Алгоритм вместо проб и ошибок: новый метод расчёта пористости ускорит производство сплавов

Предсказывать пористость железорудных брикетов и влиять на их свойства с помощью состава исходного вещества позволяет новый метод, предложенный исследователями Университета МИСИС. В перспективе он позволит снизить затраты на производство сплавов и улучшить качество конечной продукции.

Пористость брикетов влияет на их восстановимость — то есть, способность материала пропускать газ и вступать в химические реакции, например для извлечения железа из вторичного сырья и низкосортных руд. Пористость также влияет на прочность: если пор слишком много, материал становится хрупким и разрушается при транспортировке или загрузке в печь. Раньше не существовало точных методов, позволяющих заранее рассчитать, как состав смеси влияет на пористость итогового продукта. Для решения этой задачи учёные предложили новый алгоритм, с помощью которого можно анализировать, как разноразмерные сферические частицы укладываются в определённом пространстве, и позволяет вычислить минимальное расстояние, необходимое для их размещения в виде плотного слоя. Алгоритм позволяет моделировать, как добавление конкретных частиц влияет на общий объём пустот в материале.

«Предложенный метод позволяет управлять пористостью окускованных материалов, таких как брикеты и окатыши, благодаря подбору размеров частиц в смеси. Мы впервые показали, что пористость можно как увеличивать, так и снижать, в зависимости от задачи конкретного предприятия — для улучшения восстановимости или повышения прочности. Это открывает новые возможности для оптимизации металлургических процессов», — сказал к.т.н. Айтбер Бижанов, ведущий эксперт проекта кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС.

Алгоритм позволяет вычислить минимальный объём контейнера, который можно наиболее плотно заполнить окускованной рудой. Учёные выяснили, что пористость зависит не только от количества частиц, но и от их размеров. Например, если в исходную смесь добавить 5% крупных сфер оксида железа, пористость брикетов увеличивается до 60%, что улучшает прохождение газов через материал в доменной печи. Метод также адаптирован для частиц неправильной формы и учитывает сжимаемость материалов.

«Результаты можно применять для оптимизации шихты в доменных, сталеплавильных печах и установках прямого восстановления. Это снизит затраты на связующие вещества, термообработку и сократит выбросы при агломерации. Кроме металлургии, предложенный метод полезен в других отраслях, где важна управляемая пористость материалов и контроль структуры влияет на эффективность химических процессов и качество продукции: в производстве фильтров, катализаторов и пористых сорбентов», — рассказал Айтбер Бижанов.

С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале Metallurgist.

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»