Αnalysis and multiscale modelling of the dynamical behavior in an Electric submerged Arc Furnace - Καραλής, Κωνσταντίνος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών. Τομέας Μεταλλουργίας και Τεχνολογίας Υλικών, 2016)
Η πυρομεταλλουργική παραγωγή σιδηρονικελίου από νικελιούχους λατερίτες πραγματοποιείται μέσω της αναγωγικής φρύξης των μεταλλευμάτων σε περιστροφικές καμίνους και εν συνεχεία την αναγωγική τήξη σε ηλεκτρικές καμίνους εμβαπτισμένου τόξου (Η/Κ). Η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι εστιασμένη στην πολυεπίπεδη προσομοίωση της ηλεκτρικής καμίνου εμβαπτισμένου τόξου (Η/Κ) μέσω προσομοιώσεων Reverse Monte Carlo, κλασικής και κβαντικής μοριακής δυναμικής (MD και QMD αντίστοιχα) και υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Η ερευνητική έμφαση ήταν επί της λειτουργίας των Η/Κ μια και η λειτουργία των τελευταίων αποτελεί το πλέον περίπλοκο και ενεργοβόρο στάδιο παραγωγής σιδηρονικελίου. Η διεργασία της αναγωγικής τήξης σε ηλεκτρικές καμίνους εμβαπτισμένου τόξου συνδυάζει φυσικοχημικά φαινόμενα τήξης, χημικών αντιδράσεων και φαινόμενα ροής, μετάδοσης θερμότητας και μαγνητισμού. Λόγω του μεγάλου μεγέθους και των ιδιαιτέρως υψηλών θερμοκρασιών των Η/Κ, η πραγματοποίηση απευθείας βιομηχανικών μετρήσεων και δοκιμών είναι πρακτικά αδύνατη. Συνεπώς είναι απαραίτητη η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού μοντέλου μέσω του οποίου θα μπορεί να υπολογιστεί επαρκώς και αξιόπιστα ο τρόπος λειτουργίας των ηλεκτρικών καμίνων, προκειμένου να προβλεφθούν/επιλυθούν τα φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα. Για την προσομοίωση της ηλεκτρικής καμίνου εμβαπτισμένου τόξου χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι πεπερασμένων όγκων και πεπερασμένων στοιχείων μέσω των υπολογιστικών αλγορίθμων ANSYS Fluent και COMSOL Multiphysics. Το αποτέλεσμα των προσομοιώσεων αυτών παρείχαν πληροφορίες αναφορικά με την κατανομή του ηλεκτρικού δυναμικού, της θερμότητας Joule, των θερμοκρασιών καθώς και της πυκνότητας ρεύματος και της τήξης. Τα αποτελέσματα επικυρώθηκαν μέσω της σύγκρισης με βιομηχανικές μετρήσεις (π.χ. θερμοκρασία σκωρίας) υποδεικνύοντας ότι μπορεί να περιγράψει με μεγάλη ακρίβεια τη λειτουργία των Η/Κ. Για την ανάπτυξη του μοντέλου υπολογιστικής ρευστομηχανικής απαιτούνται δεδομένα αναφορικά με τις ιδιότητες των υλικών που υπάρχουν στην ηλεκτρική κάμινο σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. Το κύριο υλικό το οποίο επηρεάζει την λειτουργία των ηλεκτρικών καμίνων είναι η σκωρία και για το σκοπό αυτό τα σχετιζόμενα φαινόμενα μεταφοράς (π.χ. πυκνότητα, ιξώδες, ηλεκτρική αγωγιμότητα κ.α.) προσδιορίστηκαν μετά από δειγματοληψίες και εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών καθώς επίσης και με εφαρμογή τεχνικών inverse modelling (Reverse Monte Carlo), καθώς και κλασικής και κβαντικής μοριακής δυναμικής. Αρχικά προσδιορίστηκε η δομή μικρής/βραχείας εμβέλειας (short-range order) τηγμάτων σκωρίας μέσω προσομοιώσεων inverse modelling χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα περίθλασης υψηλής ενέργειας ακτίνων Χ σε αιωρούμενα δείγματα καθώς και περίθλασης νετρονίων. Στη συνέχεια, οι ιδιότητες μεταφοράς στερεών και υγρών δειγμάτων προσδιορίστηκαν μέσω προσομοιώσεων κλασικής μοριακής δυναμικής. Ωστόσο, καθώς αρκετές