Experimental and Numerical Studies of Burden Layers at Blast Furnace Charging

Abstract

The blast furnace (BF) is the main production unit in the processing of iron ore to molten iron (“hot metal”) in the steelmaking industry. It is a large process with huge throughput and energy consumption, so even a slight improvement of its efficiency can lead to considerable reductions in costs and harmful emissions. The charging system is the only way by which the initial distribution of the raw materials can be controlled. This distribution not only determines the structure of the arising burden bed, but also the chemical and thermal efficiency of the gas. These are crucial factors for achieving a low rate of reductants, a long life length and a more sustainable operation of the furnace. Focusing on the behavior of particles forming heaps and layers in granular systems, this thesis has studied some questions related to burden-layer formation, burden bed properties, burden descent and gas flow distribution in the blast furnace throat and shaft. Firstly, the effects of particle shape and physical parameters on the porosity and angle of repose of iron ore particle heaps were simulated by discrete element method (DEM). Models of non-spherical particles (cylinders and cones) were established using the sphere-cluster method. For comparison and model validation, small-scale experiments were undertaken with particles of the same shapes prepared in the laboratory. The consistency of the simulated and experimental results demonstrate that the established DEM model can be used for the prediction of the porosity of a particle system. Some key physical parameters of the main burden materials (pellets, sinter and coke) were measured and validated by experiments. The experimentally determined parameters were the Young’s modulus, Shear modulus, Poisson’s ratio, particle density, coefficient of restitution, as well as coefficients of static and rolling friction. The experimental and calculated results were found to exhibit good agreement, which confirmed that the measured DEM parameters were of sufficient accuracy to be used in simulation of the burden distribution and descent in the blast furnace. DEM models describing the porosity distribution and radial ore-to-coke mass ratio of the burden layers in the blast furnace shaft were successfully established based on a bell-less burden charging system with 2D slot and 3D sector throat models. An experimental bell-less charging system with a scale of 1:10 compared to an industrial BF was designed and operated in a set of experiments. DEM simulations of the corresponding system showed results in general agreement with the empirical findings, validating the numerical models. Two kinds of non-uniform descent of burden in the upper part of the blast furnace were considered in a numerical DEM-based model, where the descent rate in the furnace center is greater than the descent rate at the wall or vice versa. The results showed that the ore-to-coke ratio decreases where the burden descent rate is low and increases where the descent rate is high. Finally, the effect of intermittent charging on the thermal and flow conditions in the upper shaft was analyzed by Computational Fluid Dynamics (CFD) combined with DEM. A model of the counter-current flow of gas and solids and the temperature of the two phases in a simplified setup was developed. The results clarified how the temperature and velocity of the ascending gas are affected by the intermittent charging.

Masugnen är den huvudsakliga processenheten vid produktion av råjärn för stålframställning. Den är en industriell reaktor med mycket stor genomströmning av material. Ugnen har en hög energiförbrukning, vilket innebär att redan små relativa förbättringar i driften kan har stora implikationer för material- och energiåtgång samt för de utsläpp som förorsakas av processen. Masugnens chargering, d.v.s. inmatningen av det fasta råmaterialet vid toppen, är av stor betydelse för styrningen av råmaterialets radiella fördelning i ugnens övre del. Chargeringen bestämmer beskickningens struktur imasugnsschaktet, vilket påverkar ugnens termiska och kemiska verkningsgrad. Dessa faktorer är centrala för att uppnå driftpunkter med låg förbrukning av reduktionsmedel, lång ugnskampanj samt en hållbar järnframställning. Föreliggande avhandling studerar beteendet hos partiklar som bildar högar och lager i granulära system. Avhandlingen behandlar frågor av speciell relevans för bäddens egenskaper i masugnsschaktet, där lager av olika beskickningsmaterial bildas vid chargeringen och efter det långsamt sjunker nedåt i ugnen. För att beskriva hur gasen fördelas i schaktet måste även porositeten hos materialbädden vara känd. I den första delen av arbetet studerades inverkan av partikelform och fysikaliska parametrar på porositeten och rasvinkeln för högar av järnbärare. Systemet simulerades med diskreta element-metoden (DEM), där partiklar med annan form är sfärisk skapades genom att klumpa ihop överlappande sfärer (eng. sphere-cluster). För jämförelse och för validering av den matematiska modellen utfördes småskaliga laboratorie-experiment med partiklar av samma typ. Överensstämmelsen mellan de simulerade och experimentella resultaten visade att DEM-modellen kan användas för att prediktera porositeten hos partikelsystemet. Några viktiga fysikaliska parametrar hos de huvudsakliga beskickningsmaterialen (pelletar, sinter och koks) uppmättes och validerades med hjälp av experiment. De parametrar som bestämdes experimentellt var elasticitetsmodulen, skjuvmodulen Poissons konstant, partikeldensitet, restitutionskoefficienter, samt statiska och rullnings-friktionskoefficienter. De experimentella och simulerade resultaten befanns överensstämma väl, vilket bekräftade att DEM-parametrarna som bestämts var tillräckligt noggranna för att kunna utnyttjas vid simulering av beskickningsfördelning och -sjunkning i masugnen. DEM-modeller som beskriver bäddporositetens och den radiella malm-koksfördelningen hos beskickningen i masugnsschaktet skapades för ett system med s.k. Paul Wurth-chargeringsmål med två- eller tredimensionella modeller för masugnens gikt. Ett experimentellt klocklöst (eng. bell-less) uppsättningsmål i laboratorieskala i 1:10-skala jämfört med en industriell ugn byggdes och utnyttjades i experiment. DEM-simuleringar av motsvarande system gav resultat som generellt överensstämde med de experimentella resultaten, vilketvaliderade de matematiska modellerna. Två typer av ojämn sjunkning av beskickningen i schaktet studerades även numeriskt med hjälp av en DEM-modell, där bädden simulerades sjunka snabbare eller långsammare i masugnens centrala del. Resultaten visade att malm/koks-förhållandet avtar i regioner där bädden sjunker långsamt, medan kvoten ökar i regioner där sjunkhastigheten är hög. I arbetets sista del studerades hur en satsvis chargering påverkar det termiska och flödesmässiga dynamiska tillståndet hos den översta delen av masugnsschaktet med hjälp av flödessimulering (eng. Computational Fluid Dynamics, CFD) kombinerad med DEM, s.k. CFD-DEM-teknik. En förenklad och nerskalad modell utvecklades, som beskriver motströmsflödet av gas och beskickningsmaterial och temperaturerna hos de två faserna. Modellen klargjorde hur temperaturerna och gashastigheten påverkades av den oregelbundna chargeringen, vilket förklarar fenomen som man kan observera vid ugnstoppen i den verkliga driften av masugn.