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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.
À l'intérieur d'un haut fourneau, les boulettes de minerai de fer se ramollissent et fondent sous le poids de la matière qui se trouve au-dessus d'elles. En se déformant, elles réduisent les espaces qui les séparent, et le gaz qui doit remonter dans le fourneau dispose de moins de place pour circuler. Des chercheurs dirigés par le maître de conférences Shungo Natsui de l'université de Tohoku ont trouvé un moyen d'observer cette déformation et de la mesurer.
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.
Les technologies fondées sur l'hydrogène constituent une voie prometteuse vers un acier à plus faible teneur en carbone, mais les hauts fourneaux classiques resteront importants pendant la transition. Jusqu'ici, les expériences reposaient largement sur la mesure du rétrécissement global du lit et de la perte de pression du gaz. Il est donc difficile de déterminer comment les changements à l'intérieur de chaque boulette contribuent au comportement de l'ensemble du lit.
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.
L'équipe a travaillé avec Tata Steel Europe, l'université de technologie de Delft et l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST). Elle a mené des expériences à haute température reproduisant les conditions d'un haut fourneau, et utilisé la tomodensitométrie aux rayons X à haute énergie (CT) pour reconstituer en trois dimensions la structure interne des boulettes. Elle a ensuite recouru à une simulation particulaire appelée Moving Particle Hydrodynamics-Implicit (MPH-I) pour reproduire la déformation observée. En comparant la simulation aux images de CT, les chercheurs ont pu estimer la limite d'élasticité effective de la coque riche en fer, c'est-à-dire la contrainte que le matériau peut supporter avant de se déformer de façon permanente. Mesurer directement cette propriété dans les conditions d'un haut fourneau reste difficile.
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.
Les boulettes évoluent par étapes. À 1 300 °C, une coque de fer métallique relativement rigide les aide à supporter la charge. À 1 400 °C, les composants formant le laitier se concentrent à l'intérieur des boulettes à mesure qu'elles se ramollissent. À 1 550 °C, elles ont suffisamment fondu pour que la matière liquide puisse s'écouler goutte à goutte.
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.
L'avancée majeure tient au fait que les propriétés mécaniques d'une boulette peuvent être estimées à partir de sa déformation tridimensionnelle observée, et non seulement à partir du comportement de l'ensemble du lit. Les chercheurs estiment que cela pourrait aider à prédire la déformation des lits de minerai de fer et à évaluer les performances des différentes matières premières à haute température. Pour les sidérurgistes, cela ouvre la voie à une comparaison des minerais avant même leur arrivée dans le fourneau, du moins en théorie. L'équipe prévoit d'appliquer la méthode à d'autres types de minerai de fer et à des environnements riches en hydrogène, mais elle ne donne aucune échéance, et les résultats obtenus jusqu'ici proviennent d'expériences de laboratoire.