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Inside a blast furnace, iron ore pellets soften and melt under the weight of the material above them. As they deform, they narrow the spaces between them, and the gas that has to climb through the furnace finds less room to pass. Researchers led by associate professor Shungo Natsui at Tohoku University have found a way to watch that deformation happen and to put a number on it.
Dentro de un alto horno, los pelets de mineral de hierro se ablandan y se funden bajo el peso del material que tienen encima. Al deformarse, reducen los espacios entre ellos, y el gas que debe ascender por el horno encuentra menos espacio para pasar. Investigadores dirigidos por el profesor asociado Shungo Natsui, de la Universidad de Tohoku, han hallado la manera de observar esa deformación en tiempo real y de cuantificarla.
Hydrogen-based technologies are a promising path toward lower-carbon steel, but conventional blast furnaces will remain important during the transition. Until now, experiments have largely relied on measurements of overall bed shrinkage and gas pressure loss. That makes it difficult to determine how changes inside individual pellets contribute to the behavior of the whole packed bed.
Las tecnologías basadas en hidrógeno son una vía prometedora hacia un acero con menos emisiones de carbono, pero los altos hornos convencionales seguirán siendo importantes durante la transición. Hasta ahora, los experimentos se han basado en gran medida en mediciones de la contracción global del lecho y de la pérdida de presión del gas. Eso dificulta determinar cómo los cambios dentro de cada pelet contribuyen al comportamiento de todo el lecho compacto.
The team worked with Tata Steel Europe, Delft University of Technology and the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). They ran high-temperature experiments that reproduced blast furnace conditions and used high-energy X-ray computed tomography (CT) to rebuild the internal structure of the pellets in three dimensions. They then used a particle-based simulation called Moving Particle Hydrodynamics-Implicit (MPH-I) to reproduce the observed deformation. Comparing the simulation with the CT images let them estimate the effective yield stress of the iron-rich shell, that is, how much stress the material can take before it deforms permanently. Measuring that property directly under furnace conditions is challenging.
El equipo trabajó con Tata Steel Europe, la Universidad Tecnológica de Delft y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST). Realizaron experimentos a alta temperatura que reproducían las condiciones de un alto horno y utilizaron tomografía computarizada de rayos X de alta energía (TC) para reconstruir en tres dimensiones la estructura interna de los pelets. Después emplearon una simulación basada en partículas llamada hidrodinámica de partículas en movimiento implícita (MPH-I) para reproducir la deformación observada. Al comparar la simulación con las imágenes de TC, pudieron estimar el límite elástico efectivo de la cáscara rica en hierro, es decir, cuánta tensión puede soportar el material antes de deformarse de forma permanente. Medir esa propiedad directamente en las condiciones del horno es un reto.
The pellets change in stages. At 1,300°C, a relatively rigid shell of metallic iron helped them carry the load. At 1,400°C, slag-forming components became concentrated inside the pellets as they softened. By 1,550°C, the pellets had melted enough for liquid material to drip away.
Los pelets cambian por etapas. A 1.300 °C, una cáscara de hierro metálico relativamente rígida les ayudó a soportar la carga. A 1.400 °C, los componentes que forman la escoria se concentraron en el interior de los pelets a medida que se ablandaban. A 1.550 °C, los pelets se habían fundido lo suficiente para que el material líquido goteara.
The key advance is that the mechanical properties of a pellet can be estimated from its observed three-dimensional deformation, rather than only from the behavior of the whole bed. The researchers say this could help predict the deformation of iron ore beds and assess how different raw materials perform at high temperature. For steelmakers, that means a way to compare ores before they reach the furnace, at least in principle. The team plans to apply the method to other iron ore types and to hydrogen-rich environments, but it gives no date, and the results so far come from laboratory experiments.
El avance clave es que las propiedades mecánicas de un pelet pueden estimarse a partir de su deformación tridimensional observada, y no solo a partir del comportamiento de todo el lecho. Los investigadores afirman que esto podría ayudar a predecir la deformación de los lechos de mineral de hierro y a evaluar el rendimiento de distintas materias primas a alta temperatura. Para los productores de acero, supone una forma de comparar los minerales antes de que lleguen al horno, al menos en principio. El equipo prevé aplicar el método a otros tipos de mineral de hierro y a entornos ricos en hidrógeno, pero no ofrece una fecha, y los resultados obtenidos hasta ahora proceden de experimentos de laboratorio.