Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari 24.11.2011, Oulu Ville-Valtteri Visuri Ville-Valtteri Visuri Prosessimetallurgian laboratorio PL 4300 90014 Oulun yliopisto ville-valtteri.visuri@oulu.fi
Sisällysluettelo I. Teräksenvalmistuksen konvertteriprosessit II. III. IV. AOD-mallien jaottelu Ilmiöpohjaiset AOD-prosessimallit AOD Converter Process Simulator
Teräksenvalmistuksen konvertteriprosessit
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
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
AOD-mallien jaottelu
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
Ilmiöpohjaiset AOD-prosessimallit
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
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
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
AOD Converter Process Simulator
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)
AOD Converter Process Simulator Spatiaalinen mallinnusalue Happilanssi Suuttimet
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
AOD Converter Process Simulator Ajallinen mallinnusalue Mellotusvaiheet Pelkistysvaihe Lanssipuhallusvaiheet Pohjapuhallus- vaiheet Pelkistys ja rikinpoisto MalIinnusalue
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
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)
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
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)
Kuinka hyödyntää mallia?
Kuinka hyödyntää mallia? Esimerkki I: Parannusalueiden tunnistaminen Puhallusta laimennettava aiemmin!
Kuinka hyödyntää mallia? Esimerkki II: Hapettumis- ja pelkistymisreaktiot
Kuinka hyödyntää mallia Esimerkki III: Puhallussuhteiden vertailu Hiilen poistuminen Kromin poistuminen
Seuraavat kehitysalueet Ajallinen mallinnusalue Mellotusvaiheet Pelkistysvaihe Lanssipuhallusvaiheet Pohjapuhallus- vaiheet Pelkistys ja rikinpoisto Lanssimoduuli MalIinnusalue Pelkistysrajapinta Mellotus pohjapuhalluksena
Seuraavat kehitysalueet Ensimmäiset mellotusvaiheet pohjapuhalluksena Validointi ja malliparametrien sovitus
Seuraavat kehitysalueet Pelkistysvaiheen mallinnus Hyödyt Tutkittu vähän kirjallisuudessa Mallinnuksen hyödyt ilmeisiä: Kromihäviöiden minimointi Pelkistinaineiden valinta ja käytön minimointi Rikinpoistotehokkuuden parantaminen
Kiitoksia huomiostanne! Ville-Valtteri Visuri Prosessimetallurgian laboratorio PL 4300 90014 Oulun yliopisto ville-valtteri.visuri@oulu.fi