παράμετροι του δυναμικού αλληλεπίδρασης οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση αυτών των προσομοιώσεων ήταν άγνωστες, προτάθηκε μια νέα μέθοδος προσδιορισμού αυτών μέσω του ταιριάσματος των συναρτήσεων κατανομής ζευγών της μοριακής δυναμικής με αυτές οι οποίες προσδιορίστηκαν μέσω προσομοιώσεων RMC. Χρησιμοποιώντας αυτές τις παραμέτρους, οι ιδιότητες μεταφοράς τηγμάτων σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών υπολογίστηκαν και βρέθηκαν σε συμφωνία τόσο με πειραματικές μετρήσεις όσο και με εμπειρικά μοντέλα. Επίσης, βρέθηκε ότι οι παράμετροι του δυναμικού αλληλεπίδρασης οι οποίες προσδιορίστηκαν, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μεγάλο εύρος χημικών συστάσεων και θερμοκρασιών (δυνατότητα μεταφοράς του δυναμικού). Από τις προσομοιώσεις RMC προσδιορίστηκε η δομή βραχείας τάξεως (ενδοατομικές αποστάσεις έως περίπου 7Å) σε δείγματα ρευστής και στερεής σκωρίας χρησιμοποιώντας τον υπολογιστικό κώδικα RMC++. Για την πραγματοποίηση των προσομοιώσεων RMC χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα περίθλασης υψηλής ενέργειας ακτίνων Χ και επιπροσθέτως εξετάστηκε η επίδραση των δεδομένων περίθλασης νετρονίων στην τελική προσδιοριζόμενη δομή. Τα πειράματα σκέδασης πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη BL04B2 στο Spring8 της Ιαπωνίας και στον πυρηνικό αντιδραστήρα ισχύος 10 MW του Wigner Research Centre for Physics (WRCP) στην Βουδαπέστη, Ουγγαρία. Λόγω των περιορισμών οι οποίοι τέθηκαν στο σύστημα (ελάχιστες δυνατές αποστάσεις ατόμων) μέσω βιβλιογραφικών αναφορών καθώς και της επιτυχημένης διόρθωσης των δεδομένων φάσματος, επετεύχθη υψηλός βαθμός προσαρμογής (μέγιστο σφάλμα μικρότερο από 5 %) μεταξύ του πειραματικού και υπολογιστικά προσδιοριζόμενου συντελεστή δομής. Αξίζει να σημειωθεί πως στις προσομοιώσεις inverse modelling (RMC) για μελέτη συστημάτων αποτελούμενα έως τέσσερα χημικά στοιχεία (στην συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή εξετάστηκε σύστημα αποτελούμενο από οκτώ χημικά στοιχεία), ως αποδεκτές ορίζονται αυτές oι προσομοιώσεις στις οποίες το σφάλμα προσαρμογής (fitting) είναι μικρότερο του 10 %. Λόγω της ύπαρξης πολλών χημικών στοιχείων στο υπό εξέταση σύστημα (Fe, Si, Al, Mg, Ca, Cr, Cu, και O), εγχείρημα το οποίο πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά στην παγκόσμια βιβλιογραφία, το πρώτο στάδιο ήταν η εύρεση της επίδρασης του πλήθους ατόμων 3000 – 10000 στην τελικά προσδιοριζόμενη δομή όπου διαπιστώθηκε οτι η χρήση συμπλεγμάτων των 3000 ατόμων μπορεί να περιγράψει με ακρίβεια τη δομή τήγματος σκωρίας και της υάλου της. Κυρίαρχο χαρακτηριστικό της δομής της ρευστής σκωρίας ήταν η παρουσία τετραέδρων πυριτίου SiO4 καθώς και των πυριτικών αλυσίδων οι οποίες προσδιορίστηκαν μέσω της εξέτασης των γωνιών Si-O-Si οι οποίες αναφέρονται στα οξυγόνα τα οποία λειτουργούν ως συνδέτες/αντικαταστάτες τετραέδρων πυριτίου. Η δομή της υάλου σκωρίας εξετάστηκε προκειμένου να προσδιοριστεί εάν διαφέρει σημαντικά από αυτή του τήγματος ώστε σε μελλοντική έρευνα να εξετάζονται δείγματα υάλων σκωρίας και όχι τήγματα τα οποία είναι δύσκολα στην διαχείριση τους. Κύρια διαφοροποίηση μεταξύ της δομής κατά την ταχεία στερεοποίηση του τήγματος σκωρίας προς την δημιουργία της υάλου είναι η μείωση των μη συνδεόμενων οξυγόνων (Non Binding