This research project investigated the option of steelmaking with the ESS furnace by using computational modelling to estimate steady state decarburisation rates. It focused on understanding metallurgical phenomena that would dictate refining rates of molten pig iron with iron ore. The results obtained are aimed at designers and potential users of the furnace technology to improve their understanding of the expected steady-state process behaviour. A mass-and-energy-balance model with a decarburisation sub-model was developed to estimate feed material requirements for steady state operation. Modelling and simulation results suggest that it may not be possible to produce steel under the conditions proposed. However, the furnace still holds potential if ideal operational conditions are understood and applied. Modelling also gave insight into which areas areas of concern, such as bubble formation in the furnace’s channel induction heaters, and necessity for a well designed refractory lining to contain heat and allow the process to operate at a stable condition under the conditions proposed. Keywords: ESS furnace, steelmaking, metallurgical analysis, modelling, mass and energy balance, decarburisation kinetics / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2020. / Materials Science and Metallurgical Engineering / MEng / Unrestricted

<p>The primary goal of the research is to examine the expander manufacturing process of an industry, observe how the industry may sustainably be manufacturing elements throughout its entire manufacturing process, and analyze the advantages of doing so. It will also look at the challenges that would arise if these manufacturing processes were altered to make them more sustainable and environmentally friendly.</p>

In stainless steelmaking, around 68% of the total greenhouse gas emissions come from the processing of raw materials. Thus, it is important for steelmakers to make efforts together with their raw material suppliers to implement low-carbon initiatives. To facilitate such initiatives, assessment of raw materials will provide guidance. In this work, the assessment of materials consists of two parts: i) different production scenarios are studied by using a static process model coupled with life cycle assessment approach to investigate the reduction potential of environmental impacts for Mo and Ni alloys; ii) assessment of the effect of trace element content (phosphorus) in stainless steel scrap on steel’s manufacturing cost, resource consumption and environmental impact using an online static process model. The results show that the overall GHG emission of FeMo production varies between 3.16-14.79 t CO2-eq/t FeMo (i.e. 5.3-24.7 tCO2-eq/t Mo). The main variance comes from the mining and beneficiation stages and depends mainly on the ore’s beneficiation degree. However, whether molybdenum is extracted as a co-product from copper mine or not can have an even greater effect on the total GHG emission of molybdenum due to the allocation of the impacts.  In the case of nickel alloys, the GHG emissions for producing nickel metal, nickel oxide, ferronickel and nickel pig iron are 14, 30, 6 and 7 tCO2-eq/t alloy (i.e. 14, 40, 18, and 69 tCO2-eq/t Ni), respectively. Extracting sulfide ore through flash smelting process has been shown to have the least energy requirement and greenhouse gas emissions. In comparison to sulfide ore processing, oxide ore processed in an electric furnace is much more energy intensive and less environmental friendly primarily due to high content of gangue. However, by using a sustainable electricity source such as hydro-powered electricity, or applying a thermal heat recovery, it is possible to reduce the impact from electric furnace smelting of laterite. Furthermore, the use of stainless steel scraps with low phosphorous contents reduces slag amount, alloy consumption, production cost and carbon footprint. An estimation equation between phosphorous content and scrap’s value-in-use is obtained in the study to support the development of purchasing strategy. To conclude, the application of static process model based on mass and energy balance provides the possibility to assess raw materials’ environmental impact (energy consumption and GHG emissions) and to identify potentials to realize sustainable stainless steelmaking. / Vid tillverkning av rostfritt stål kommer cirka 68% av växthusgaserna ifrån råvaruanvändningen. Därför är det viktigt för ståltillverkare att göra en samordnad insats med sina levenrantörer för att reducera dessa utsläpp. Den här avhandlingen ämnar att undersöka råvaror ur två perspektiv: i) att utvärdera olika produktionsscenarier för  molybden och nickelleggeringar genom en statisk processmodell i kombination med livscykelanalys för att undersöka potentialen för att minska miljöbelastningen; ii) att undersöka hur spårämnesinnehållet (fosfor) i rostfritt stålskrot påverkar ståltillverkningskostnaden, resursförbrukningen och miljöpåverkan med ett webbaserat verktyg för processmodellen. Resultaten visar att växthusgasutsläppen från produktionen av FeMo varierar mellan 3.16-14.79 t CO2-eq/t FeMo (d.v.s. 5.3-24.7 tCO2-eq/t Mo). Variationen beror främst på malmets anrikningsgrad under malmbrytnings- och anrikningsprocessen. När molybden förekommer  i kopparmalm och utvinns som en co-produkt så kan det ha en större effekt på molybdens energiförbrukning och växthusgasutsläpp än vad malmens anrikningsgrad har. I fallet för tillverkning av nickelmetall, nickeloxid, ferronickel och nickeltackjärn är växthusgasutsläppen 14, 30, 6 respektive 7 tCO2-eq/t legering (motsvarande 14, 40, 18, respektive 69 tCO2-eq/t Ni). Användningen av sulfidmalm i flashsmältningsprocessen har visat sig ha lägst energibehov och växhusgasutsläpp medan användningen av oxidmalm i ljusbågsugn både är mer energiintensiv och utsläppsintensiv  på grund av en stor mängd oxider i nickelmalmen. Dessa utsläpp kan dock förbättras genom användningen av hållbar energi (till exempel el från vattenkraft), eller genom värmeåtervinning under processen. Utöver detta kan skrot med lågt fosforinnenhåll också användas vid tillverkningen av rostfritt stål för att minska slaggmängden, förbrukningen av legeringar, produktionskostnaden och växthusgasutläppen.  En ekvation mellan fosforinnehållet och skrotets värde föreslås här som underlag för att utveckla en inköpsstrategi för skrot. Sammanfattningsvis så kan en statisk processmodell baserad på mass- och energibalans tillämpas för att utvärdera råvarors miljöbelastning (energiförbrukning och växthusgasutsläpp) och identifiera potentialen för en hållbar tillverkning av rostfritt stål.

