Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Importance of the Penetration Depth and Mixing in the IRONARC Process
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Materials Science and Engineering, Materials Processing.ORCID iD: 0000-0002-9413-4098
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Materials Science and Engineering, Materials Processing.ORCID iD: 0000-0003-4384-7984
ScanArc Plasma Technol AB, SE-81321 Hofors, Sweden..
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Materials Science and Engineering, Materials Processing.ORCID iD: 0000-0001-9775-0382
2018 (English)In: ISIJ International, ISSN 0915-1559, E-ISSN 1347-5460, Vol. 58, no 7, p. 1210-1217Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

One of the most important parameters for gas injection into liquid baths is the penetration depth of the gas into the bath. This is due to that it strongly influences the flow structure and hence the stirring and plume behavior in metallurgical processes. The IRONARC process is a new energy efficient process for reduction of iron oxide to produce pig iron. The future goal is to continuously scale up the process to an industrial scale from the current pilot scale. In this process, gas is injected horizontally through a submerged nozzle into a slag bath. Hence, the penetration depth is of great importance since it greatly affect several parameters in this process. Moreover, this information is essential when scaling up the reactor from a pilot scale to an industrial scale. In this work, the penetration depth of gas injection into water in a small scale side blown converter was studied numerically. Two different approaches with different multiphase models were tested, namely the Volume of Fluid (VOF) model and Eulerian multiphase model (EE). The penetration depth could be accurately determined for both numerical models, with a small expected deviation of 13.9% from the physical experiment results. Also, the simulation time was shorter for the Eulerian multiphase model. The penetration depth was then determined for the IRONARC pilot plant process. The results show that the plume is detached from the nozzle wall, which in turn results in a better energy usage of the gas along with a small refractory wear.

Place, publisher, year, edition, pages
Iron and Steel Institute of Japan , 2018. Vol. 58, no 7, p. 1210-1217
Keywords [en]
penetration depth, IronArc process, pig iron production, CO2 reduction, ironmaking, VOF, mathematical model
National Category
Metallurgy and Metallic Materials
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-233302DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-043ISI: 000440393200005Scopus ID: 2-s2.0-85050101039OAI: oai:DiVA.org:kth-233302DiVA, id: diva2:1238997
Note

QC 20180815

Available from: 2018-08-15 Created: 2018-08-15 Last updated: 2020-04-16Bibliographically approved
In thesis
1. IronArc a New Process for Pig Iron Production; a Numerical and Experimental Investigation Focusing on Mixing
Open this publication in new window or tab >>IronArc a New Process for Pig Iron Production; a Numerical and Experimental Investigation Focusing on Mixing
2020 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [sv]

I den här studien så var syftet att undersöka omrörningen och relaterade fenomen i den nyutvecklade IronArc processen. Processen använder sig av gasinjektion genom plasmageneratorer för att smälta och reducera en slagg bestående av järnoxid. Både penetrationsdjupet hos gasen och omrörningstiden undersöktes under olika förhållanden för att de är viktiga parametrar för processen. Undersökningen har gjorts både genom experiment och Computational Fluid Dynamics (CFD).

 

Först utvecklades en nerskalad modell i akrylplast av IronArc pilot reaktorn i skala 1:3, där både penetrationsdjupet och omrörningstiden bestämdes för ett system med luft och vatten genom fysiska experiment. Sedan så skapades en matematisk modell för att beskriva penetrationen av luft injicerat i vatten. Den validerade modellen användes sedan för att beskriva penetrationsdjupet av den injicerade gasen i slaggen för pilotreaktorn. Vidare så utvecklades en ny metod för att bestämma omrörningstiden i pilotreaktorn med slagg som flytande medium. Slaggen undersöktes också både med hjälp av ljusoptiskt mikroskop (LOM) och även genom beräkningar i Thermo-Calc. Detta gjordes för att undersöka huruvida slaggen är i smält tillstånd då processen körs. Ytterligare en matematisk modell utvecklades sedan för att beskriva omrörningen i den nedskalade modellen av akrylplast med luft och vatten. Samma CFD modell användes för att beskriva omrörningen i pilotreaktorn, där modellen validerades mot de tidigare resultaten från de fysiska experimenten med slagg i pilotreaktorn. Slutligen så utfördes ytterligare försök i pilotreaktorn för att bestämma omrörningstiden, men med vatten istället för slagg. Det bör även nämnas att det enbart var luft som injicerades utan att gasen värmdes upp i plasmageneratorn, då vattnet skulle evaporerat om man värmt gasen.

