Published September 7, 2022 | Version v1
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Structural and functional analysis of a blast furnace using muon tomography

Description

The blast furnace (BF) is the fundamental tool used in the manufacture of iron. Due to the difficulty of accessing direct measurements of the phenomena within it, we have sought to determine the density distribution of its internal volume in the hope of improving its productivity as much as possible. To do this, we use muon tomography, also known as muography. This is an imaging technique based on the differential absorption of a flux of incident particles, muons, by the target under study, similar to clinical X-ray imaging. Muons are elementary particles that have the property of passing through dense materials, up to several metres away (2 m of steel for a 3 GeV muon). Their relative absorption allows the generation of density distribution images of an object by tracking the number of muons received by a detector, before and after passing through a structure. The incident direction of the detected muons is reconstructed by means of a detector composed of 3 scintillator panels [164], [154] that we moved to 3 positions around the BF. With this technique, we obtained a 3D image of the internal structure of an BF using a Markov Chain Monte Carlo (MCMC) inverse problem solving algorithm on muon flux data. We were also able to perform a time tracking of the BF and some of its operating parameters. We distinguished the position and shape of the melting zone, a key element in the productivity of a furnace. In this way, we were able to validate this innovative measurement concept in the application to an BF and open the field to a series of future experiments to gain both spatial and temporal resolution. These improvements also require a better knowledge of the flux of muons incident on their targets. We have used the CORSIKA simulation software [124], a Monte Carlo driven nucleo-hadronic interaction model, to study the effects of many parameters on the muon flux, such as atmospheric conditions (pressure, temperature), geomagnetic field, detector altitude, etc. We qualified these developments by comparing the results with commonly used analytical models and laboratory measurements. By applying these fluxes to the 3D BF reconstruction, we studied the impact of the input flux in the estimation of the opacity (amount of material traversed along a trajectory). The first numerical results suggest that the opacity estimation is strongly affected by the muon flux model choice in directions close to the horizontal and in particular for low opacity targets. (author)

Abstract (French)

Le haut fourneau (HF) est l'outil fondamental utilise pour la fabrication de la fonte. Du fait de la difficulte d'acces a des mesures directes des phenomenes au sein de celui-ci, nous avons cherche a determiner la repartition de la densite de son volume interne dans l'espoir d'ameliorer un maximum sa productivite. Pour cela, nous utilisons la tomographie par muons aussi appelee muographie. C'est une technique d'imagerie basee sur l'absorption differentielle d'un rux de particules incidentes, les muons, par la cible etudiee, a l'instar de l'imagerie clinique par rayons X. Les muons sont des particules elementaires qui ont la propriete de traverser des materiaux denses, jusqu'a plusieurs metres de distance (2 m d'acier pour un muon de 3 GeV). Leur absorption relative permet de generer des images de repartition de densite d'un objet en suivant le nombre de muons recus par un detecteur, avant et apres avoir traverse une structure. La direction incidente des muons detectes est reconstruite au moyen d'un detecteur compose de 3 panneaux de scintillateurs [164], [154] que nous avons deplace sur 3 positions autour du HF. Grace a cette technique, nous avons obtenu une image 3D de la structure interne d'un HF en utilisant un algorithme de resolution du probleme inverse par methode de Monte Carlo a chaines de Markov (MCMC) sur des donnees de flux de muons. Nous avons aussi pu realiser un suivi temporel du HF et de certains de ses parametres de fonctionnement. Nous avons distingue la position et la forme de la zone de fusion, element clef de la productivite d'un fourneau. De cette maniere, nous avons pu valider ce concept de mesure innovant dans l'application a un HF et ouvert le champ a une serie d'experiences futures pour gagner en resolution a la fois spatiale et temporelle. Ces ameliorations passent egalement par une meilleure connaissance du flux des muons incidents sur leur cible. Nous avons utilise le logiciel de simulation CORSIKA [124], un modele d'interaction nucleo-hadronique pilote par Monte Carlo, pour etudier les effets de nombreux parametres sur le flux des muons, tels que les conditions atmospheriques (pression, temperature), le champ geomagnetique, l'altitude du detecteur etc. Nous avons qualifie ces developpements en comparant les resultats a des modeles analytiques couramment utilises et a des mesures en laboratoire. En appliquant ces flux a la reconstruction 3D du HF, nous avons etudie l'impact du flux d'entree dans l'estimation de l'opacite (quantite de matiere traversee le long d'une trajectoire). Les premiers resultats numeriques suggerent que l'estimation de l'opacite est fortement affectee par le choix du modele de flux dans les directions proches de l'horizontale et en particulier pour les cibles a faible opacite. (auteur)

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Original title (French)
Analyse structurelle et fonctionnelle par tomographie muonique d'un haut fourneau

Publishing Information

Imprint Pagination
239 p.
Report number
FRNC-TH--16256

Optional Information

Notes
235 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses