Development of a numerical model for the heat and mass transport in an electric arc furnace freeboard

Gruber, Jacqueline; Pfeifer, Herbert; Kirschen, Marcus; Krüger, Klaus

doi:35472

Development of a numerical model for the heat and mass transport in an electric arc furnace freeboard = Entwicklung eines numerischen Modells zur Untersuchung des Wärme- und Stofftransports in einem Lichtbogenofen oberhalb der schmelze

Gruber, Jacqueline^RWTH*

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Dipl.-Ing. Jacqueline Christina Gruber from Johannesburg, South Africa

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlagshaus Mainz GmbH 2015

Umfangxii, 147 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-087-2

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Pfeifer, Herbert (Thesis advisor)^RWTH* ; Krüger, Klaus (Thesis advisor) ; Kirschen, Marcus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-019095
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/571222/files/571222.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/571222/files/571222.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; electric arc furnace (frei) ; steel production (frei) ; numerical model (frei) ; heat and mass transport (frei) ; CFD (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Thema dieser Dissertation ist die Entwicklung eines numerischen Modells zur Untersuchung des Wärme- und Stofftransports in einem Lichtbogenofen oberhalb der Schmelze. Europäische Stahlhersteller müssen mit steigenden Kosten und strengen umweltrechtlichen Regelungen zurechtkommen. Eine Steigerung der Energieeffizienz im LBO durch eine Reduzierung der Kühlungs- und Abgasverluste kann helfen den Herausforderungen gerecht zu werden. Dieses kann erreicht werden, indem die Verbrennung des im Ofengefäß vorhandenen CO und H2 verbessert wird. Ein vertieftes Verständnis der Mechanismen, die zu unerwünschten Abgasen führen, kann die Entwicklung neuer Methoden zur Vermeidung dieser Abgase erleichtern. Das langfristige Ziel ist daher die Erzeugung eines numerischen LBO Modells, mit dem der Einfluss von Prozessänderungen auf das Strömungsfeld, den Energietransport und die chemischen Reaktionen oberhalb der Schmelze untersucht werden kann. Das aktuelle Ziel ist eine qualitative Untersuchung des Einflusses des Lichtbogenbereiches auf die Nachverbrennung innerhalb des Ofens. Zusätzlich dazu wird die Auswirkung einer Veränderung der Dicke der geschäumten Schlackenschicht auf die Nachverbrennung im Ofengefäß untersucht.Das LBO Modell stellt die Flachbadphase des Stahlprozesses in einem Lichtbogenofen während des Betriebs der AC Lichtbögen für quasi-stationäre Wärmeverlustbedingungen dar. Der LBO hat eine Transformatorleistung von 90 MVA, ein Abstichgewicht von 100 Tonnen und einen Ofendurchmesser von 6,1 m.Ein vereinfachtes zeitgemitteltes Lichtbogen-Modell auf Basis des Kanalmodells ist zur Einbringung des Einflusses dieses Bereiches auf die Zustände im Ofen entwickelt worden. Die Plasmabögen sind nicht im Lösungsbereich enthalten. Sie werden stattdessen von unterteilten zylindrischen Oberflächen modelliert, die von den Elektrodenspitzen bis zur Badoberfläche reichen. Dieses Modell beinhaltet nicht nur den Energieeinsatz wegen der intensiven Wärmestrahlung, sondern auch den kinetischen Energieeinsatz wegen der Ein- und Ausströmung aus den Lichtbögen und die Erwärmung des in die Lichtbögen eingezogenen Gases. Die Graphit-elektroden sind Teil des Lösungsbereiches, wobei die joulesche Erwärmung der Elektroden berücksichtigt wird. Für die Energiebilanz der Simulation repräsentiert die Summe des Energiebeitrags durch den Lichtbogenbereich und die joulesche Erwärmung der Elektroden den Energieeinsatz des elektrischen Sekundär-kreislaufes. Diese Summe ist kleiner als der reale Wert, da es zusammen mit den anderen Energiequellen im Ofengefäß die quasistationären Energieverluste