Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari 24.11.2011, Oulu

Samankaltaiset tiedostot
Näkökulmia teräksen valmistusprosessien tutkimukseen ja kehitykseen

Ruostumattoman teräksen valmistaminen loppupään terässulattoprosessit.

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

METALLIEN JALOSTUKSEN YLEISKUVA

Kuonanmuodostus ja faasipiirrosten hyödyntäminen kuonatarkasteluissa

Kuonien rakenne ja tehtävät

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

Korkealämpötilaprosessit

TEKNILLINEN TIEDEKUNTA. Kuonan koostumus kromikonvertteriprosessin aikana. Niilo Pitko

- Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

11. Valuteräksen sulatus ja käsittely

PROSESSIMETALLURGIAN OPETUKSEN KEHITTÄMISTYÖRYHMÄN KOKOUS 5/2015. Eetu-Pekka Heikkinen; pj, siht. Petri Lehtonen (kohta 5) Pekka Tanskanen

LPK / Oulun yliopisto

Kurssin tavoitteet, sisältö ja toteutus

Voimalaitoksen vesikemian yleiset tavoitteet ja peruskäsitteitä

Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

Uppokaariuunin panoksen sähkönjohtavuus. Anne Hietava (os Heikkilä) Prosessimetallurgian tutkimusyksikkö

Korkealämpötilakemia

Korkealämpötilakemia

Korkealämpötilaprosessit

Typenpoiston tehostaminen vesistön mikrobeilla

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla


Korkealämpötilakemia

Rautametallien sulametallurgia

:TEKES-hanke /04 Leijukerroksen kuplien ilmiöiden ja olosuhteiden kokeellinen ja laskennallinen tutkiminen

Johdanto Termodynaamiset tasapainot -kurssiin Mihin termodynamiikkaa käytetään?

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op) 5. Luento - Ti Tulenkestävien aineiden käyttö Case esimerkkejä

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Mak Sovellettu materiaalitiede

Reaktiosarjat

Kurssin toteutus ja ryhmiinjako Ma 2.9. klo PR104 Aki Sorsa (SÄÄ) Pe klo 8-10 (oma huone) Ke Tehtävien palautus

Ellinghamin diagrammit

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

KEMI-TORNION AMMATTIKORKEAKOULU

Kuonat prosessimetallurgiassa

Rak Betonitekniikka 2 Harjoitus Rakennussementit, klinkkerimineraalikoostumus ja lämmönkehitys

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

Korkealämpötilakemia

Korkealämpötilaprosessit

Rautapelletin ominaisuudet masuunia jäljittelevissä olosuhteissa Selvitys pelkistyvyydestä, turpoamisesta ja pehmenemisestä

Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta

Tekijä lehtori Zofia Bazia-Hietikko

Prosessimetallurgian opintosuunta

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Kuonat prosessimetallurgiassa

5. Sähköuunit. 5.1 Sähköuunien panostus Tyypillisiä panosraaka-aineita. Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto

Korkealämpötilakemia

Kenttätutkimus hiiliteräksen korroosiosta kaukolämpöverkossa

Kierrätysteräksen laadun vaikutus valokaariuuniprosessissa tapahtuvaan kaasunmuodostukseen

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 1. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

Hiilidioksidin hyötykäyttö betonin valmistuksessa

Raudan valmistus masuunissa

Jatkuvatoiminen monitorointi vs. vuosittainen näytteenotto

Lukion kemian OPS 2016

Rakennesuunnittelu. Materiaali. Kudotut rakenteet. Komposiitit ALM. Functionally graded. Vaahdot

KOKSIN OMINAISUUDET MASUUNIN OLOSUHTEISSA

MINERAALI- TUOTTEET Kierrätys ja Mineraalituotteet

Mikä on ruostumaton teräs? Fe Cr > 10,5% C < 1,2%

EPMAn tarjoamat analyysimahdollisuudet

5.10 KEMIA OPETUKSEN TAVOITTEET

Reaktiotekniikka. Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta Teema 4 Kaisa Lamminpää

Korkealämpötilaprosessit

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 2. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikan laitos

Pourbaix-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 4 - Luento 3

3.10 Kemia. Opetuksen tavoitteet

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Normaalipotentiaalit

KOVAJUOTTEET Somotec Oy. fosforikupari. hopea. messinki. alumiini. juoksutteet.

Lapin alueen yritysten uudet teräsmateriaalit Raimo Ruoppa

HYPERSPEKTRIKAMERAN KÄYTTÖ TERÄSKUONAN KOOSTUMUSMUUTOSTEN HAVAITSEMISESSA

Metallurgiset liuosmallit: Metallien ja kuonien mallinnus

5.10 Kemia. Opetuksen tavoitteet

RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET

Kertaus. Tehtävä: Kumpi reagoi kiivaammin kaliumin kanssa, fluori vai kloori? Perustele.

vi) Oheinen käyrä kuvaa reaktiosysteemin energian muutosta reaktion (1) etenemisen funktiona.

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Korkealämpötilakemia

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Lukion kemian OPS 2016

kun hiilimonoksidia ja vettä oli 0,0200 M kumpaakin ja hiilidioksidia ja vetyä 0,0040 M kumpaakin?

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Kon Teräkset Harjoituskierros 6.

Humuksen vaikutukset järvien hiilenkiertoon ja ravintoverkostoihin. Paula Kankaala FT, dos. Itä Suomen yliopisto Biologian laitos

KaiHali & DROMINÄ hankkeiden loppuseminaari

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

C. Hiilikaaritalttaus

Ratkaisee kulumisongelmat lähes kaikissa tilanteissa Kalenborn GmbH:n tuotteiden avulla.

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Energiatehokkuussopimus - Energiapalvelujen toimenpideohjelman toteuttaminen

Korkealämpötilaprosessit

Transkriptio:

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