Томография показала деформацию рудных окатышей в зоне плавления доменной печи

Металлурги из Японии и Европы впервые совместили заводской рентгеновский компьютерный томограф с численным моделированием и увидели, как железорудные окатыши теряют форму, когда их нагревают под нагрузкой. Пока это лабораторный эксперимент, а не готовая техника для заводов, но метод уже обещает точнее подбирать сырьё и режимы плавки.

Три стадии деформации оболочки

В доменной печи руда проходит долгий путь: от комнатной температуры до полутора тысяч градусов, от оксидов к металлическому железу, от твёрдого куска к жидкости. Самый капризный участок — зона когезии, где слой окатышей только начинает размягчаться. Если поры между ними смыкаются раньше времени, газ перестаёт проходить равномерно, печь теряет устойчивость, растёт расход кокса и объём выбросов. Заглянуть внутрь этого слоя при 1500 °C напрямую невозможно — ни один томограф не выдержит.

Группа Шунго Нацуи из Университета Тохоку вместе с коллегами из Tata Steel Europe, Делфтского технического университета и японского AIST нашла обходной манёвр. Они поставили прерванные опыты: 350 г окатышей диаметром около 10 мм загрузили в графитовый тигель между слоями кокса, медленно нагрели до 1550 °C и в нужный момент резко охладили азотом, останавливая процесс на 1300, 1400 и 1550 °C. Каждый застывший «срез» отправили в промышленный рентгеновский томограф Hitachi с энергией 9 МэВ — он построил трёхмерную карту плотности с шагом 0,2 мм.

На томограммах отчётливо видны три стадии. При 1300 °C у окатыша остаётся твёрдая металлическая оболочка из железа — она держит вес вышележащих слоёв и не даёт слою схлопнуться. Внутри ещё сохраняется не восстановленный оксид железа. При 1400 °C в оболочке появляется жидкий шлак, железо с углеродом начинает плавиться, шлаковые компоненты стекают внутрь. А при 1550 °C всё окончательно плавится и стекает вниз — слой теряет несущую способность.

Исследователи не просто разглядывали картинки. Они взяли трёхмерные данные и настроили на них численную модель под названием Moving Particle Hydrodynamics — Implicit. В этой модели каждую частицу шихты — оболочку, ядро, кокс — описывают как вязкую среду с пределом текучести. Подбирая предел текучести оболочки, учёные добились, чтобы виртуальный слой сжимался и вытекал так же, как реальный на томограмме. Так родилась зависимость: с ростом температуры на каждые 135 °C предел текучести падает примерно в десять раз.

Авторы сами подчёркивают, что пока это проверка концепции на одной конкретной системе слоя окатышей. Все образцы перед съёмкой охлаждали — значит, томография показывает застывшую структуру, а не живой процесс. Охлаждение могло сжать поры, перераспределить жидкость и добавить артефактов. Модель считала размягчённые фазы почти несжимаемыми, а газовое сопротивление рассчитывали отдельно, не учитывая, как газ обратно влияет на деформацию. Никаких замеров реальных выбросов углекислого газа на производстве не проводили.

Представим условный пример: на заводе хотят проверить новую партию окатышей с повышенным содержанием оксида алюминия. Сейчас это выясняют экспериментами — плавят, меряют перепад давления и получают косвенный индекс. Метод Нацуи позволит по одному застывшему «срезу» и компьютерной симуляции предсказать, при какой температуре такая руда начнёт закупоривать газовые каналы. Но чтобы этот прогноз стал промышленным стандартом, подход придётся проверить на десятках разных составов руды и, главное, на действующей печи — с реальными данными по выбросам.

Тем не менее, методика уже показывает, что обычные тесты на сжатие слоя могут вводить в заблуждение: в лаборатории перепад давления растёт, а истинная причина — не просто сжатие слоя, а локальная перестройка пор, которую не видят обычные датчики. Томография с моделированием даёт картинку и расчёт сразу. Статья вышла 16 октября в журнале Scientific Reports. Те, кто готовит собственные исследования в области металлургии или смежных дисциплин, могут обратиться за помощью к специалистам по написанию научных статей.