Předkládaná práce je zaměřena na numerické modelování spalování tuhých paliv na roštu metodami výpočtové dynamiky tekutin (CFD). Jelikož výsledky CFD simulací roštového spalování závisí na kvalitě vstupních dat, která zahrnují i údaje o teplotě, hmotnostním toku a chemickém složení spalin vystupujících z lože, pozornost je věnována především procesům, probíhajícím v loži během spalování na roštu. Velká část práce je věnována vývoji spolehlivého modelu spalování v sypaných ložích, jelikož může napomoci zkvalitnit výsledky simulací i rozšířit znalosti principů spalování tuhých paliv v sypaných ložích. V rámci práce byl vyvinut jednorozměrný nestacionární model spalování v experimentálním reaktoru a implementován do počítačového programu GRATECAL 1.3 včetně grafického uživatelského rozhraní. Zvláštní důraz byl kladen na konzervativnost modelu. Proto byla vyvinuta metoda pro kontrolu hmotnostní a energetické bilance systému a následně aplikována v řadě studií, v rámci nichž byly odhaleny některé chyby týkající se definic zdrojových členů, které byly převzaty z literatury a opraveny. Pomocí modelu byla provedena analýza šíření čela sušení a reakce hoření koksu po výšce lože pšeničné slámy. Na základě výsledků těchto analýz bylo doporučeno zahrnout i modelování změny porozity částic paliva, aby šířka reakční zóny byla predikována korektně v případě, že je uvažována změna porozity celého lože. Rovněž vyvinutá bilanční metoda byla použita k analýze vlivu kritérií konvergence na hmotnostní a energetickou nerovnováhu simulovaného systému. Bylo zjištěno, že škálovaná rezidua rovnic všech veličin by měla poklesnout aspoň na hodnotu $10^{-6}$, aby bylo dosaženo nízké hmotnostní a energetické nerovnováhy a tudíž uspokojivě přesných výsledků ze simulací v loži. Druhá část práce je věnována vývoji a implementaci knihovny uživatelem definovaných funkcí pro komerční CFD nástroj ANSYS FLUENT, které slouží k propojení modelu lože s modelem komory reálné spalovací jednotky, aby byla umožněna dynamická změna okrajových podmínek na vstupu do komory v závislosti na výstupech ze simulací v loži. Vytvořené rozhraní pro propojení těchto dvou modelů je dostatečně obecné pro aplikaci na širokou škálu modelů roštových kotlů. Popsané výsledky přispívají k lepšímu porozumění numerickému modelování spalování na roštu, a to zejména ve fázi sestavování numerického modelu a nastavení parametrů řešiče pro kontrolu konvergence.