ausgleicht. Das DO- thermische Wärmestrahlungs-modell, welches in ANSYS FLUENT (Version 14.5) zur Verfügung steht, wird angewendet. Dabei wird der Absorptionskoeffizient der Ofenatmosphäre anhand des „weighted-sum-of-grey-gases“ Modell berechnet. Zur Simulation des Stofftransports und der chemischen Reaktionen wird die Option Spezies Transport mit volumetrischen Reaktionen und die Modellierungsmethode Finite-rate/Eddy-dissipation für die Interaktion der kinetischen Reaktionsgeschwindigkeit und der turbulenten Durchmischung verwendet. Die Ofenatmosphäre besteht aus CO, CO2, H2O, N2 und O2. Die Nachverbrennung wird anhand der vereinfachten Wassergas-reaktion, welches in FLUENT verfügbar ist, modelliert. Die turbulente Strömung wird mit dem Realizable k-ε Modell und der wandnahe Bereich mit den Standard Wandfunktionen modelliert.Die Geometrie umfasst die oberste Schicht des Bades, bis zum ersten Abschnitt des Abgastraktes nach dem Nachverbrennungsspalt. Die oberste Schicht des Bades und die geschäumte Schlackenschicht werden als Feststoffe modelliert. Diese erlauben es, die Umverteilung der absorbierten Wärme von den Lichtbögen nach unten hin näherungsweise abzubilden, welches zu einer entsprechenden Temperaturverteilung auf der Oberfläche der geschäumten Schlackenschicht führt. Brenner, Lanzen und Injektoren sind zurzeit nicht im Modell enthalten. Die Entkohlung des Bades wird durch eine homogene CO Quelle an der Oberfläche der Schlackenschicht berücksichtigt. Ein durchschnittlicher Elektrodenverbrauch wird mithilfe einer CO Quelle und entsprechenden O2 Senke an den Elektrodenoberflächen modelliert. Eine Lufteinströmung durch die Schlackentür, den Dachspalt, die Elektrodenspalten und durch den Nachverbrennungsspalt nach dem Krümmer wird berücksichtigt. Es wird angenommen, dass wegen der Elektrodenkühlung an den Elektrodenspalten Dampf in das Ofengefäß eindringt. Das Obergefäß, der Deckel, der Krümmer und der Abgasentzug werden durch wasserdurchflossene Wandpaneele gekühlt. Die Wände des Untergefäßes, der Abstich-Erker und mittlere Bereich des Daches bestehen aus Feuerfestmaterial und verlieren an Ihren äußeren Oberflächen durch natürliche Konvektion und Wärmestrahlung Wärme an die Umgebung.Die Simulationsergebnisse werden zur Untersuchung des Einflusses der Lichtbogenmodellierung auf die Bedingungen im Ofen verwendet. Darüber hinaus wird untersucht, inwiefern der Einfluss des Lichtbogenbereichs auf die Nachverbrennung von CO zu CO2 im Ofengefäß sich verändert, wenn die frei-brennende Lichtbogenlänge von 230 mm auf 50 mm verringert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Mitberücksichtigung der Ein- und Ausströmung in die Lichtbögen einen sehr großen Einfluss auf das Strömungsfeld, die Temperaturverteilung und die Nachverbrennung hat. Die zusätzliche kinetische Energie und die erhöhten Temperaturen wegen der Erhitzung des in die Lichtbögen eingezogenen Gases führen zu einer erhöhten Zirkulation im Ofengefäß und zu einer Erhöhung der Umsetzung von CO zu CO2. Dieses entspricht insgesamt einer Erhöhung des simulierten Energieeintrages in den Lösungsbereich von 4.42 MW. Eine dickere Schlackenschicht beschützt die Wandpaneele vor der intensiven Wärmestrahlung der Lichtbögen und führt zu einer reduzierten Interaktion zwischen der Strömung im Lichtbogenbereich und im Ofengefäß. Dieses beeinflusst die Vermischung von CO mit der Einströmenden Falschluft, sodass eine Verringerung der Nachverbrennung erfolgt. Eine Veränderung der frei-brennenden Lichtbogenlänge von 230 mm auf 50 mm führt somit insgesamt zu einer Reduzierung der eingebrachten Energie von 3.22 MW. Das entwickelte LBO Modell liefert wertvolle Erkenntnisse, die zum Verständnis der Wärme- und Stofftransportphänomene im Ofengefäß beitragen. Die Ergebnisse haben zu wichtigen Schlussfolgerungen hinsichtlich der langfristigen Weiterentwicklung des Modells geführt.

