Electrical Conditions and their Process Interactions in High Temperature Metallurgical Reactors (ElMet)

Design og drift av metallurgiske smelteovner er gradvis blitt forbedret basert på industriell erfaring, forskning, moderne prosesstyring, nye og/eller forbedrede målinger, osv. Prosessene er imidlertid svært kompliserte, og mange forhold er ikke tilstrekkelig forstått. En metallurgisk prosess krever svært mye energi. Normalt tilføres energien ved at kraftig elektrisk strøm, gjerne over 100 000 ampere, sendes gjennom ovnen. Strømbanene i ovnen er avhengig av elektrisk ledningsevne til råvarene, mellomprodukter og ferdig produsert metall i ovnen. Dette gir en sterk vekselvirkning mellom elektrisk strømfordeling, temperaturfordeling og kjemiske reaksjoner. I prosjektet, "Electrical Conditions and their Process Interactions in High Temperature Metallurgical Reactors (ElMet)," er matematisk modellering brukt for å øke innsikten. Forholdene i en smelteovn er beskrevet ved hjelp av matematiske ligninger. Ved videre matematiske omformuleringer (analyse) har vi fått innsikt i mange grunnleggende forhold og sammenhenger. De matematiske formlene har også gitt grunnlag for å kunne foreta beregninger/simuleringer ved bruk av moderne datautstyr og programvare. Prosjektet har tatt utgangspunkt i studier som vi og andre har gjort tidligere. I prosjektet har NORCE Norwegian Research Centre (NORCE) samarbeidet nært med bedriftene Elkem og Eramet, samt Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) og universitetene i Oxford (England) og Santiago de Compostela (Spania). Alcoa deltok fra starten av prosjektet, men trakk seg etter at de avsluttet sin satsing på å utvikle en karbotermisk prosess for produksjon av aluminium. ElMet-prosjektet har vært svært ambisiøst, tverrfaglig og utfordrende. Prosjektet har omfattet følgende: * Et doktorgradsprosjekt ved University of Oxford har fokusert på teoretisk forståelse av effektiv elektrisk og termisk ledningsevne i partikulære (bulk) materialer. * Karbonmaterialer har blitt studert ved CT-skan, noe som bl.a. har gitt innsikt i typisk antall kontaktpunkter mellom partikler, og type kontakt (punkt, flate, ...). * Prosjektet har også bidratt til utvikling og uttesting av metode ved NTNU for å måle elektrisk ledningsevne ved høye temperaturer. * Strømning av partikler har blitt studert ved å modellere kobling mellom enkeltpartikler ved bruk av DEM (Discrete Element Method). * Strømningsmønster fra DEM har så blitt koblet til elektrisk oppvarming og varmetransport i en modell for kalsinering (varmebehandling) av karbonmaterialer. * Innledende studier er også utført i en aksialsymmetrisk modell av smelteovn med kobling mellom mange effekter (partikkelflyt, elektrisk strøm, varmetransport, kjemiske reaksjoner). Dette arbeidet er videreført av NORCE innen SFI Metal Production. * En ansatt hos NORCE har tatt sitt doktorgradsstudium ved University of Santiago de Compostela. Hans forskning har vist at strøm- og effektfordelingen ved vekselstrøm (AC) kan avvike betydelig fra simuleringer basert på likestrøm (DC). De modellene han har utviklet, gir forbedret innsikt i mulige strømbaner mellom elektrodene, så vel som hvordan induserte strømmer i ovnsmantelen vekselvirker med induksjon i en elektrisk ledende (karbon) foring. Arbeidet har blitt forsinket pga. Covid-19, og ferdigstilles i 2021. * 3D elektriske simuleringsmodeller for typiske ferrosilisium- og ferromanganprosesser har blitt utviklet og testet, ved bruk av COMSOL Multiphysics. Beregningsmodellene kan lett tilpasses andre ovner/prosesser. * Case studier har vist typisk mønster for kraftige, induserte strømmer i ovnsmantelen. Slike induserte strømmer kan gi informasjon om indre strømbaner, noe som kan videreutvikles til metode for identifikasjon av indre elektriske forhold. * 2D og 3D modeller har vært benyttet for å utforske elektromagnetiske forhold i karbonelektroder, inkludert vekselvirkning mellom disse, og mot stålmantelen. I et review har vi studert tidligere 2D modeller og sammenlignet med mer fullstendige modeller i COMSOL. * Teknikk for metamodeller har blitt utviklet og testet i samarbeid NTNU, kybernetikk. Her kombineres fysisk baserte modeller med data dreven modellering. Slike modeller er egnet for on-line bruk, og anbefales videreutviklet for identifikasjon av indre elektriske forhold * Som en spin-off er det innen prosjektet laget et undervisningsopplegg for grunnleggende elektriske forhold i 3-fase smelteovner (presentasjon og kompendium). Gjennom ElMet-prosjektet har NORCE bygget opp god kompetanse til nytte for smelteverksindustrien. Prosjektresultater har løpende blitt presentert overfor prosjektpartnerne. I tillegg har det vært presentasjoner på møter innen SFI Metal Production, og på internasjonale konferanser. Viktige resultater er publisert i internasjonale fagtidsskrift. Publisering av resultater vil fortsette også etter at prosjektet ble avsluttet (desember 2020), bl.a. på INFACON XVI, Trondheim, september 2021.

Not Applicable

Mathematical modelling has successfully been applied for various aspects of metallurgical processes. Nevertheless, due to all complexities in the processes, the design and operation of smelting furnaces are still to a large degree empirically based, and several process variations are not properly understood. Representatives from Eramet and Elkem have identified a knowledge gap concerning the effects of 3-phase alternating current, including how the associated power distribution governs the chemical reactions and temperature distribution. Strong interdisciplinary research is required to deal with this challenge. Best available model competence must be combined with world-class metallurgical competence, including extensive industrial experience. In the project, Teknova will work in close cooperation with these companies together with NTNU, University of Oxford, and University of Santiago the Compostela. The project will develop suitable mathematical models based on in-depth understanding of the industrial challenges. Appropriate mathematical equations will be developed and analysed, followed by numerical simulations. Our experience has shown that comparatively simple models will improve the understanding and reveal what needs to be further examined, by more detailed simulations and/or experiments. The project will also propose and follow up experiments for model validation. The project will be linked to accompanying R&D activities in the companies with potentially large, step changing, metallurgical innovations. The project is anticipated to build up new, relevant, competence for studying existing, modified, and new high temperature processes. The results will be generalized for generic/similar problems and then published. The project will thus contribute significantly to the open, national competency within metallurgy. Impact on the Norwegian metallurgical industry will be secured through close cooperation with SFI Metal Production.