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

Technische Samenvatting: Interfaciale Contacttopologie die het Druppelen van Gesmolten IJzer en Slak in Coke-gepakte Bedden onder Waterstofverrijkte Hoogovenomstandigheden Bepaalt

Probleemstelling
De ijzer- en staalindustrie maakt de overstap naar waterstofverrijkte hoogovenoperaties om koolstofemissies te verminderen. Hoewel de effecten van waterstof op reductiekinetiek en faseverandering goed gedocumenteerd zijn, is de impact van deze veranderende omstandigheden op de gekoppelde stroming van gesmolten ijzer en slak door de onderste coke-gepakte bed laag voldoende gekwantificeerd. In waterstofverrijkte omgevingen varieert de reductiegraad van ijzerhoudende materialen, wat de FeO-inhoud in de slak, de ijzer-naar-slak volumeverhouding en de fysische eigenschappen van de smelten (viscositeit, dichtheid, oppervlaktespanning en interfaciale spanning) verandert. Eerdere studies gingen vaak uit van vaste slakcomposities of vloeistofaanvoercondities, waarbij zij er niet in slaagden rekening te houden met hoe reductie-afhankelijke eigenschappelijkheidsveranderingen het sturende mechanisme van slakafwatering kunnen verschuiven van een viscositeitsgecontroleerd regime naar een regime dat wordt gedomineerd door de interfaciale contactmorfologie en vloeistofretentie (liquid hold-up).

Methodologie
De studie maakte gebruik van driedimensionale multiphase Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) simulaties om het druppelgedrag van gesmolten ijzer en FeO–CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO slak binnen een gepakt bed van onregelmatige coke-deeltjes te modelleren.

• Schatting van Fysische Eigenschappen: Thermodynamische berekeningen (met FactSage) werden gebruikt om de slakcomposities en vloeibare fracties te bepalen voor drie reductiegraden ($R = 0,70, 0,90, 1,00$) en temperaturen (1300–1500 °C). Cruciale eigenschappen—dichtheid, viscositeit, oppervlaktespanning en de ijzer–slak interfaciale spanning—werden als functies van deze variabelen geschat. Opvallend genoeg werden de eigenschappen van het gesmolten ijzer constant gehouden om de effecten van variaties in de slakeigenschappen te isoleren.
• Simulatie-opstelling: Het cokebed werd gemodelleerd met een gemiddelde deeltjesdiameter van 0,0237 m. De vloeibare fasen werden intermittent vanuit de bovenste inlaat toegevoerd. De gasfase werd behandeld als een lege holte om hydrodynamische en interfaciale effecten te isoleren.
• Analyse-metrieken: De studie kwantificeerde de fase-retentie (phase holdup), de druppelingssnelheden van het zwaartepunt, de schijnbare contactoppervlakken (tussen ijzer, slak, coke en de holte) en een ijzer–slak mengindex. Een regressieanalyse werd uitgevoerd om de descriptoren te identificeren die de relatieve druppelingssnelheden van de twee fasen bepalen.

Belangrijkste Resultaten

1. Dubbele Regimes van Druppelgedrag: De simulaties onthulden twee verschillende regimes die de slakafwatering beheersen:
   • Viscositeitsgecontroleerd Regime ($R = 1,00$): Onder volledig gereduceerde condities was de slakviscositeit hoog (750–5500 mPa·s). In dit regime verminderde een stijgende temperatuur de viscositeit, wat de slakdruppelingssnelheid direct verhoogde. De ijzer- en slakfasen bleven ruimtelijk gescheiden vanwege de hoge interfaciale spanning.
   • Morfologiegecontroleerd Regime ($R = 0,70, 0,90$): Onder lagere reductiegraden was de slakviscositeit laag ($\le 110$ mPa·s) en de slakvolumefractie hoog. Tegenintuïtief genoeg leidde een lagere viscositeit niet altijd tot sneller druppelen. Bij $R=0,70$ en 1500 °C vertoonde de slak de laagste viscositeit, maar de langzaamste schijnbare druppelingssnelheid. Dit werd toegeschreven aan uitgebreid slak–coke contact, waarbij de laagvisceuze slak zich over het cokeoppervlak verspreidde of werd vastgehouden binnen het porienetwerk in plaats van verticaal af te dreneren.
2. Interfaciale Topologie: Een regressiemodel dat uitsluitend gebruikmaakte van slakviscositeit, interfaciale spanning en de volumeverhouding, faalde in het voorspellen van de ijzer-naar-slak snelheidverhouding ($R^2 = 0,148$). Het incorporeren van de ratio tussen het slak–coke contactoppervlak en het ijzer–coke contactoppervlak verbeterde de nauwkeurigheid van het model echter aanzienlijk ($R^2 = 0,943$). Dit demonstreert dat de geometrische contacttoestand tussen de smelt en de coke een primaire determinant is voor het afwateringsgedrag in condities met lage viscositeit en veel slak.
3. IJzer–Slak Mengen: Het specifieke ijzer–slak contactoppervlak en de mengindex namen af naarmate de reductiegraad toenam. Lagere reductiegraden ($R=0,70, 0,90$) bevorderden een hoger ijzer–slak contact door grotere slakfracties, terwijl volledig gereduceerde condities ($R=1,00$) resulteerden in duidelijke, fase-gescheiden stromingsstructuren. Interessant genoeg daalde bij $R=0,70$ en 1500 °C de mengindex aanzienlijk, ondanks de hoge fluiditeit, wat suggereert dat verhoogde fluiditeit de verspreiding op cokeoppervlakken bevorderde in plaats van het contact met gesmolten ijzer te behouden.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat de interfaciale contacttopologie de smeltafwatering en het reactieoppervlak in koolstofarme hoogovenoperaties significant beïnvloedt. De primaire bijdrage is de demonstratie dat druppelgedrag van slak niet uitsluitend verklaard kan worden door viscositeit, met name onder waterstofverrijkte condities waar de reductiegraden variëren.

• De studie stelt vast dat in regimes met lage viscositeit en veel slak, de schijnbare druppelingssnelheid wordt beheerst door de morfologische interactie tussen de slak en het cokebed (specifiek het slak–coke contactoppervlak) in plaats van door louter de viskeuze weerstand.
• Het biedt een kader dat de reductiegraad, de slakeigenschappen, de vloeistoffase-fractie en de interfaciale contactmorfologie met elkaar verbindt.
• De auteurs concluderen dat het evalueren van de permeabiliteit van de druppelingszone en de vloeistofretentie in waterstofverrijkte hoogovens vereist dat gecombineerde descriptoren (zoals het slak–coke contactoppervlak en de ijzer–slak menging) worden gebruikt, in plaats van enkel te vertrouwen op de slakviscositeit.

Beperkingen
De auteurs merken enkele beperkingen op: de druppelingssnelheid is een schijnbare migratiesnelheid gebaseerd op de beweging van het zwaartepunt in plaats van een werkelijke doorsnedestroom; het contactoppervlak is benaderd met kubieke cellen in plaats van echte gebogen interfaces; de wetting van coke–vloeistof werd vereenvoudigd tot een niet-bevochtigingsconditie (180° contacthoek); en de eigenschappen van gesmolten ijzer werden als constant aangenomen. Toekomstig werk wordt gesuggereerd om de effecten van het oppervlaktespanning van gesmolten ijzer, variaties in bevochtiging en vaste fracties te onderzoeken.