Как форма дна сталеразливочного ковша влияет на качество металла: выводы CFD-моделирования
2026-05-27 23:54
При разливке стали важно вовремя остановить выпуск металла из сталеразливочного ковша, чтобы не допустить попадания шлака в промежуточный ковш. Шлак, попавший в металл, создаёт дефекты и снижает сортность продукции. Специалисты АО «МЦД» с помощью компьютерного моделирования сравнили две конструкции дна ковша и определили, какая из них позволяет дольше удерживать шлак, сохраняя чистоту стали.
В чём сложность
Сталеразливочный ковш — это огромная ёмкость с расплавленным металлом, покрытым сверху слоем лёгкого шлака. По мере опорожнения ковша уровень стали снижается. Вблизи сливного отверстия возникает воронка, которая в какой-то момент начинает затягивать шлак и даже воздух. Этот момент называют «затягиванием шлака». Чем позже он наступает, тем больше стали можно выпустить без риска испортить качество.
Инженеры постоянно ищут способы отодвинуть этот момент. Один из них — изменить конфигурацию дна ковша и форму сливного канала. Но проверять новые идеи на реальных плавках дорого и опасно. На помощь приходит компьютерное моделирование (CFD), которое позволяет «пролить» металл в виртуальном пространстве и сравнить любые варианты конструкции без риска и затрат.
Как мы проводили исследование
Специалисты АО «МЦД» построили трёхмерные компьютерные модели двух стальковшей: с существующей конструкцией дна и с предлагаемой (изменённой). В расчётах учитывались три фазы: сталь, шлак и воздух. Моделировался процесс непрерывного выпуска металла через шиберную затворку при фиксированном расходе.
Чтобы получить достоверные результаты, была проведена большая предварительная работа по настройке методики. На упрощённых моделях специалисты определили, как лучше задавать граничные условия, нужно ли учитывать вращение потока, влияет ли слой шлака и его толщина, а также оценили роль сил поверхностного натяжения. В итоге была сформирована методика, обеспечивающая консервативный (с запасом) прогноз момента затягивания шлака.
Затем выполнен детальный расчёт для обоих вариантов дна. В процессе моделирования фиксировались поля скоростей, форма границы раздела сталь–шлак, образование воронки и объём шлака, попадающий в промежуточный ковш.
Что показало моделирование
Анализ результатов позволил наглядно сравнить поведение двух конструкций.
·Воронка на границе раздела. В существующей конструкции воронка формируется раньше и быстрее углубляется. В предлагаемой конфигурации течение более спокойное, центробежные движения выражены слабее, воронка развивается медленнее.
·Первые капли шлака. В ковше с предлагаемым дном первые капли шлака начинают попадать в промковш при значительно большей остаточной массе стали по сравнению с существующей конструкцией. Это означает, что новый вариант позволяет использовать больше металла без риска загрязнения.
·Интенсивный захват шлака. Когда объёмная доля шлака в потоке достигает значительной величины (например, 10% от общего расхода), для предлагаемой конструкции это происходит при ещё большей остаточной массе стали. То есть даже при частичном попадании шлака металл дольше остаётся приемлемого качества.
Таким образом, предлагаемая конфигурация дна показала явное преимущество. Её применение позволяет снизить потери стали и уменьшить риск образования дефектов в готовой продукции.
Что дальше? Рекомендации по оптимизации
На основе полученных результатов специалисты АО «МЦД» предложили направления для дальнейшего улучшения конструкции:
·Смещение сливного отверстия относительно оси ковша. Согласно известным гидравлическим закономерностям, чем дальше отверстие от центра, тем меньше высота воронки и тем позже начинается захват шлака.
·Изменение формы сливного отверстия. Например, вместо круглого отверстия можно применить щелевидную или профилированную форму. Такое решение позволяет снизить скорость истечения в сжатом сечении струи без значительного увеличения проходного сечения, что также отодвигает момент прорыва воронки.
Эти рекомендации могут быть использованы заказчиком для создания ещё более эффективной конструкции.
Итоги для заказчика
Благодаря компьютерному моделированию компания получила возможность оценить новую конструкцию дна стальковша без проведения дорогостоящих натурных испытаний. Основные результаты работы:
·Количественно подтверждено, что предлагаемая конфигурация дна эффективнее существующей.
·Определены остаточные массы стали на момент начала затягивания шлака — это позволяет оптимизировать процесс фиксации шибера.
·Снижены риски попадания шлака в промежуточный ковш, а значит — уменьшено количество дефектов в готовом металле.
·Уменьшены потери стали, что даёт экономический эффект на каждой плавке.
Таким образом, CFD-моделирование становится неотъемлемой частью современной металлургической инженерии, позволяя повышать качество продукции и снижать издержки.