SwePub
Sök i LIBRIS databas

  Utökad sökning

onr:"swepub:oai:DiVA.org:kth-285937"
 

Sökning: onr:"swepub:oai:DiVA.org:kth-285937" > Thermodynamics and ...

  • Liu, Yu,1990-KTH,Processer (författare)

Thermodynamics and Kinetics in Metallurgical Processes - with a Special Focus on Bubble Dynamics

  • BokEngelska2020

Förlag, utgivningsår, omfång ...

  • Stockholm :KTH Royal Institute of Technology,2020
  • 220 s.
  • electronicrdacarrier

Nummerbeteckningar

  • LIBRIS-ID:oai:DiVA.org:kth-285937
  • ISBN:9789178737147
  • https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-285937URI

Kompletterande språkuppgifter

  • Språk:engelska
  • Sammanfattning på:engelska &svenska

Ingår i deldatabas

Klassifikation

  • Ämneskategori:vet swepub-contenttype
  • Ämneskategori:dok swepub-publicationtype

Serie

  • TRITA-ITM-AVL ;2020:46

Anmärkningar

  • Gas stirring is commonly used in the steelmaking processes to reinforce chemical reactions, kinetic transfer, and inclusion removal, etc. This dissertation concentrates on multiphase flows with gas bubbling to study fluid dynamics and thermodynamics in metallurgical processes. A study of bubble behavior has been carried out using a multiscale approach as follows: Prototype scale (macro) → Plume scale → Single bubble scale → Reaction scale (micro).Initially, previous works on physical modeling and mathematical modeling in relation to the gas bubbling in the ladle have been reviewed. From that, several aspects that can be improved were found:For physical modeling, such as mixing and homogenization in ladles, the general empirical rules have not been analyzed sufficiently;The mathematical models focusing on inclusion behaviors at the steel-slag interface need to be improved;The phenomena governing the transfer of elements, vacuum degassing, and the combination of fluid dynamics and thermodynamics, such as in desulfurization, need to be investigated further.The kinetics transfer with regards to temperature and element homogenization is one of the most extensive research fields in steel metallurgy. For the analysis on prototype scale, the optimal plug configuration has been studied for a 50t ladle. For stirring using bottom-blowing, a separation angle between dual plugs of 160 degree is mostly recommended, and the optimal dual-plug radial position is around 0.65R. Moreover, the influence of the tracer’s natural convection on its homogenization pattern cannot be neglected, especially for ‘soft bubbling’ conditions using low gas flow rates.Subsequently, in studies of the statistical behavior of gas bubbling in the plume, mathematical modeling using an Euler-Euler approach and an Euler-Lagrange approach have been compared. With respect to the bubble coalescence and breakup, the Euler-Lagrange approach is more accurate in predicting the flow pattern for gas injection using a porous plug. With regards to the effect of plug design on the statistical behavior of gas bubbling, gas injection using a slot plug promotes kinetic reactions close to the open eye due to the concentrated plume structure, and gas bubbling using a porous plug promotes a good inclusion removal because of the increased amount of bubbles.Focusing on single bubble behavior, under the same flow rate, as the top gauge pressure is reduced, the bubble diameter increases and the bubble generation frequency decreases. During the bubble ascent, a large bubble gradually reaches stable conditions by means of shedding several small bubbles. In a steel-argon system, under a flow rate in the range of 5.0(mL‧min-1)STP to 2000(mL‧min-1)STP, the bubble diameter is in the range of 6.0mm to 20.0mm. Under laminar conditions, the maximum bubble width is 65mm when the surrounding pressure is 0.2bar, and the steady bubble width is around 58mm under a pressure of 2.0bar.Finally, a coupling method, named Multi-zone Reaction Model, has been developed to predict the conditions in the EAF refining process. Using a combined injection of O2 and argon, and the same injected mass of O2, the decarburization rate increases due to an efficient kinetic mass transfer of carbon in the molten steel. Furthermore, using CO2 to replace argon, as the ratio of the CO2 content in the injection increases, the maximum hot spot temperature, the increment rate of average temperature, and the decarburization rate decrease dramatically.The research step from multiphase fluid dynamics to its coupling with high temperature thermodynamics is a large advancement in this study. Moreover, the research process using open source software to replace the commercial software is also an important technical route. This can help the transparent development of future modules for reacting flow in metallurgical processes.
  • Gasomrörning används frekvent inom järn och stålframställning för att effektivisera kemiska reaktioner, kinetik, transport av inneslutningar osv. Denna avhandling fokuserar på flerfasflöden med gasblåsning för att studera fluidmekanik och termodynamik i metallurgiska processer. Avhandlingen analyserar bubbelkaraktär i olika skalor: testugnsskala (makro) → bubbelplymskala → enkelbubbelskala → jämviktsberäkningar (mikro).Först och främst har metoderna för experimentell och matematisk modellering av gas-bubblor i skänk från tidigare studier granskats. I dessa studier upptäcktes följande svagheter:Inom experimentell modellering av omrörning och homogenisering i skänken har de generella empiriska reglerna inte analyserats tillräckligt utförligt;De matematiska modellerna som fokuserar på inneslutningars beteende vid stål-slagg gränsytan behöver förbättras;Fenomen som styr transport av ämnen, vakuumavgasning, samt kombinationen av fluidmekanik och termodynamik så som i svavelrening kräver ytterligare forskning.Ett av de mest omfattande forskningsfälteten inom metallurgi är kinetik som styr temperatur och homogenisering av ämnen. I en analys i testugnsskala har den optimala konfigurationen av porösa dysor studerats för en 50 ton skänk. Vid bottenblåsning med två dysor rekommenderas en separationsvinkel på 160 grader med en radiell positionering på 0.65R. Det upptäcktes även att effekten av den naturliga konvektionen hos spårämnet inte kan försummas vid homogeniseringsexperiment, speciellt vid låg flödeshastighet.I studien av det statistiska beteendet hos bubbelplymen jämfördes två numeriska metoder, Euler-Euler och Euler-Lagrange. Med hänsyn till bubbelkoalescens och delning är Euler-Lagrange metoden mer precis för att karakterisera flödet vid gasinjektion med porös dysa. Experimentell modellering utfördes för att undersöka effekten av dysans design på bubblorna i plymen där skillnaden mellan porös plug och ”slot” dysa studerades. Gas injektion med ”slot” dysa ökar kinetiken för reaktion nära ”open eye” området på grund av den koncentrerade plymen. Däremot är gasblåsning genom en porös dysa mer effektiv på att driva upp inneslutningar på grund av den större mängden bubblor.I studien på enkelbubblans beteende har effekten av nedsatt tryck vid vattenytan på bubbel-bildning och uppstigning undersökts. Med samma gasflöde och minskande tryck vid ytan ökar bubbeldiametern samtidigt som bubbelfrekvensen minskar. När en stor bubbla stiger når den gradvis ett stabilt läge genom att separera flera små bubblor från botten av bubblan. I ett system av stål och argon är bubblans originaldiameter mellan 6.0mm och 20.0mm när ett flöde mellan 5.0(mL‧min-1)STP och 2000(mL‧min-1)STP används. Under laminärt tillstånd och ett tryck på 0.2bar är bubblans maximala bredd 65mm och vid ett tryck på 2.0bar är bubblans stabila bredd ca 58mm.Slutligen har en kopplingsmodell kallad ’Multi-zone Reaction Model’ utvecklats för att studera raffinering i en EAF process. En gasinjektion bestående av O2 gas utspädd med inert argongas ökar kolfärskningshastigheten på grund av en mer effektiv kinetisk masstransport av kol i smältan, jämfört med samma injektionsmängd av enbart syrgas. Vidare, när argon byts mot CO2 och förhållandet av CO2 mot O2 ökar, minskar den maximala ’hot spot’ temperaturen och den genomsnittliga temperaturökningen samt  hastigheten för kolfärskningen dramatiskt.Kopplingen mellan fluiddynamik och termodynamik är ett stort framsteg som gjorts i denna studie. Dessutom har användningen av ’Open-source’ mjukvaror för att ersätta kommersiella mjukvaror varit en viktig del i arbetet för att förstå numerisk fluiddynamik mer djupgående, modifiera variabler i olika modeller och designa en mer precis modell för att undersöka gasbubblornas beteende i metallurgiska processer.

Ämnesord och genrebeteckningar

Biuppslag (personer, institutioner, konferenser, titlar ...)

  • Ersson, MikaelKTH,Processer(Swepub:kth)u1uf3nt2 (preses)
  • Jönsson, Pär GöranKTH,Processer(Swepub:kth)u118w09b (preses)
  • Glaser, BjoernKTH,Processer(Swepub:kth)u1ij6870 (preses)
  • Ordieres-Meré, Joaquín B.,ProfessorUniversidad Politécnica de Madrid, Departamento De Ingeniería De Organización, (opponent)
  • Sahai, Yogeshwar,ProfessorDepartment of Materials Science and Engineering, Ohio State University (opponent)
  • Palm, Birgit,Dr.-Ing.BFI VDEH Betriebsforschungsinstitute GmbH (opponent)
  • Visuri, Ville-Valtteri,DocentProcess Metallurgy Research Unit, University of Oulu (opponent)
  • KTHProcesser (creator_code:org_t)

Internetlänk

Hitta via bibliotek

Till lärosätets databas

Kungliga biblioteket hanterar dina personuppgifter i enlighet med EU:s dataskyddsförordning (2018), GDPR. Läs mer om hur det funkar här.
Så här hanterar KB dina uppgifter vid användning av denna tjänst.

 
pil uppåt Stäng

Kopiera och spara länken för att återkomma till aktuell vy