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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.
No interior de um alto-forno, as pelotas de minério de ferro amolecem e fundem sob o peso do material que está por cima. À medida que se deformam, estreitam os espaços entre elas, e o gás que tem de subir pelo forno encontra menos espaço para passar. Investigadores liderados pelo professor associado Shungo Natsui, da Universidade de Tohoku, conseguiram encontrar uma forma de observar essa deformação e de lhe atribuir um valor numérico.
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.
As tecnologias à base de hidrogénio são um caminho promissor para um aço com menor teor de carbono, mas os altos-fornos convencionais continuarão a ter um papel importante durante a transição. Até agora, as experiências assentavam sobretudo em medições da contração global do leito e da perda de pressão do gás. Isso torna difícil determinar de que forma as alterações no interior de cada pelota contribuem para o comportamento de todo o leito compactado.
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.
A equipa trabalhou com a Tata Steel Europe, a Universidade de Tecnologia de Delft e o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST). Realizaram experiências a alta temperatura que reproduziram as condições de um alto-forno e recorreram a tomografia computorizada (TC) de alta energia por raios X para reconstruir a estrutura interna das pelotas em três dimensões. Depois, utilizaram uma simulação baseada em partículas, denominada Moving Particle Hydrodynamics-Implicit (MPH-I), para reproduzir a deformação observada. Ao comparar a simulação com as imagens de TC, conseguiram estimar a tensão de cedência efetiva da carcaça rica em ferro, ou seja, a tensão que o material pode suportar antes de se deformar de forma permanente. Medir essa propriedade diretamente nas condições de um forno é um desafio.
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.
As pelotas mudam por etapas. A 1 300 °C, uma carcaça relativamente rígida de ferro metálico ajudou-as a suportar a carga. A 1 400 °C, os componentes formadores de escória concentraram-se no interior das pelotas à medida que amoleciam. A 1 550 °C, as pelotas tinham fundido o suficiente para que o material líquido escorresse.
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.
O avanço essencial é que as propriedades mecânicas de uma pelota podem ser estimadas a partir da sua deformação tridimensional observada, e não apenas a partir do comportamento de todo o leito. Os investigadores afirmam que isto poderá ajudar a prever a deformação dos leitos de minério de ferro e a avaliar o desempenho das diferentes matérias-primas a alta temperatura. Para os produtores de aço, significa uma forma de comparar minérios antes de chegarem ao forno, pelo menos em princípio. A equipa pretende aplicar o método a outros tipos de minério de ferro e a ambientes ricos em hidrogénio, mas não avança qualquer data, e os resultados obtidos até agora provêm de experiências laboratoriais.