Oxygens, NBOs) τα οποία δεν είναι συναρμοζόμενα εντός του πρώτου φλοιού συνδιάταξης. Πιο συγκεκριμένα, τα άτομα Ο τα οποία δεν γεφυρώνουν κατιόντα (δηλ. τα NBOs) μειώθηκαν από 14.6 % σε 9.2 % ενώ τα Ο τα μη συναρμοζόμενα με άλλα άτομα μειώθηκαν από το 5.5 % στο 1.8 %. Όπως προαναφέρθηκε μέσω των αποτελεσμάτων ανάστροφης μοντελοποίησης προσδιορίστηκαν οι παράμετροι του δυναμικού αλληλεπίδρασης Buckingham προκειμένου να χρησιμοποιηθεί σε προσομοιώσεις κλασσικής μοριακής δυναμικής και να υπολογιστούν οι δομικές και δυναμικές ιδιότητες της σκωρίας σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Η πυκνότητα της σκωρίας στο θερμοκρασιακό εύρος 273.15 – 1773.15 K προσδιορίστηκε σε 3353±14 − 2966±12 kg/m3 σε συμφωνία με πειραματικές μετρήσεις οι οποίες πραγματοποιήθηκαν μέσω της μεθόδου της ληκύθου και μέσω της αεροδυναμικής αιώρησης τήγματος. Επίσης, η ιοντικού τύπου ηλεκτρική αγωγιμότητα της σκωρίας στο ίδιο θερμοκρασιακό εύρος βρέθηκε να είναι σε πλήρη συμφωνία με πειραματική μέτρηση η οποία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Conditions Extrêmes et Matériaux: Haute Température et Irradiation Site Haute Température στο Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Τέλος, ο μέσος συντελεστής θερμικής διαστολής και η θερμοχωρητικότητα στο θερμοκρασιακό εύρος 1273.15 − 2273.15 K υπολογίστηκε σε 12.5∙10−5 και 1668.6 J/(kg∙K) σε συμφωνία με βιβλιογραφικές αναφορές. Ο τελικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η κατασκευή ενός μαθηματικού μοντέλου το οποίο προσομοιώνει τη λειτουργία των ηλεκτρικών καμίνων εμβαπτισμένου τόξου. Μέσω των προσομοιώσεων υπολογιστικής ρευστομηχανικής, προσεγγίστηκε η λειτουργία των ηλεκτρικών καμίνων εμβαπτισμένου τόξου και βρέθηκε ότι οι κύριες ιδιότητες οι οποίες επηρεάζουν την λειτουργία τους είναι η πυκνότητα, το ιξώδες και η ηλεκτρική αγωγιμότητα διαπιστώνοντας ότι οι τελευταίες δυο ιδιότητες είναι άμεσα συνδεδεμένες. Οι τιμές των ιδιοτήτων των υλικών όπως του σιδηρονικελίου, των ηλεκτροδίων και των πυροτούβλων ελήφθησαν από βιβλιογραφικά δεδομένα ή προσδιορίστηκαν κατά το στάδιο εκτέλεσης των βιομηχανικών δοκιμών και οι τιμές των ιδιοτήτων της σκωρίας ελήφθησαν και από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων κλασικής μοριακής δυναμικής. Μέσω των προσομοιώσεων ρευστοδυναμικής προσδιορίστηκαν και οι κύριες διαδρομές του ηλεκτρικού ρεύματος υποδεικνύοντας ότι η προτιμητέα διαδρομή είναι μέσω του σιδηρονικελίου όταν το βάθος εμβάπτισης είναι 60 cm. Αποδείχθηκε ότι η ως άνω διαδρομή ευνοείται από την αύξηση του βάθους εμβάπτισης των ηλεκτροδίων καθώς μειώνεται η απόσταση μεταξύ της κατώτερης επιφάνειας των ηλεκτροδίων και της ανώτερης του στρώματος του σιδηρονικελίου. Επίσης, η αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας της σκωρίας βρέθηκε να ευνοεί το φαινόμενο της τήξης λόγω της αύξησης της θερμότητας Joule η ο οποία παράγεται στο στρώμα της σκωρίας. Οι τιμές των αδιάστατων αριθμών Péclet και Reynolds έδειξαν ότι η ταχύτητα της σκωρίας έχει καθοριστικό ρόλο στη μετάδοση της θερμότητας και ότι η ροή της σκωρίας είναι στρωτή. Τέλος, βρέθηκε ότι οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις (Lorentz) και οι φυσαλίδες CO οι οποίες παράγονται από την αναγωγή των ηλεκτροδίων Söderberg είναι αμελητέες στην ανάδευση του λουτρού.