Interfacial contact topology governing molten iron–slag dripping in coke-packed beds under hydrogen-enriched blast furnace conditions

Resumen Técnico: La topología del contacto interfacial que gobierna el goteo de hierro fundido y escoria en lechos empacados de coque bajo condiciones de alto horno enriquecidas con hidrógeno

Planteamiento del Problema
La industria del hierro y el acero está transitando hacia operaciones de alto horno enriquecidas con hidrógeno para reducir las emisiones de carbono. Si bien los efectos del hidrógeno sobre la cinética de reducción y la transformación de fases están bien documentados, el impacto de estas condiciones cambiantes sobre el flujo acoplado de hierro fundido y escoria a través de la parte inferior del lecho empacado de coque no ha sido cuantificado suficientemente. En entornos enriquecidos con hidrógeno, el grado de reducción de los materiales que contienen hierro varía, alterando el contenido de FeO en la escoria, la relación de volumen hierro-escoria y las propiedades físicas de los fundidos (viscosidad, densidad, tensión superficial y tensión interfacial). Estudios previos a menudo asumieron composiciones de escoria y condiciones de suministro de líquido fijas, fallando al no considerar cómo los cambios de propiedades dependientes de la reducción podrían desplazar el mecanismo gobernante del drenaje de la escoria de un régimen controlado por la viscosidad a uno dominado por la morfología del contacto interfacial y la retención de líquido.

Metodología
El estudio empleó simulaciones de Hidrodinámica de Partículas Suavizadas (SPH) tridimensionales multifásicas para modelar el comportamiento de goteo de hierro fundido y escoria de FeO–CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO dentro de un lecho empacado de partículas de coque irregulares.

• Estimación de Propiedades Físicas: Se utilizaron cálculos termodinámicos (usando FactSage) para determinar las composiciones de la escoria y las fracciones líquidas basadas en tres grados de reducción ($R = 0.70, 0.90, 1.00$) y temperaturas (1300–1500 °C). Las propiedades clave —densidad, viscosidad, tensión superficial y tensión interfacial hierro–escoria— se estimaron como funciones de estas variables. Notablemente, las propiedades del hierro fundido se mantuvieron constantes para aislar los efectos de las variaciones en las propiedades de la escoria.
• Configuración de la Simulación: El lecho de coque se modeló con un diámetro promedio de partícula de 0.0237 m. Las fases fundidas se suministraron de forma intermitente desde la entrada superior. La fase gaseosa se trató como un vacío vacío para aislar los efectos hidrodinámicos e interfaciales.
• Métricas de Análisis: El estudio cuantificó la retención de fase, las velocidades de goteo del centro de masa, las áreas de contacto aparentes (entre hierro, escoria, coque y vacío) y un índice de mezcla de hierro–escoria. Se realizó un análisis de regresión para identificar los descriptores que gobiernan las velocidades de goteo relativas de las dos fases.

Resultos Clave

1. Regímenes Duales de Comportamiento de Goteo: Las simulaciones revelaron dos regímenes distintos que gobiernan el drenaje de la escoria:
   • Régimen Controlado por Viscosidad ($R = 1.00$): Bajo condiciones de reducción completa, la viscosidad de la escoria era alta (750–5500 mPa·s). En este régimen, el aumento de la temperatura redujo la viscosidad, aumentando directamente la velocidad de goteo de la escoria. Las fases de hierro y escoria permanecieron espacialmente separadas debido a la alta tensión interfacial.
   • Régimen Controlado por Morfología ($R = 0.70, 0.90$): Bajo grados de reducción más bajos, la viscosidad de la escoria era baja ($\le 110$ mPa·s) y la fracción de volumen de la escoria era alta. De manera contraintuitiva, una menor viscosidad no siempre condujo a un goteo más rápido. A $R=0.70$ y 1500 °C, la escoria exhibió la viscosidad más baja pero la velocidad de goteo aparente más lenta. Esto se atribuyó al contacto extensivo escoria–coque, donde la escoria de baja viscosidad se extendió sobre la superficie del coque o fue retenida dentro de la red de poros en lugar de drenar verticalmente.
2. Topología de Interfaz: Un modelo de regresión utilizando únicamente la viscosidad de la escoria, la tensión interfacial y la relación de volumen falló en predecir la relación de velocidad escoria-hierro ($R^2 = 0.148$). Sin embargo, la incorporación de la relación de las áreas de contacto escoria–coque a hierro–coque mejoró significativamente la precisión del modelo ($R^2 = 0.943$). Esto demuestra que el estado de contacto geométrico entre el fundido y el coque es un determinante primario del comportamiento de drenaje en condiciones de baja viscosidad y alta concentración de escoria.
3. Mezcla Hierro–Escoria: El área de contacto específica hierro–escoria y el índice de mezcla disminuyeron a medida que aumentaba el grado de reducción. Los grados de reducción más bajos ($R=0.70, 0.90$) promovieron un mayor contacto hierro–escoria debido a las mayores fracciones de escoria, mientras que las condiciones de reducción total ($R=1.00$) resultaron en estructuras de flujo de fases claramente separadas. Curiosamente, a $R=0.70$ y 1500 °C, a pesar de la alta fluidez, el índice de mezcla cayó significamente, lo que sugiere que la fluidez mejorada promovió la propagación sobre las superficies del coque en lugar de mantener el contacto con el hierro fundido.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la topología del contacto interfacial influye significativamente en el drenaje del fundido y el área de reacción en las operaciones de alto horno de bajo carbono. La contribución principal es la demostración de que el comportamiento de goteo de la escoria no puede explicarse únicamente por la viscosidad, particularmente bajo condiciones enriquecidas con hidrógeno donde los grados de reducción varían.

• El estudio establece que en regímenes de baja viscosidad y alta concentración de escoria, la velocidad de goteo aparente está gobernada por la interacción morfológica entre la escoria y el lecho de coque (específicamente el área de contacto escoria–coque) en lugar de la resistencia viscosa por sí sola.
• Proporciona un marco que conecta el grado de reducción, las propiedades de la escoria, la fracción de fase líquida y la morfología del contacto interfacial.
• Los autores concluyen que la evaluación de la permeabilidad de la zona de goteo y la retención de líquido en altos hornos enriquecidos con hidrógeno requiere descriptores combinados (como el área de contacto escoria–coque y la mezcla hierro–escoria) en lugar de depender únicamente de la viscosidad de la escoria.

Limitaciones
Los autores señalan varias limitaciones: la velocidad de goteo es una velocidad de migración aparente basada en el movimiento del centro de masa en lugar de un flujo de sección transversal real; el área de contacto se aproximó utilizando celdas cúbicas en lugar de interfaces curvas reales; el humectado coque–líquido se simplificó a una condición de no humectación (ángulo de contacto de 180°); y las propiedades del hierro fundido se asumieron constantes. Se sugiere trabajo futuro para examinar los efectos de la tensión superficial del hierro fundido, las variaciones de humectación y las fracciones sólidas.