Experimental and Numerical Analysis of Blast Furnace Drainage
Liu, Weiqiang (2022-03-18)
Liu, Weiqiang
Åbo Akademi - Åbo Akademi University
18.03.2022
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN: 978-952-12-4155-0
https://urn.fi/URN:ISBN: 978-952-12-4155-0
Tiivistelmä
The thesis studies slag and iron flow in the blast furnace hearth and the complex hearth drainage phenomena by both experiments and numerical simulation. It also presents a mathematical model by which the asymptotic state of the hearth lining can be estimated. The main points of the work were to undertake a quantitative analysis to shed further light on blast furnace hearth drainage and the corresponding flow and behavior of the interfaces. A transparent Hele-Shaw (H-S) slot model was constructed and experiments were undertaken with it. To gain quantitative tapping information from the experimental model, an image analysis algorithm was developed to treat and refine the experimental results. The H-S model has inherent merits for the application of image analysis, such as low optical distortion. Based on the developed image analysis method, the role of the blast pressure, slag viscosity, and initial accumulated liquid amounts on the tapping duration and residual liquid ratios were examined. Some results were processed to dimensionless form to employ the findings in the practical BF system. In addition, the influence of the operational conditions on the tapping end state was studied. The evolution of liquid levels and volumes, liquid outflow rates and oil ratio, as well as interface angles was studied to characterize the hearth draining.
Since it is not easy to use the H-S model to study certain factors, like the coke-free zone or bed permeability, a simulation model of the H-S was developed to mimic the experimental counterpart. This computational fluid dynamics (CFD)-based model was first validated by experimental data and then applied to analyze the evolution of key process variables. Even though the real furnace hearth experiences continuous inflows of iron and slag, the experiments and computational models developed in this thesis for the sake of simplicity only considered the drainage. To gain an understanding on how the hearth lining design and boundary conditions affect the inner profile of the hearth, an asymptotic erosion model was also developed. The model considers hot metal flow, heat transfer, lining erosion, and possible skull formation and can be used to estimate the durability of the hearth. A number of cases were studied to illustrate the applicability and versatility of the model. Denna doktorsavhandling studerar strömningen and järn och slagg i masugnens nedersta del, s.k. ställ, och den komplexa dräneringen av ugnen under tappning. Forskningen baserades på såväl experiment i liten skala som numerisk simulering. I arbetet utvecklades även en matematisk modell för ställväggens och -bottnens slutliga tillstånd för en specifik ställdesign samt drifttillstånd hos masugnen.
Doktorsarbetets huvudsakliga avsikt var att undersöka förhållandena under tappning av masugn och att kvantifiera hur de två smälta faserna flödar ut ur ugnen. Speciell tonvikt sattes vid hur gränsskikten mellan fluiderna utvecklades under tappningen. En genomskinlig spaltmodell, av H-S-typ, byggdes och användes i arbetets experimentella delar. I laboratoriemodellen ersattes järn och slagg av vatten och olja, som inbördes visades ha sådana egenskaper att slutsatser om det verkliga systemet kunde dras på basis av experimenten.
För att kunna behandla stora datamängder samt erhålla tillförlitlig information från spaltmodellens försök utvecklades en metodik för automatisk bildanalys, som via videosekvenser kan detektera fasernas gränsskikt och därför beskriva dessa numeriskt för vidarebehandling av informationen. Metoden möjliggjorde även en automatisk uppföljning av vätskevolymerna i H-S-modellen under experimenten, vilket implicit även gav utflödeshastigheterna av vatten och olja. På basis av metoden studerades inverkan av blästertryck, slaggviskositet och startvolymerna av järn och slagg i masugnsstället på tapptiden genom motsvarande försök i H-S-modellen, där resultaten för vatten och olja omformades med hjälp av dimensionslösa uttryck så att slutsatser beträffande de industriella förhållandena kunde dras. Försöken gjordes utan att tillföra vätskor, vilket betyder att endast dräneringen (utflödet) beaktades i experimenten. Med modellen studerades bl.a. hur omständigheterna påverkade de slutliga vätskemängderna, hur vätskenivåerna och –utflödet utvecklades samt hur, och i vilken omfattning, gränsskikten deformerades i närheten av tapphålet under tappningens gång. Arbetet klargjorde de
faktorer som ha stor betydelse för tappningsförloppet, samt illustrerade även möjliga avvikande tillstånd som kan uppstå under vissa omständigheter. Blästertrycket befanns spela en avgörande roll vid dräneringen för både tappningshastigheterna och restvolymerna av smältorna då tappningen avslutats. Ett exempel ur avvikande tillstånd är tappningar som slutar fastän gränsskiktet mellan järn och slagg överlag befinner sig ovanom tapphålets nivå.
Då det inte var enkelt att studera vissa parametrar med den experimentella modellen, såsom t.ex. bäddpermeabiliteten eller en möjlig flytning av koksbädden i masugnen, utvecklades även en numerisk modell på basis av strömningsmekanik (eng. computational fluid dynamics, CFD) för H-S-systemet. Den numeriska modellen efterliknar det experimentella systemet och kan användas för jämförelse samt för att analysera variabler vilkas värden inte kan ändras i laboratoriemiljö. Modellen befanns beskriva den experimentella modellen med acceptabel noggrannhet och utnyttjades därefter för att teoretiskt studera vissa faktorers inverkan på dräneringsförloppen. I överensstämmelse med resultat som rapporterats i litteraturen fann man att utströmningen av vätskorna påverkades kraftigt av en koksfri zon i bädden som sträcker sig ända upp till tapphålet.