The topic of this thesis is the development of a numerical model to investigate the heat and mass transport in an EAF freeboard. Some of the challenges presently faced by European steelmakers are increasing costs for raw materials and energy, as well as strict environmental policies. These can be addressed by improving the energy efficiency of the EAF steelmaking process by reducing off-gas and cooling losses. This can be achieved by increasing the degree of combustion of CO and H2 in the furnace freeboard. A better understanding of the mechanisms that cause unwanted emissions during the steelmaking process can also help to develop new methods to reduce pollutants. The long term motivation behind the topic of this thesis is therefore to create a numerical EAF model with which the influence of process innovations on the fluid flow field, energy transport and chemical reactions within the freeboard of an electric arc furnace can be analysed. At this stage, the main objective is to qualitatively investigate the influence of the arc region on the amount of post-combustion within the freeboard. The effect of a change in the foamy slag height on the resulting amount of post-combustion is also investigated.The numerical EAF model represents the power-on/flat-bath stage of the steelmaking process in an exemplary AC electric arc furnace for quasi-steady state heat loss conditions. The AC EAF has a capacity of 100 tons of steel, a transformer rating of 90 MVA and and an inner vessel diameter of 6.1 m. A simplified time-averaged arc model based on the channel arc model was developed in order to include the influence of the arc region on the conditions within the freeboard. The plasma arcs are not part of the solution domain, but are represented as segmented cylindrical surfaces extending from each electrode tip to the bath surface. In contrast to previous models, this simplified arc model includes not only the energy input due to the intense thermal radiation, but also the kinetic energy input due to the arc in- and outflow as well as the energy input due to the heating of the entrained furnace atmosphere in the arcs. The graphite electrodes are part of the solution domain, whereby the Joule heating due to the AC current flowing through the electrodes is taken into account. For the energy balance of the solution domain the energy input from the arc region plus the Joule heating in the electrodes represents the electric power input from the secondary circuit. This energy contribution is much smaller than the true electric power input, as it equates the amount needed, in addition to the other energy inflows, to cover the stationary power losses. The discrete ordinates thermal radiation model available in the CFD code ANSYS FLUENT (Version 14.5) was chosen to model the thermal radiation exchange, whereby the thermal radiation absorption coefficient of the furnace atmosphere is calculated with the weighted-sum-of-grey-gases-model. Species transport with volumetric reactions and the finite-rate/eddy dissipation turbulence chemistry interaction is used to calculate the mass transfer and chemical reactions within the freeboard. The furnace atmosphere is defined to be a mixture of CO, CO2, H2O, N2 and O2. The post combustion of CO to CO2 is simulated according to the gas-shift reaction available for the oxidation of CO in FLUENT. The realizable k-ε model with standard wall functions for the near wall treatment was selected to simulate the turbulent viscous flow. The geometry of the EAF model extends from the uppermost layer of the metal bath to the beginning of the off-gas extraction downstream of the post-combustion gap. The foamy slag is modelled as a solid layer and the top layer of the bath, also considered as a solid, is included. These two layers allow the simulation of downward absorption and redistribution of energy from the arc region, which is reflected by the resulting temperature distribution at the foamy slag layer surface. Burners, lances or injectors are not included at present. The decarburization of the molten metal bath is taken into account by the definition of a homogenous source of CO at the surface of the foamy slag layer. An average value for the graphite electrode consumption is modelled by a corresponding CO source and O2 sink at the electrode surfaces. Ingress air is defined to enter the freeboard through the slag door, roof gap and electrode gaps and air flows in at the post-combustion gap. It is assumed that a small amount of steam enters the vessel through the electrode gaps due to electrode cooling. The upper vessel, roof, exhaust elbow and exhaust extraction are cooled by water cooled panels. The walls of the lower vessel, balcony and roof delta zone are defined to consist of refractory material and are cooled by natural convection and thermal radiation to the ambient on the outside of the vessel.The results obtained with the numerical EAF model are used to evaluate the influence of the inclusion of the energy input due to the heating and increase in momentum of the furnace atmosphere drawn into and flowing out of the arc region on the conditions within the freeboard. Furthermore, the impact of the arc region flow on the post-combustion of CO to CO2 in the freeboard for a free-burning arc length of 230 mm is compared to that for a free-burning arc length of only 50 mm.The modelling of the arc region has a large influence on the flow field, temperature distribution and post-combustion. The results show that due to the inclusion of the arc in- and outflow a total increase in the simulated energy input within the vessel of 4.42 MW results. This is due to the correspondingly higher temperatures and circulation leading to an increase in the post-combustion of CO to CO2 within the freeboard. The inclusion of the arc in- and outflow should therefore not be neglected in future EAF models. An increased slag height not only protects the cooling panels from the thermal radiation of the arcs. It also leads to a reduction in the interaction between the flow in the arc region and in the freeboard. This in turn reduces the amount of mixing of CO from the slag layer with the ingress air and therefore also the amount of post-combustion in the freeboard. As a result a decrease in the free-burning arc length from 230 mm to 50 mm leads to a reduction in the total energy input within the solution domain of 3.22 MW. The numerical EAF simulation model developed during this thesis delivers valuable information which helps one to understand the heat and mass transfer processes taking place within the EAF freeboard. Furthermore, several important insights were gained concerning necessary future developments of the model.

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