Steel has played an indispensable role in shaping our contemporary world and will persist to play that role for the foreseeable future. However, the steel industry currently is responsible for 7% of the global CO2-emissions, primarily due to the conventional carbon-based reduction process of iron ore. Fossil-free steel manufacturing, such as hydrogen direct reduction, could essentially make the CO2-emissions from primary steel production obsolete. The product from hydrogen-based direct reduction of iron ore is H-DRI, which subsequently are molten in an EAF to produce crude steel. Due to H-DRI being a novel product, its thermophysical properties are not well documented, which are essential when investigating the heating and dissolution behavior. When feeding H-DRI to an EAF, ferrobergs may form, which consist of unmolten material that interrupts the continuous melting process. It is not established whether the heat transfer of the pellets or the heat transfer to the pellets is the leading cause of ferroberg-formation. Modelling the melting process in an EAF is considered near impossible, therefore a simplified heating model of H-DRI was required. In the present thesis, H-DRI pellets were examined with heating experiments in a lab-scale vertical tube furnace to 1500°C while the surface- and center temperatures of the pellets were measured. The measured surface temperatures were applied as varying boundary conditions in COMSOL Multiphysics heat transfer simulations of H-DRI and H-HBI. The thermal conductivity function was utilized as an adjustable parameter to fit the theoretical center temperatures from the heat transfer simulations with the experimental center temperatures to acquire the temperature dependent effective heat conductivity and thermal diffusivity of H-DRI. By establishing an estimate correlation between the heat conductivity of H-DRI and H-HBI, the thermal conductivity and thermal diffusivity of H-HBI could also be obtained. The experiments together with the heat transfer simulations proved to be effective and yielded successful results of the effective heat conductivity and thermal diffusivity of H-DRI and H-HBI, which can be used in process design, future models, and simulations. Furthermore, it is unlikely that ferroberg-formation is caused by slow heat transfer of the H-DRI. It is more likely that it is due to slow heat transfer to the H-DRI. Therefore, the focus should be to increase the heat transfer to the H-DRI pellets while melting in an EAF to avoid ferrobergs. / Stål har haft en oumbärlig roll i att forma vår samtida värld och kommer att fortsätta att inneha den rollen under en överskådlig framtid. Men stålindustrin ansvarar närvarande för 7% av den totala globala CO2-utsläppen, främst på grund av den konventionella kolbaserade reduktionsprocessen av järnmalm. Fossilfri ståltillverkning, som direktreduktion av järnmalm med vätgas, kan i princip göra CO2-utsläppen från primärståltillverkning föråldrat. Produkten från vätgasbaserad direktreduktion av järnmalm är H-DRI, som sedan smälts i en ljusbågsugn för att producera råstål. Eftersom H-DRI är en ny produkt så är dess termofysiska egenskaper, som är väsentliga när man undersöker dess uppvärmnings- och smältbeteende, inte väl dokumenterat. Vid matning av H-DRI till en ljusbågsugn kan det bildas ferroberg som består av osmält material som hindrar den kontinuerliga smältningsprocessen. Det är inte fastställt om det är värmeöverföringen i pelletsen eller värmeöverföringen till pelletsen som är den främsta orsaken till att ferroberg bildas. Modellering av smältprocessen i en ljusbågsugn anses nästintill omöjlig, därför krävdes en förenklad uppvärmningsmodell av H-DRI. I detta examensarbete undersöktes H-DRI-pellets med uppvärmningsexperiment i en vertikal rörugn till 1500°C samtidigt som yt- och centrumtemperaturerna för pelletsen mättes. De uppmätta yttemperaturerna användes som varierande randvillkor i COMSOL Multiphysics värmeöverföringssimuleringar av H-DRI och H-HBI. Den termiska konduktiviteten användes som en justerbar parameter för att anpassa de teoretiska centrumtemperaturerna från värmeöverföringssimuleringarna med de experimentella centrumtemperaturerna för att erhålla den temperaturberoende effektiva termiska konduktiviteten och termiska diffusiviteten för H-DRI. Genom att fastställa en uppskattad korrelation mellan värmeledningsförmågan för H-DRI och H-HBI, kunde även den termiska konduktiviteten och termiska diffusiviteten för H-HBI erhållas. Experimenten tillsammans med värmeöverföringssimuleringarna visade sig vara effektiva och gav framgångsrika resultat av den effektiva termiska konduktiviteten och termiska diffusiviteten hos H-DRI och H-HBI, som kan användas i processdesign, framtida modeller och simuleringar. Det är osannolikt att ferrobergbildning orsakas av långsam värmeöverföring i H-DRI, utan det är mer troligt att det beror på långsam värmeöverföring till H-DRI. Därför bör fokus vara att öka värmeöverföringen till H-DRI pellets i en ljusbågsugn för att undvika ferrobergbildning.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-330259 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Göttfert, Felix |
| Publisher | KTH, Materialvetenskap |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2023:438 |
Page generated in 0.0023 seconds