3D pore structure and infiltration resistance of micropore carbon materials
Czas pracy wielkiego pieca (WP) zależy w znacznej mierze od degradacji materiałów ogniotrwałych, stosowanych jako wyłożenie w garze WP. Jednym z głównych mechanizmów degradacji węglowych i grafitowych materiałów ogniotrwałych, jest ich degradacja w skutek infiltracji ciekłą surówką. Lepsze zrozumienie zależności pomiędzy mikrostrukturą materiałów a ich odpornością na infiltrację, może pozwolić na obniżenie kosztów procesu wielkopiecowego, a w konsekwencji ceny stali. Celem pracy było zbadanie zmian zachodzących w strukturze porów i właściwościach transportowych mikroporowatych materiałów węglowych. Właściwości eksperymentalnego i standardowego materiału węglowego, zostały scharakteryzowane przy pomocy kombinacji standardowych metod eksperymentalnych (gazoprzepuszczalność, porozymetria helowa i rtęciowa) połączonych z nowymi, zaawansowanymi metodami, takimi jak mikrotomografia komputerowa (XCT) oraz modelowanie przepływów w skali porów w rzeczywistych geometriach 3D. Wyniki pokazały, że obróbka termiczna zmienia właściwości obu materiałów (i.e. porowatość otwartą, przepuszczalność, krętość oraz zwężalność), czyniąc je bardziej podatnymi na infiltrację ciekłym metalem. Nowa metoda badania infiltracji ciekłym metalem, łącząca standardowy Hot Metal Penetration test z XCT, została zaprojektowana i przetestowana. Opracowana metoda pozwala na zbadanie różnych mechanizmów infiltracji ciekłym metalem.The lifetime of blast furnace (BF) strongly depends on the degradation of refractory materials used in BF hearth One of the major degradation mechanism of carbon and graphite refractory materials is degradation related to the molten crude iron infiltration. Better understanding of relation between materials’ microstructure and their infiltration resistance can be used for design more resilient materials, allowing the cost of the BF process, and consequently the price of steel to be reduced. The goal of the thesis was to investigate the changes in the pore structure of micropore carbon materials and their transport properties. The properties of experimental and standard micropore carbon materials, were investigated using the combination of standard experimental methods (gas permeability, helium and mercury intrusion porosimetry) with new advanced methods, such as X-ray computed tomography (XCT) and pore-scale flow modeling in real 3D geometries. The results showed that the heat treatment changes properties of the both materials (i.e. open porosity, permeability, tortuosity and constrictivity), making them more susceptible to molten metal infiltration. The new method for investigation of molten metal infiltration, which combines the standard Hot Metal Penetration test with XCT, was design and successfully tested. Elaborated method allows investigating different mechanisms of molten metal infiltration.
