University of Oulu

Mathematical modelling of chemical kinetics and rate phenomena in the AOD Process

Saved in:
Author: Visuri, Ville-Valtteri1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526216713
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2017
Publish Date: 2017-11-07
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (YB210), Linnanmaa, on 17 November 2017, at 12 noon
Tutor: Professor Timo Fabritius
Reviewer: Professor Johannes Schenk
Associate Professor Anders Tilliander
Opponent: Professor Lauri Holappa
Description:

Abstract

Argon-oxygen decarburisation (AOD) is the most common unit process for refining stainless steel. The AOD process consists of multiple stages, in which the rate of processing is determined by complex reaction mechanisms. The main objective of this work was to study the chemical rate phenomena in selected process stages. For this purpose, an extensive literature review was conducted to clarify the main assumptions of the existing reaction models. Based on the literature review, a new categorisation of the models was proposed. In addition, a literature review was conducted to identify the main phenomena that affect the reaction kinetics in the AOD process.

In this work, based on the law of mass action, a novel kinetic approach and its application for modelling of parallel mass transfer controlled reactions were studied. The developed approach enables the simultaneous solution of the chemical equilibrium and mass transfer rate which controls it. A simplified reaction model was employed for studying the effect of mass transfer rates and residual affinity on the constrained equilibrium at the reaction interface.

An earlier-proposed AOD model was extended with two phenomenon-based sub-models. The top-blowing model is based on the assumption that reactions take place simultaneously at the surface of the cavity formed by the momentum of the gas jet and on the surface of the metal droplets caused by the shear force of the gas jet. The reduction model describes the reactions during the reduction stage of the AOD process by assuming that all reactions take place between the metal bath and emulsified slag droplets. The results obtained with the models were in good agreement with the measurement data collected from a steel plant. Owing to their phenomenon-based structure, the developed models are well-suited for the analysis of both existing and new production practices.

see all

Tiivistelmä

Argon-happimellotus (AOD) on yleisin ruostumattoman teräksen valmistamiseen käytettävä yksikköprosessi. AOD-prosessi koostuu useista vaiheista, joissa prosessointinopeutta määrittävät monimutkaiset reaktiomekanismit. Tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia kemiallisia nopeusilmiöitä valituissa prosessivaiheissa. Tähän liittyen tehtiin kattava kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena oli tunnistaa olemassa olevien reaktiomallien pääoletukset. Kirjallisuuskatsauksen pohjalta esitettiin uusi mallien kategorisointi. Lisäksi tehtiin kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena oli tunnistaa tärkeimmät reaktiokinetiikkaan vaikuttavat ilmiöt AOD-prosessissa.

Tässä työssä tutkittiin uudenlaista massavaikutuksen lakiin perustuvaa lähestymistapaa sekä sen soveltamista rinnakkaisten aineensiirron rajoittamien reaktioiden mallinnukseen. Kehitetty lähestymistapa mahdollistaa kemiallisen tasapainotilan sekä sitä rajoittavan aineensiirron samanaikaisen ratkaisun. Aineensiirtonopeuksien ja jäännösaffiniteetin vaikutusta reaktiopinnalla vallitsevaan rajoitettuun tasapainotilaan tutkittiin käyttämällä yksinkertaistettua reaktiomallia.

Aiemmin kehitettyä AOD-mallia laajennettiin kahdella ilmiöpohjaisella alimallilla. Lanssipuhallusmalli perustuu oletukseen, että reaktiot tapahtuvat samanaikaisesti kaasusuihkun liikemäärän muodostaman tunkeuman ja kaasusuihkun leikkausvoiman aiheuttamien metallipisaroiden pinnalla. Pelkistysmalli kuvaa AOD-prosessin pelkistysvaiheen aikana tapahtuvia reaktioita olettaen, että kaikki reaktiot tapahtuvat terässulan ja emulgoituneiden kuonapisaroiden välillä. Malleilla saadut tulokset vastasivat hyvin terästehtaalta kerättyä mittausaineistoa. Ilmiöpohjaisen rakenteensa ansiosta kehitetyt mallit soveltuvat hyvin sekä olemassa olevien että uusien tuotantopraktiikoiden analysoimiseen.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1671-3
ISBN Print: 978-952-62-1670-6
Issue: 625
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2017. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.