Smelteovnens indre liv

De fleste av oss vet ikke mer om hva som skjer i en smelteovn enn at det er fryktelig varmt der inne. En forskergruppe ledet av NORCE har sammen med industrien kartlagt mer av de kompliserte prosessene som faktisk skjer inne i en metallurgisk smelteovn.

Sist oppdatert: 25. nov. 2020
Publisert 25. nov. 2020
Smelteovn v2
Skisse av en smelteovn for produksjon av (ferro)silisium. Illustrasjon: Þorsteinn Hannesson, «The Si Process. Drawings», Elkem Iceland, 2016.

Norge er en stor metallprodusent, og metallindustrien er en av våre største eksportindustrier. Industrien bruker elektriske smelteovner for å omdanne råmateriale - som for eksempel kvarts, kull, koks, metallmalmer og kalkstein - til et flytende materiale som helles i former eller tilsettes andre materialer for å lage legeringer.

Design og drift av metallurgiske smelteovner gjennomgår kontinuering forbedring basert på erfaringer i industribedriftene, forskning, moderne prosesstyring og forbedrede målinger. For å utvikle produksjonen, og gjøre den mer bærekraftig og energieffektiv, er det viktig å forstå mer av de kompliserte prosessene som foregår inne i smelteovnen under fremstilling av metaller og legeringer. Og det er nettopp behovet for en grundigere forståelse av prosessene inne i ovnen som ligger bak prosjektet Electrical Conditions and their Process Interactions in High Temperature Metallurgical Reactors (ElMet).

Betydning for energiforbruk og miljø

NORCE har ledet det femårige samarbeidet mellom bedriftene Elkem og Eramet, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet NTNU, University of Oxford i England og University of Santiago de Compostela i Spania. Prosjektet er finansiert av Norges forskningsråd, med bidrag fra industribedriftene.

- Prosessene inne i smelteovnen er svært kompliserte, og mange forhold er ikke tilstrekkelig forstått. Dette prosjektet er grunnleggende, anvendt forskning. Noen resultater gir forståelse som raskt kan anvendes, mens andre danner grunnlag for videre utvikling, både med hensyn til forbedring av eksisterende utstyr eller endret design for neste generasjons smelteovner, forteller sjefsforsker Svenn Anton Halvorsen i NORCE.

- Innsikten kan få betydning for energieffektivisering og redusert utslipp av CO2, understreker han.

Smelteovn fase 3 strøm
På grunn av 3-fase vekselstrøm blir det indusert kraftige elektriske strømmer i stålveggen bak hver elektrode. Figuren viser et øyeblikksbilde av disse, i det strømmen går ned i den bakre elektroden og opp i de to fremre.

Seminarer og kurs

Det femårige prosjektet er nå i avslutningsfasen, og 26. november inviterer forskerne til et digitalt seminar om elektriske forhold i 3-fase smelteovner. Her er målgruppen både industripartnere og forskere som deltar i SFI-en Metal Production.

I forbindelse med prosjektet er det også utarbeidet et 2-timers grunnleggende kurs i Elektriske forhold i smelteovner. Et digitalt kurs vil bli arrangert for samme målgruppe 1. desember.

Matematisk modellering og 3D-beregninger

En metallurgisk prosess krever svært mye energi. Normalt tilføres energien ved at kraftig elektrisk strøm, gjerne over 100 000 A, sendes gjennom ovnen. Strømbanene i ovnen er avhengig av den elektriske ledningsevnen til råvarene, mellomprodukter og ferdig produsert metall i ovnen. Dette gir en sterk vekselvirkning mellom elektrisk strømfordeling, temperaturfordeling og kjemiske reaksjoner.

Forskerne har tatt utgangspunkt i matematisk modellering.

- Forholdene i en smelteovn beskrives ved hjelp av matematiske ligninger. Ved videre matematisk analyse kan vi få innsikt i mange grunnleggende forhold og sammenhenger. De matematiske formlene danner også grunnlaget for å kunne foreta beregninger og simuleringer ved bruk av moderne datautstyr og programvare. Prosjektet har tatt utgangspunkt i studier som vi og andre har gjort tidligere, sier prosjektleder Halvorsen.

For eksempel har de gjennomført 3D-beregninger av elektrisk strømfordeling for typiske forhold i store ferrosilisium- og ferromangan-ovner. Ferromangan-modellen har blitt tilpasset for en av Eramets smelteovner i Sauda. Modellberegninger viser resultater som er kvalitativt i overensstemmelse med en 3-dagers målekampanje som ble gjennomført i begynnelsen av 2019.

Ekstreme forhold

God verifikasjon av modellene vil imidlertid kreve pålitelige målinger av de indre forholdene i smelteovnen. Slike målinger er ekstremt vanskelige, og var heller ikke en del av ElMet-prosjektet.

- Det kan bli over 2000 grader inne i en smelteovn. Det er ikke bare å bruke steketermometer og multimeter, smiler Svenn Anton Halvorsen fra NORCE.

Smelteovn 3 D modell
En 3D beregningsmodell av elektriske forhold for en 41 MW smelteovn for produksjon av ferromangan. Nederste figur viser fordeling av spesifikk elektrisk motstand. (Hvitt: Elektrisk isolerende. Mørk farge: God elektrisk leder. Lys farge: Mer elektrisk motstand).