مجله بین‌المللی انجمن آهن و فولاد ایران

مجله بین‌المللی انجمن آهن و فولاد ایران

رفتار استحکام پذیری گندله‌ سنگ آهن در مقیاس پایلوت: رویکرد دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
10.22034/ijissi.2026.549886.1221
چکیده
گندله‌های سنگ‌آهن به دلیل کیفیت یکنواخت، استحکام مکانیکی بالا و سهولت حمل‌ونقل، به مهم‌ترین ماده اولیه مصرفی در فرایندهای مدرن تولید آهن تبدیل شده‌اند. فرایند سخت‌سازی (Induration) که شامل مراحل خشک‌کردن، پیش‌گرمایش، پخت و خنک‌سازی است، نقش اساسی در دستیابی به این ویژگی‌های مطلوب ایفا می‌کند. در این میان، مرحله پخت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا فرآیندهای تبلور مجدد و زینترینگ گندله‌ها عمدتاً در این مرحله رخ می‌دهد. یکی از واکنش‌های کلیدی در این فرآیند، اکسیداسیون مگنتیت است که علاوه بر تقویت پیوندهای داخلی از طریق تشکیل هماتیت، در تأمین تعادل حرارتی کوره نیز نقش دارد. تکمیل این واکنش برای کاهش مقدار اکسید آهن فرو (FeO) باقیمانده ضروری است، زیرا میزان FeO تأثیر مستقیمی بر احیاپذیری و استحکام فشاری سرد (CCS) گندله‌ها دارد. برای شبیه‌سازی شرایط صنعتی پخت گندله، معمولاً از آزمایش‌های پایلوت در بستر ثابت استفاده می‌شود. با این حال، این آزمایش‌ها به دلیل ناهمگنی شعاعی در تخلخل بستر و توزیع جریان گاز، اغلب با پراکندگی قابل توجهی در نتایج همراه هستند. نتایج این پژوهش نشان داد که در ارتفاع‌های مشابه از بستر، گندله‌های مجاور دیواره در مرحله پخت به طور متوسط حدود ۶۰ درجه سانتی‌گراد دمای بیشتری نسبت به گندله‌های واقع در مرکز بستر تجربه می‌کنند و این اختلاف دما تا ۲۳ دقیقه ادامه می‌یابد. این اختلاف حرارتی موجب شد میزان تبدیل مگنتیت به هماتیت در نواحی نزدیک به دیواره حدود ۳ تا ۶ درصد بیشتر از ناحیه مرکزی باشد؛ موضوعی که از طریق اندازه‌گیری FeO باقیمانده تأیید شد. همچنین آزمون استحکام فشاری سرد روی ۳۵ گندله منتخب نشان داد که گندله‌های مجاور دیواره، بسته به ارتفاع بستر، دارای استحکامی بین ۱۴ تا ۵۶ کیلوگرم بر گندله بیشتر از گندله‌های مرکزی هستند. چنین تفاوت‌هایی معمولاً در مدل‌های یک‌بعدی نادیده گرفته می‌شود، زیرا این مدل‌ها تخلخل و جریان گاز را در کل بستر یکنواخت فرض می‌کنند. در مقابل، مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) دوبعدی و متقارن محوری با در نظر گرفتن تغییرات شعاعی تخلخل و سینتیک واکنش اکسیداسیون مگنتیت، تصویر دقیق‌تری از فرآیند ارائه می‌دهد. مدل CFD توسعه‌یافته در این مطالعه توانست پروفیل‌های دمایی و میزان تبدیل را با دقت بالا بازتولید کند، به‌طوری‌که حداکثر اختلاف آن با داده‌های آزمایشگاهی پایلوت کمتر از ۵ درصد بود.
نتایج این تحقیق اهمیت اثر دیواره در واحدهای کوچک و متوسط پخت گندله را برجسته می‌کند؛ واحدهایی که بخش قابل توجهی از حجم بستر تحت تأثیر این پدیده قرار می‌گیرد. تفاوت در تاریخچه حرارتی گندله‌های نزدیک دیواره و گندله‌های مرکزی می‌تواند در صورت نمونه‌برداری نامناسب، به ارزیابی نادرست خواص متوسط محصول منجر شود. از این رو، درک کمی گرادیان‌های شعاعی و لحاظ کردن آن‌ها در مدل‌سازی و بهره‌برداری صنعتی، برای بهینه‌سازی فرآیند، توسعه مقیاس صنعتی و کنترل کیفیت تولید گندله سنگ‌آهن ضروری است.
کلیدواژه‌ها

