Multiphysical Modeling Approach for Basic Oxygen Steelmaking Process

Julkaisun otsikon käännös: Multifysikaalinen työkalu teräskonvertteriprosessiin

Ari Kruskopf

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Primäärimetallurgiassa teräksen konvertointi on tärkeä prosessivaihe. Teräksen konvertoinnissa hiili ja muutamia muita alkuaineita poistetaan metallisulasta puhaltamalla happea sulan päälle. Konvertterissa käytetään yleensä romua metallisulan jäähdyttämiseen. Monissa konverttereissa metallisulaa sekoitetaan inertillä kaasulla, joka puhalletaan pohjasuuttimien kautta. Konvertterin prosessimalleilla pyritään ennustamaan lämpötilan ja koostumuksen kehitystä metalli- ja kuonafaaseissa prosessin aikana. Prosessimallit ovat yleensä hyvin yksinkertaisia ja ne laskevat prosessin tilaa reaaliaikaisesti. Reaaliaikaisuus on tärkeää prosessin säätämisen kannalta. Tämän työn tarkoitus oli parantaa teräskonvertterin tärkeimpien ilmiöiden numeerista mallinnusta ja saavuttaa samalla reaaliaikainen laskenta. Tässä väitöstyössä kehitettiin uusia algoritmeja ja numeerisia menetelmiä neste/kaasu kaksifaasi-virtaukseen, useiden faasien välisiin kemiallisiin reaktioihin, sekä kiinteän romun sulamiseen. Kehitetyt mallit on jaettu kolmeen alikategoriaan, jotka on validoitu erikseen. Lisäksi työssä on muodostettu teoreettinen pohja alimallien yhdistämiseksi yhdeksi kokonaismalliksi. Kaikki alimallit kykenevät reaaliaikaiseen laskentaan. Työssä kehitettyjä mallinnuskonsepteja voidaan soveltaa myös muihin pyrometallurgisiin korkealämpötilaprosesseihin.Romun sulamismalli kehitettiin tässä työssä 1-dimensioiseksi. Mallin tavoitteena oli ennustaa metallisulan jähmettyminen kylmän romun pintaan sekä näin muodostuneen jähmeän kuoren ja perusmateriaalin sulaminen. Kyseiset faasimuutokset otetaan huomioon liikkuvalla numeerisella laskentahilalla. Romun sulamismalli validoitiin vertaamalla laskentatuloksia mittauksiin, jotka oli tehty upokkaassa kolmelle eri metallisulan lämpötilalle. Tulokset olivat hyvin sopusoinnussa mittausten kanssa. 2-dimensioinen numeerinen kaksifaasivirtausmalli kehitettiin laskemaan kaasun pohjapuhalluksen vaikutuksia metallisulan virtauskenttään ja sen sekoittumiseen. Algoritmin tarkoituksena on säilyttää geometrian nesteen kokonaismassa ja samalla saavuttaa laskentatulos tehokkaasti. Malli validoitiin vertailemalla tuloksia kolmen vesimallin mittauksiin. Yksi näistä vesimalleista oli verrattavissa teollisuusmittakaavan teräskonvertteriin.Kemiallisten reaktioiden malli kehitettiin laskemaan termodynaaminen tasapaino bulkkifaasienväliselle rajapinta-alueelle, jota kutsutaan reaktiotilavuudeksi. Prosessissa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden eteneminen lasketaan sitten bulkkifaasien ja reaktiotilavuuden välisen aineensiirron kautta. Tasapainolaskenta mahdollistaa myös mahdollisten kiinteiden kuonakomponenttien erkautumisen ennustamisen. Malli validoitiin vertaamalla tuloksia mittauksiin, jotka oli tehty teollisuuskokoluokan teräskonvertterissa. Vertailut samanaikaisesti kirjallisuuden mallien tuloksiin paljastivat, että väitöstyön malli ennusti tarkemmin metallisulan hiilipitoisuuden sekä kuonan pääkomponenttien kehityksen puhallusajan funktiona.
Julkaisun otsikon käännösMultifysikaalinen työkalu teräskonvertteriprosessiin
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Gasik, Michael, Vastuuprofessori
  • Louhenkilpi, Seppo, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-7794-9
Sähköinen ISBN978-952-60-7795-6
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • teräskonvertteri
  • virtausdynamiikka
  • numeerinen mallinnus
  • monifaasivirtaus

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Multifysikaalinen työkalu teräskonvertteriprosessiin'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä