Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari , Oulu

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari 24.11.2011, Oulu"

Mikko Saarnio
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari , Oulu Ville-Valtteri Visuri Ville-Valtteri Visuri Prosessimetallurgian laboratorio PL Oulun yliopisto

2 Sisällysluettelo I. Teräksenvalmistuksen konvertteriprosessit II. III. IV. AOD-mallien jaottelu Ilmiöpohjaiset AOD-prosessimallit AOD Converter Process Simulator

3 Teräksenvalmistuksen konvertteriprosessit

Teräksenvalmistuksen konvertteriprosessit Hiiliteräksen valmistus Ruostumattoman teräksen valmistus Integroitu ferrokromituotanto

4 Teräksenvalmistuksen konvertteriprosessit Hiiliteräksen valmistus Ruostumattoman teräksen valmistus Integroitu ferrokromituotanto BOF Emäshappimellotus (BOF) Argon-happi mellotus (AOD) Vakuumi-happi mellotus (VODC) Ferrokromikonvertteri (CRK) AOD / VODC / CRK

5 Teräksenvalmistuksen konvertteriprosessit Yleistä konvertteriprosessien tavoitteista Tavoitteena laskea metallisulan hiilipitoisuutta Puhalletaan happea, jonka kanssa hiili voi reagoida ja poistua prosessista Reaktiotuotteita CO ja CO 2 Vakuumikonvertterilla (VODC) tavoitteena myös terässulan vakumointi Minimoitava materiaalihäviöt ja vuorausmateriaalien kuluminen Saavutettava haluttu metalli- ja kuonasulan koostumus sekä lämpötila

6 AOD-mallien jaottelu

7 AOD-mallien jaottelu I. Ilmiöpohjaiset prosessimallit Perustuvat konvertterissa tapahtuviin fysikaalisiin ja kemiallisiin ilmiöihin, reaktiokinetiikkaan ja termodynamiikkaan II. III. Virtauslaskentamallit Perustuvat siirtoilmiöihin ja virtausdynamiikkaan Empiiriset mallit Perustuvat puhtaasti empiiriseen mittausdataan

8 Ilmiöpohjaiset AOD-prosessimallit

9 Ilmiöpohjaiset AOD-mallit Malli Keskeiset vahvuudet Keskeiset heikkoudet Asai & Szekely (1974) Toimiva reaktiomalli Ei ota huomioon kriittistä hiilipitoisuutta Reagoimaton happi kertyy metallisulaan Fruehan (1976) Ohno & Nishida (1977) Mellotusnopeutta rajoittavat mekanismit korkeissa ja matalissa hiilipitoisuuksissa Reaktiot kaasukuplan pinnalla Kuplien mukana nouseva kromioksidi voi hapettaa hiiltä Metallisulan korkeuden vaikutus paineeseen (pco) Kaikki happi kuluu reaktioissa Isotermiset olosuhteet Huomioi vain hiilen ja kromin hapettumisen Ideaalisuusoletus (a=1) Hiilen aineensiirron rajoittama mellotus korkeissa C-pitoisuuksissa Deb Roy & Robertson (1978) Metallifaasin kuvaus (WLE) Kaikki happi kuluu reaktioissa Huomioi vain hiilen ja kromin hapettumisen Semin et al (1983) Dynaaminen metallisulan lämpötila ja koostumus Tohge et al (1984) Lisäykset: kuonanmuodostajat, metalliromu Reaktiotuotteet: CO, SiO2, Cr2O3, MnO ja FeO Hiilen aineensiirron rajoittama mellotus korkeissa C-pitoisuuksissa Kaikki happi kuluu reaktioissa Sjöberg (1993) + TimeAOD Saadaan tietoa kuonassa esiintyvistä faaseista (TimeAOD2 + ThermoCalc) Kaikki happi kuluu reaktioissa (ensimmäiset versiot) Reichel & Szekely (1995) Kriittinen hiilipiste otettu huomioon Huomioi vain hiilen ja kromin hapettumisen Wei & Zhu (2002) Zhu et al (2007) Wei et al (2011) Kuonamallin puutteet Reaktiot tapahtuvat kaasukuplan pinnalla Happi voi poistua metallisulasta Metalli- ja kuonafaasien kuvaus (UIP+Wei) Mellotus- ja pelkistysvaiheen mallinnus (myöh.) Lanssi- ja pohjapuhallus (myöh.) Järvinen (2009) Järvinen et al (2011) Vertikaaliset jakaumat (lämpötila, koostumus ym.) Kriittinen hiilipiste määräytyy automaattisesti Metalli- ja kuonafaasien kuvaus (UIP+Ban-Ya) Kuonamallin puutteet Ei lanssimoduulia Ei pelkistysmoduulia

10 Ilmiöpohjaiset AOD-mallit Mallien vertaamisesta Malleja ei yleensä kuvata julkaisuissa kovin yksityiskohtaisesti Voidaan verrata vain eroja mallien perusoletuksissa Vain pieni osa käytetystä validointimateriaalista esitetään Yrityskumppanit eivät halua julkaista kriittisiä parametreja

