suoraan, menetelmän validoimiseksi kehitettiin fyysinen malli käyttäen öljyä ja muovipalloja. Pallot syötettiin öljyyn, jonka läpi laskeutuessa ne kuvattiin. Vastaava malli myös simuloitiin, johon kuvattuja tuloksia voitiin verrata. Sekä kokeessa että simulaatiossa näkyi kanavoituvaa virtausta. Virtauksessa pallojen luoma vastus loi imun, joka veti viereisiä palloja lähemmäs, jolloin syötetyt pallot muodostivat kanavan öljyn läpi. Muodostunut kanava nopeutti pallojen laskeutumista merkittävästi. Öljyn pohjalla kuitenkin muodostunut virtaus kääntyi kohti laitoja ja siitä ylöspäin, mikä kykenee kuljettamaan hitaammin laskeutuvia pisaroita ja siten ne voivat jäädä öljykerrokseen. Jokaisessa CFD-DEM:llä lasketussa simulaatiossa havaittiin samanlainen kanavoitumisilmiö, joka sai kivipisarat laskeutumaan kuonan läpi merkittävästi nopeammin kuin Stokesin lailla lasketun laskeutumisnopeuden mukaan. Yhdistymis- ja reaktiokinetiikkamallit nopeuttivat laskeutumista entisestään, sillä yhdistyminen kasvattaa pisaroiden kokoa ja reaktiokinetiikka aiheuttaa pisaran tiheyden kasvua. Tiheys nousee, kun raudan ja rikin poistuessa pisaran kuparipitoisuus kasvaa. Kanavoituminen myös lisäsi pisaroiden yhdistymismäärää tuomalla pisarat lähemmäs toisiaan, jolloin ne törmäilivät ja myöskin yhdistyivät enemmän.
Julkaisun otsikon käännös | Kiven ja kuonan vuorovaikutuksen simulointi liekkisulatusuunin alauunissa kytketyllä CFD-DEM-menetelmällä |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-64-1680-9 |
Sähköinen ISBN | 978-952-64-1681-6 |
Tila | Julkaistu - 2024 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Artikkeliväitöskirja |
Tutkimusalat
- laskennalliset menetelmät
- kupari
- pisarat