I praktiken är masugnsställets dimensioner inte statiska utan förändras under driften p.g.a. slitage av de eldfasta ställmaterialen samt även av möjliga ansättningar av material på ställväggen och –bottnen. För att öka förståelsen för hur ställdesign samt driftsparametrar, såsom omständigheterna vid ställets gränser, påverkar förloppen utvecklades en matematisk modell som beskriver det asymptotiska sluttillståndet för ställinfodringen. Modellen, som är två-dimensionell och statisk, beaktar strömningen av järnsmältan, värmeöverföring från smältan via ställväggen och –bottnen till omgivningen, och estimerar samtidigt infodringens slitaget samt möjlig bildning av ansättningar. Den kan därför användas som ett verktyg för att teoretiskt studera hur ställdesign (geometri, materialval) samt driftomständigheter (produktionstakt, väggkylning, etc.) påverkar det förväntade fortfarighetstillståndet hos stället. Ett flertal intressanta fall studerades med modellen för att belysa dess användningsmöjligheter.
Since it is not easy to use the H-S model to study certain factors, like the coke-free zone or bed permeability, a simulation model of the H-S was developed to mimic the experimental counterpart. This computational fluid dynamics (CFD)-based model was first validated by experimental data and then applied to analyze the evolution of key process variables. Even though the real furnace hearth experiences continuous inflows of iron and slag, the experiments and computational models developed in this thesis for the sake of simplicity only considered the drainage. To gain an understanding on how the hearth lining design and boundary conditions affect the inner profile of the hearth, an asymptotic erosion model was also developed. The model considers hot metal flow, heat transfer, lining erosion, and possible skull formation and can be used to estimate the durability of the hearth. A number of cases were studied to illustrate the applicability and versatility of the model.
Doktorsarbetets huvudsakliga avsikt var att undersöka förhållandena under tappning av masugn och att kvantifiera hur de två smälta faserna flödar ut ur ugnen. Speciell tonvikt sattes vid hur gränsskikten mellan fluiderna utvecklades under tappningen. En genomskinlig spaltmodell, av H-S-typ, byggdes och användes i arbetets experimentella delar. I laboratoriemodellen ersattes järn och slagg av vatten och olja, som inbördes visades ha sådana egenskaper att slutsatser om det verkliga systemet kunde dras på basis av experimenten.
För att kunna behandla stora datamängder samt erhålla tillförlitlig information från spaltmodellens försök utvecklades en metodik för automatisk bildanalys, som via videosekvenser kan detektera fasernas gränsskikt och därför beskriva dessa numeriskt för vidarebehandling av informationen. Metoden möjliggjorde även en automatisk uppföljning av vätskevolymerna i H-S-modellen under experimenten, vilket implicit även gav utflödeshastigheterna av vatten och olja. På basis av metoden studerades inverkan av blästertryck, slaggviskositet och startvolymerna av järn och slagg i masugnsstället på tapptiden genom motsvarande försök i H-S-modellen, där resultaten för vatten och olja omformades med hjälp av dimensionslösa uttryck så att slutsatser beträffande de industriella förhållandena kunde dras. Försöken gjordes utan att tillföra vätskor, vilket betyder att endast dräneringen (utflödet) beaktades i experimenten. Med modellen studerades bl.a. hur omständigheterna påverkade de slutliga vätskemängderna, hur vätskenivåerna och –utflödet utvecklades samt hur, och i vilken omfattning, gränsskikten deformerades i närheten av tapphålet under tappningens gång. Arbetet klargjorde de
faktorer som ha stor betydelse för tappningsförloppet, samt illustrerade även möjliga avvikande tillstånd som kan uppstå under vissa omständigheter. Blästertrycket befanns spela en avgörande roll vid dräneringen för både tappningshastigheterna och restvolymerna av smältorna då tappningen avslutats. Ett exempel ur avvikande tillstånd är tappningar som slutar fastän gränsskiktet mellan järn och slagg överlag befinner sig ovanom tapphålets nivå.
Då det inte var enkelt att studera vissa parametrar med den experimentella modellen, såsom t.ex. bäddpermeabiliteten eller en möjlig flytning av koksbädden i masugnen, utvecklades även en numerisk modell på basis av strömningsmekanik (eng. computational fluid dynamics, CFD) för H-S-systemet. Den numeriska modellen efterliknar det experimentella systemet och kan användas för jämförelse samt för att analysera variabler vilkas värden inte kan ändras i laboratoriemiljö. Modellen befanns beskriva den experimentella modellen med acceptabel noggrannhet och utnyttjades därefter för att teoretiskt studera vissa faktorers inverkan på dräneringsförloppen. I överensstämmelse med resultat som rapporterats i litteraturen fann man att utströmningen av vätskorna påverkades kraftigt av en koksfri zon i bädden som sträcker sig ända upp till tapphålet.
I praktiken är masugnsställets dimensioner inte statiska utan förändras under driften p.g.a. slitage av de eldfasta ställmaterialen samt även av möjliga ansättningar av material på ställväggen och –bottnen. För att öka förståelsen för hur ställdesign samt driftsparametrar, såsom omständigheterna vid ställets gränser, påverkar förloppen utvecklades en matematisk modell som beskriver det asymptotiska sluttillståndet för ställinfodringen. Modellen, som är två-dimensionell och statisk, beaktar strömningen av järnsmältan, värmeöverföring från smältan via ställväggen och –bottnen till omgivningen, och estimerar samtidigt infodringens slitaget samt möjlig bildning av ansättningar. Den kan därför användas som ett verktyg för att teoretiskt studera hur ställdesign (geometri, materialval) samt driftomständigheter (produktionstakt, väggkylning, etc.) påverkar det förväntade fortfarighetstillståndet hos stället. Ett flertal intressanta fall studerades med modellen för att belysa dess användningsmöjligheter.
Kokoelmat
- 215 Teknillinen kemia [127]