11 Ilmiöpohjaiset AOD-mallit Mallien validoinnista Luotettavan mittaustiedon saaminen haastavaa Olosuhteet kuluttavat mittalaitteita Kaikki tieto ei tallennu järjestelmiin Sulanäytteiden saamiseksi prosessi on pysäytettävä Näytteet eivät aina edustavia Paljon vaihtelevia tekijöitä Panostettavan sulan koostumus ja lämpötila Panosmateriaalien koostumus ja lämpötila Konvertterin kuluneisuus Operaattorien toimintatavat

12 AOD Converter Process Simulator

13 AOD Converter Process Simulator Yleistä Mallin perustan luonut Mika Järvinen (Aalto-yliopisto) Laskennallisesti tehokas prosessimalli, joka ottaa huomioon paikallisesti vaihtelevat olosuhteet Validoitu viimeisiin mellotusvaiheisiin (pohjapuhallus)

14 AOD Converter Process Simulator Spatiaalinen mallinnusalue Happilanssi Suuttimet

15 AOD Converter Process Simulator Spatiaalinen mallinnusalue Kaasukuplat nousevat reaktiovyöhykkeellä Hapettumis- ja pelkistymisreaktiot tapahtuvat kuplan pinnalla Cr Si Fe Cr 2 O 3 O 2 Ar N 2 SiO 2 FeO MnO Mn

16 AOD Converter Process Simulator Ajallinen mallinnusalue Mellotusvaiheet Pelkistysvaihe Lanssipuhallusvaiheet Pohjapuhallus- vaiheet Pelkistys ja rikinpoisto MalIinnusalue

17 AOD Converter Process Simulator Ominaisuudet ja käyttötarkoitukset Laskennallisesti kevyt Voidaan käyttää tavallisella PC:llä Yksittäisen sulatuksen simuloimiseen menee tyypillisesti noin 30 s Voidaan käyttää ajopraktiikan optimointiin Raaka-ainelisäykset ja niiden ajoitus Puhallusmäärät ja suhteet Lanssipuhallus vs. Pohjapuhallus Saadaan uutta tieteellistä tietoa AOD-prosessista Olosuhteet konvertterissa (lämpötila, paine, koostumus ym.) CFD-mallinnuksen tuloksia voidaan testata prosessimallilla

18 AOD Converter Process Simulator Prosessimallin rakenne Kaikkien kemiallisten reaktioiden oletetaan tapahtuvan puhallussilmäkkeessä (plume-alue) Plume-aluetta kuvataan tulppavirtausreaktorilla (1) Jaettu lukuisiin laskentasoluihin Kuplat ja metallifaasi nousevat ylöspäin Reaktiot yksittäisen kuplan pinnalla Tulppavirtausreaktorin jälkeen metallisula virtaa sekoitustankkireaktoriin (2), jossa koostumus homogenisoituu Samanaikaisesti kuona siirtyy ei-reaktiiviseen pintakuona-alueeseen (3)

19 AOD Converter Process Simulator Termodynaaminen tasapaino, jota aineensiirto rajoittaa Ratkaistaan termodynaaminen tasapaino kuplan pinnalla Ratkaistaan säilymisyhtälöt niin, että ne toteuttavat tasapainoehdon Tulos AOD Converter Process Simulator

20 AOD Converter Process Simulator Tärkeimmät alimallit Kuplamalli Reaktiot kuplan pinnalla Rajaton reaktionopeus Metallifaasin lämpötila = kuonafaasin lämpötila Metallifaasin diffuusionopeus = kuonafaasin diffuusionopeus Termodynaamiset mallit Kuonafaasin kuvaus Metallifaasin kuvaus Typen adsorptio/desorptio -malli (Riipi)

21 Kuinka hyödyntää mallia?

22 Kuinka hyödyntää mallia? Esimerkki I: Parannusalueiden tunnistaminen Puhallusta laimennettava aiemmin!

23 Kuinka hyödyntää mallia? Esimerkki II: Hapettumis- ja pelkistymisreaktiot

24 Kuinka hyödyntää mallia Esimerkki III: Puhallussuhteiden vertailu Hiilen poistuminen Kromin poistuminen

25 Seuraavat kehitysalueet Ajallinen mallinnusalue Mellotusvaiheet Pelkistysvaihe Lanssipuhallusvaiheet Pohjapuhallus- vaiheet Pelkistys ja rikinpoisto Lanssimoduuli MalIinnusalue Pelkistysrajapinta Mellotus pohjapuhalluksena

26 Seuraavat kehitysalueet Ensimmäiset mellotusvaiheet pohjapuhalluksena Validointi ja malliparametrien sovitus

27 Seuraavat kehitysalueet Pelkistysvaiheen mallinnus Hyödyt Tutkittu vähän kirjallisuudessa Mallinnuksen hyödyt ilmeisiä: Kromihäviöiden minimointi Pelkistinaineiden valinta ja käytön minimointi Rikinpoistotehokkuuden parantaminen

28 Kiitoksia huomiostanne! Ville-Valtteri Visuri Prosessimetallurgian laboratorio PL Oulun yliopisto

Samankaltaiset tiedostot

Näkökulmia teräksen valmistusprosessien tutkimukseen ja kehitykseen

Näkökulmia teräksen valmistusprosessien tutkimukseen ja kehitykseen Professori Timo Fabritius Prosessimetallurgian laboratorio Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Oulun yliopisto 1 Sisältö Taustaa Koulutuksellinen