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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.
All'interno di un altoforno, i pellet di minerale di ferro si ammorbidiscono e si fondono sotto il peso del materiale che sta sopra di loro. Mentre si deformano, restringono gli spazi tra un pellet e l'altro, e il gas che deve risalire attraverso il forno trova meno spazio per passare. I ricercatori guidati dal professore associato Shungo Natsui dell'Università di Tohoku hanno trovato un modo per osservare questa deformazione e per misurarla.
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.
Le tecnologie basate sull'idrogeno sono una strada promettente verso un acciaio a minori emissioni di carbonio, ma gli altiforni tradizionali resteranno importanti durante la transizione. Finora gli esperimenti si sono basati in larga misura sulle misure del restringimento complessivo del letto e della perdita di pressione del gas. Ciò rende difficile stabilire in che modo i cambiamenti all'interno dei singoli pellet contribuiscano al comportamento dell'intero letto compattato.
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.
Il team ha lavorato con Tata Steel Europe, l'Università di Tecnologia di Delft e l'Istituto nazionale di scienza e tecnologia industriale avanzata (AIST). Hanno condotto esperimenti ad alta temperatura che riproducevano le condizioni di un altoforno e hanno usato la tomografia computerizzata a raggi X ad alta energia (TC) per ricostruire in tre dimensioni la struttura interna dei pellet. Hanno poi impiegato una simulazione basata sulle particelle chiamata Moving Particle Hydrodynamics-Implicit (MPH-I) per riprodurre la deformazione osservata. Confrontando la simulazione con le immagini TC, hanno potuto stimare la tensione di snervamento effettiva del guscio ricco di ferro, ossia quanto sforzo il materiale può sopportare prima di deformarsi in modo permanente. Misurare direttamente questa proprietà in condizioni di altoforno è complesso.
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.
I pellet cambiano per fasi. A 1.300 °C, un guscio di ferro metallico relativamente rigido li ha aiutati a sopportare il carico. A 1.400 °C, i componenti che generano la scoria si sono concentrati all'interno dei pellet man mano che si ammorbidivano. A 1.550 °C, i pellet si erano fusi abbastanza da far gocciolare via il materiale liquido.
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.
Il progresso chiave è che le proprietà meccaniche di un pellet possono essere stimate a partire dalla sua deformazione tridimensionale osservata, e non soltanto dal comportamento dell'intero letto. I ricercatori affermano che ciò potrebbe aiutare a prevedere la deformazione dei letti di minerale di ferro e a valutare come si comportano diverse materie prime ad alta temperatura. Per i produttori di acciaio, questo significa un modo per confrontare i minerali prima che arrivino all'altoforno, almeno in linea di principio. Il team prevede di applicare il metodo ad altri tipi di minerale di ferro e ad ambienti ricchi di idrogeno, ma non fornisce alcuna data, e i risultati ottenuti finora provengono da esperimenti di laboratorio.