[1] Halt J.A, Silva B.B, Kawatra S.K Miner, Process Extr Metall Rev. 2015; 36: 377.
[2] Forsmo S, Int J Miner Process. 2005; 75: 135.
[3] Forsmo S, Forsmo S,E, Samskog P,O, Björkman B, Powder Technol. 2008; 183: 247.
[4] Zhu D, Mendes V, Chun T, Pan J, Li Q, Li J, et al. ISIJ Int. 2011; 51(2): 214.
[5] Sarda A, Nithesh N, Krishna N, Shrivastva T, Prabhu A. 2014; 3(2): 10.
[6] Barati M, Int J Miner Process. 2008; 89: 30.
[7] Fan X.h, Yang G.m, Chen X.l, Gao L, Huang X.x, et al. Comput Chem Eng. 2015; 79: 80.
[8] Sadrnezhaad S, Ferdowsi A, Payab H, Comput Mater Sci. 2008; 44: 296.
[9] Küçükada K, Thibault J, Hodouin D, Paquet G, Caron S, Can Metall Q. 1994; 33: 1.
[10] Vortmeyer D, Winter R, Chem Eng Sci. 1984; 39: 1430.
[11] Bey O, Eigenberger G, Chem Eng Sci. 1997; 52: 1365.
 [12] Geissbühler L, Zavattoni S, Barbato M, Zanganeh G, Haselbacher A, et al. CHIMIA. 2015; 69: 799.
[13] Zhang Z, Guo Z, Ji S, J Energy Chem. 2015; 24: 23.
[14] Nouri S, Ebrahim H.A, Jamshidi E, Chem Eng J. 2011; 166: 704.
[15] Pahlevaninezhad M, Emami M.D, Panjepour M, Energy. 2014; 73: 160.
[16] Sardari A, Alamdari E.K, Noaparast M, Shafaei S.Z, Int J Miner Metall Mater. 2017; 24: 486.
[17] Yur’ev B.P, Dudko V.A, Nikonenko E.A, Russ Metall (Met). 2022; 5: 481.
[18] Salmani M, Alamdari E.K, Firoozi S, J Therm Anal Calorim. 2017; 128: 1385.
[19] Chen Z, Zeilstra C, Van Der Stel J, Sietsma J, Yang Y, Ironmak Steelmak. 2020; 47: 741.
[20] Xing L, Qu Y, Wang C, Shao L, Zou Z, et al. Metall Mater Trans B. 2020; 51: 395. 
[21] Alonso A, Lázaro M, Lázaro P, Lázaro D, J, Therm Anal Calorim. 2019; 138: 2703.
[22] Chen Z, Zeilstra C, Van Der Stel J, Sietsma J, Yang Y, ISIJ Int. 2020; 60: 65.
[23] Amani H, Alamdari E.K, Ale Ebrahim H, Estupinan A, Peters B, J Therm Anal Calorim. 2022; 147: 2293.
[24] Sardari A, Keshavarz Alamdari E, Noaparast M, Shafaei Z, Int J Min Geo-Eng. 2020; 54: 27.
[25] Zhang H, Bai K, Liu W, Chen Y, Yuan Y, Zuo H, et al. ISIJ Int. 2022; 62: 1792.
[26] Zheng H, Daghagheleh O, Ma Y, Taferner B, Schenk J, Kapelyushin Y, Metall Mater Trans B. 2023; 54: 1195.
[27] Gupta N, Sekhar C, Basha S.M, Kadhe D.M, Nallamilli M, Dwarapudi S, et al. Min Metall Explor. 2022; 39: 805-21.
[28] Amani H, Alamdari E.K, Moraveji M.K, Peters B, Particuology. 2024; 93: 75.
[29] Amani H, Alamdari E.K, Moraveji M.K, Estupinan A, Peters B, Ironmak Steelmak. 2022; 49: 615.
[30] Dave S, Patra S, Bapat Y, Banerjee G, Chattopadhyay S, JOM. 2023; 75: 2406.
[31] Duan S, Ding N, Wang S, Li B, Therm Sci. 2024; 00: 87.
[32] Küçükada K, Thibault J, Hodouin D, Paquet G, Caron S, Can Metall Q. 1994; 33: 1.
[33] Eppinger T, Seidler K, Kraume M, Chem Eng J. 2011; 166: 324.
[34] Zare Ghadi A, Valipour M.S, Biglari M, Ironmak Steelmak. 2016; 43: 418.
[35] Schotte W, AIChE J, 1960; 6: 63.
[36] Papanastassiou D, Bitsianes G, Metall Trans. 1973; 4: 477.
[37] Thurlby J, Metall Trans B. 1988; 19: 103.
[38] Fuller E.N, Schettler P.D, Giddings J.C, Ind Eng Chem. 1966; 58: 18.
[39] de Klerk A, AIChE J. 2003; 49: 2022.