Den genomsnittliga omrörningstiden för den nerskalade modellen där luft injicerades i vatten bestämdes till 7,6 s och 10,2 sekunder för respektive homogeniseringsgrad på 95% och 99%. Detta gjorde då ett inlopp användes med ett gasflöde på 282 NLmin-1 användes. Det visade sig att den genomsnittliga omrörningstiden ökade med 15,8% för 95% homogenisering och 17,6% för 99% homogeniseringsgrad då 3 inlopp användes för samma gasflöde. Penetrationsdjupet visade på ett pulserande beteende med ett maximum och minimum värde för respektive undersökt gasflöde.

 

Penetrationsdjupet för experimentet med gas injicerat i vatten kunde beskrivas korrekt med CFD modellen, där Euler-Euler metoden bestämde penetrationsdjupet av experimentet inom en noggrannhet på 86%. Det visade sig också att denna metod reducerade beräkningstiden jämfört med den andra testade Volume of Fluid (VOF) modellen. Penetrationsdjupet av gas i slagg predikterades till 0.3 m, vilket motsvarar radiens läng i reaktorn.

Resultaten visade att möjligt att experimentellt bestämma omrörningstiden i pilotreaktorn genom att addera ett spårämne (MnO2 pulver) till slaggen och ta kontinuerliga prover. Mer specifikt så var tiden för att homogenisera badet under 10 sekunder efter att spårämnet tillsatts. Både LOM (Ljusoptiskt Mikroskop)  observationerna och Thermo-Calc beräkningarna indikerade att det var rimligt att anta att slaggen är i smält tillstånd under körning.

Den predikterade omrörningstiden för den numeriska modellen för luft-vatten systemet var 7,5 sekunder och överensstämmer med experimentresultaten med 1,3%. omrörningstiden bestämdes till 6.5 sekunder för simuleringen av pilotreaktorn och det stämmer överens med resultaten från experimenten i pilotskalan som visade att omrörningstiden var under 10 sekunder. Även resultaten från experimenten då omörningstiden bestämdes 8,5 och 14 sekunder för 95 % och 99% homogeniseringsgrad, då reaktorn var vattenfylld.

Denna undersökning av den nya IronArc-processen har gett värdefull information om omrörningen som kan användas i designbeslut för en framtida storskalig järnframställningsprocess.

 

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2020. p. 98
Series
TRITA-ITM-AVL ; 2020:20
Keywords
Mixing time, Penetration depth, CFD simulations, IronArc, Water modeling, Mixing time Experiments  , Omrörningstid, Penetrationsdjup, CFD simuleringar, IronArc, Vattenmodellering, Omrörningsexperiment
National Category
Metallurgy and Metallic Materials
Research subject
Metallurgical process science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-272095 (URN)978-91-7873-481-8 (ISBN)
Public defence
2020-05-07, https://kth-se.zoom.us/j/64491886604, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency
Available from: 2020-04-16 Created: 2020-04-16 Last updated: 2020-05-04Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Bölke, KristoferErsson, MikaelJönsson, Pär

Search in DiVA

By author/editor
Bölke, KristoferErsson, MikaelJönsson, Pär
By organisation
Materials Processing
In the same journal
ISIJ International
Metallurgy and Metallic Materials

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 55 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf