Примеры внедрения https://granumsolutions.ru ru Thu, 28 May 2026 01:24:54 +0300 Как форма дна сталеразливочного ковша влияет на качество металла: выводы CFD-моделирования https://granumsolutions.ru/cases/53dvjxy7b1-kak-forma-dna-stalerazlivochnogo-kovsha https://granumsolutions.ru/cases/53dvjxy7b1-kak-forma-dna-stalerazlivochnogo-kovsha?amp=true Wed, 27 May 2026 21:54:00 +0300 Julia Scott При разливке стали важно вовремя остановить выпуск металла из сталеразливочного ковша, чтобы не допустить попадания шлака в промежуточный ковш.

Как форма дна сталеразливочного ковша влияет на качество металла: выводы CFD-моделирования

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.

Тэги

#МЕТАЛЛУРГИЯ #МНОГОФАЗНЫЕ_ТЕЧЕНИЯ #СТАЛЬКОВШ #CFD #ОПТИМИЗАЦИЯ

Список использованных источников

1.Штарёв А.А. Экспериментальное исследование формирования нестационарных вихревых воронок. Диссертация, 2005.

2.Альтшуль А.Д., Калицун В.И., Майрановский Ф.Г., Альгунов П.П. Примеры расчётов по гидравлике. М.: Стройиздат, 1977.

]]> Как оптимизировать продувку кислородного конвертера: выводы гидродинамического моделирования https://granumsolutions.ru/cases/zugab3xar1-kak-optimizirovat-produvku-kislorodnogo https://granumsolutions.ru/cases/zugab3xar1-kak-optimizirovat-produvku-kislorodnogo?amp=true Wed, 27 May 2026 21:54:00 +0300 Gregory Willson Кислородный конвертер — сердце современного сталеплавильного производства. От того, насколько эффективно организована продувка расплава, зависят скорость плавки, расход металла и качество стали

Как оптимизировать продувку кислородного конвертера: выводы гидродинамического моделирования

Кислородный конвертер — сердце современного сталеплавильного производства. От того, насколько эффективно организована продувка расплава, зависят скорость плавки, расход металла и качество стали. Специалисты АО «МЦД» выполнили детальное CFD-моделирование процессов в конвертере для одного из ведущих металлургических комбинатов. Исследование позволило увидеть нестационарную картину течения, оценить влияние нижней продувки аргоном и дать рекомендации по повышению эффективности.

В чём сложность

В кислородном конвертере сверху через многосопловую фурму подаётся кислород, который проникает в расплав, образуя характерную каверну (воронку). Одновременно снизу через донные фурмы может подаваться аргон для дополнительного перемешивания. Взаимодействие сверхзвуковых струй кислорода с жидкой сталью и шлаком — это крайне нестационарный процесс. Каверна пульсирует, на её поверхности возникают волны, расплав разбрызгивается, а в объёме конвертера формируются сложные вихревые течения.

От правильности этих процессов напрямую зависят:

·скорость обезуглероживания и рафинирования;

·угар железа (потери металла);

·стойкость футеровки;

·однородность ванны и качество готовой стали.

Натурные эксперименты на реальном конвертере практически невозможны из-за высоких температур, агрессивной среды и масштабов оборудования. Единственный способ заглянуть внутрь процесса — компьютерное моделирование многофазных течений с учётом сжимаемости газов и свободной поверхности.

Как мы проводили исследование

Специалисты АО «МЦД» построили трёхмерную модель конвертера с полной геометрией — корпус, слой шлака и расплава, кислородная фурма с шестью соплами, донные фурмы для аргона. Расчётная сетка содержала более миллиона ячеек, сгущённых в областях струй и вблизи границ раздела сред. Моделирование выполнялось в нестационарной постановке с использованием методов, хорошо зарекомендовавших себя для многофазных металлургических систем.

Поскольку характерное время процессов разное (струи аргона устанавливаются за десятки секунд, а образование каверны — за доли секунды), задача решалась в два этапа. Сначала рассчитывалось перемешивание расплава аргоном до достижения стационарного режима. Затем в полученную картину течения «включалась» сверхзвуковая кислородная струя, и моделировалось образование и пульсации каверны.

Рассмотрены три режима:

·только верхняя кислородная продувка;

·комбинированная продувка с малым расходом аргона;

·комбинированная продувка с повышенным расходом аргона.

Также отдельно была решена задача о взаимодействии шести струй кислорода между собой — это позволило точно воспроизвести изгиб струй и распределение давления на поверхности ванны.

Что показало моделирование

Образование и пульсации каверны

Под действием сверхзвуковых струй кислорода на поверхности расплава формируется глубокая каверна. В первые моменты её глубина максимальна, затем из-за вязкого взаимодействия каверна начинает «растекаться» — глубина уменьшается, а диаметр растёт. На поверхности каверны возникают волны, которые движутся от центра к периферии. Эти волны способствуют разбрызгиванию металла и интенсифицируют массообмен.

Важно, что процесс носит периодический характер: каверна пульсирует с характерным периодом в несколько секунд. Волны на поверхности расплава и колебания глубины повторяются, создавая устойчивую нестационарную картину. Максимальные скорости расплава достигаются именно в волнах на кромке каверны.

Влияние аргона на перемешивание

Нижняя продувка аргоном создаёт в расплаве торообразные вихри, которые поднимаются к поверхности и взаимодействуют с течением, вызванным кислородной струёй. При малом расходе аргона картина течения заметно усложняется — появляются дополнительные вихри, но средняя по объёму скорость расплава практически не меняется. Другими словами, интенсивность перемешивания остаётся на том же уровне, что и без аргона.

При повышенном расходе аргона ситуация иная: средняя скорость расплава возрастает, а зоны застоя (области у дна и в углах конвертера) уменьшаются. Интенсивность перемешивания увеличивается на величину, которую можно считать значимой для технологического процесса.

Напряжения на стенках и зоны застоя

Анализ касательных напряжений на футеровке показал, что максимальные значения достигаются вблизи донных фурм (под действием аргона) и на границе раздела расплава со шлаком (под действием кислородной струи). При этом повышенный расход аргона приводит к росту касательных напряжений на боковых стенках, что необходимо учитывать при оценке износа футеровки.

Области с наименьшей скоростью (застойные зоны) расположены у днища конвертера и в местах сопряжения днища с боковыми стенками. Добавление аргона уменьшает размер этих зон, способствуя более равномерному перемешиванию.

Итоги для заказчика

Благодаря выполненному моделированию компания получила уникальные данные о внутренней гидродинамике конвертера, которые невозможно измерить на реальном оборудовании. Основные результаты:

·Визуализирован процесс образования каверны и её пульсаций — это позволяет понять механизм диспергирования расплава и массообмена.

·Количественно оценена эффективность нижней продувки аргоном — показано, при каком расходе аргон действительно увеличивает перемешивание, а при каком лишь усложняет течение без технологического выигрыша.

·Выявлены зоны застоя и области повышенных касательных напряжений — это даёт информацию для оптимизации конструкции конвертера и режимов продувки с целью продления стойкости футеровки.

·Создана верифицированная методика, которая может быть использована для подбора параметров продувки (угол наклона сопел, расход кислорода, расход аргона) под конкретные задачи: сокращение времени обработки, снижение угара железа или улучшение качества металла.

Таким образом, CFD-моделирование кислородного конвертера позволяет металлургическим предприятиям принимать обоснованные инженерные решения, сокращать производственные издержки и повышать конкурентоспособность продукции.

Тэги

#МЕТАЛЛУРГИЯ #МНОГОФАЗНЫЕ_ТЕЧЕНИЯ #КИСЛОРОДНЫЙ_КОНВЕРТЕР #CFD #ОПТИМИЗАЦИЯ

Список использованных источников

1.Smith, G. Multiple jet oxygen lances — Theoretical analysis and correlation with practice. JOM, 1966.

2.Odenthal, H.-J. et al. CFD simulation of multiphase melt flows in steelmaking converters. ECCOMAS CFD, 2006.

3.Alam, M. et al. Computational fluid dynamics simulation of supersonic oxygen jet behavior at steelmaking temperature. Metallurgical and Materials Transactions B, 2010.

4.Li, Q. et al. Computational study on the behaviours of supersonic jets and their impingement onto molten liquid free surface in BOF steelmaking. Canadian Metallurgical Quarterly, 2014.

5.Карпенко Г.А. Оценка перемешивания сталеплавильной ванны на основе физического моделирования. Современные проблемы науки и образования, 2006.

6.Протопопов Е.В. и др. Вклад кафедры черных металлов в развитие теории и техники высокотемпературного моделирования продувки конвертерной ванны. Известия вузов. Чёрная металлургия, 2015.

]]> Как тепловое моделирование помогает продлить жизнь фурмы доменной печи https://granumsolutions.ru/cases/478fn2eu21-kak-teplovoe-modelirovanie-pomogaet-prod https://granumsolutions.ru/cases/478fn2eu21-kak-teplovoe-modelirovanie-pomogaet-prod?amp=true Thu, 28 May 2026 01:22:00 +0300 Julia Scott Фурма доменной печи — один из самых теплонагруженных элементов металлургического агрегата. Она подаёт в печь газовоздушную смесь и природный газ, а её рыльная часть находится в зоне экстремально высоких температур.

Как тепловое моделирование помогает продлить жизнь фурмы доменной печи

Фурма доменной печи — один из самых теплонагруженных элементов металлургического агрегата. Она подаёт в печь газовоздушную смесь и природный газ, а её рыльная часть находится в зоне экстремально высоких температур. Любая попытка изменить конструкцию или материал фурмы связана с риском перегрева, кипения охлаждающей воды и выхода фурмы из строя. Специалисты АО «МЦД» выполнили детальное термогидравлическое моделирование фурмы, чтобы сравнить два варианта материала рыльной части — традиционную медь и инновационную сталь — и оценить, как они влияют на тепловое состояние всей системы.

В чём сложность

Фурма доменной печи — это сложная полая конструкция с внутренними каналами для воды. Внутри неё смешиваются и сгорают газы, а снаружи — раскалённые газы печи. Основные проблемы, с которыми сталкиваются эксплуатационники:

·Локальные перегревы рыльной части и обечаек, которые могут приводить к плавлению металла или образованию трещин.

·Неравномерное охлаждение из-за сложной географии потоков воды внутри фурмы — возникают застойные зоны и места с повышенной скоростью.

·Риск кипения воды в каналах охлаждения: пузырьковое кипение ещё может улучшить теплоотвод, а плёночное — резко его ухудшить и привести к аварии.

·Лучистый теплообмен от раскалённых стенок и газов, который при высоких температурах становится доминирующим механизмом передачи тепла.

Проверить новую конструкцию или материал на реальной печи — дорого, долго и опасно. Альтернатива — компьютерное моделирование, которое позволяет виртуально «обдуть» фурму горячими газами, пропустить через неё воду и увидеть каждую зону перегрева.

Как мы проводили исследование

Специалисты АО «МЦД» построили трёхмерную геометрическую модель фурмы со всеми её деталями: рыльная часть, внутренняя и внешняя обечайки, корундовая вставка, трубы подвода и отвода воды, каналы для газа. Для расчёта создана гибридная расчётная сетка с более чем миллионом ячеек, сгущённых в пограничном слое у стенок — там, где происходит основной теплообмен.

Решались три типа задач:

1.Холодная продувка — смешение газов без горения, только за счёт конвекции и теплопроводности.

2.Холодная продувка с учётом лучистого теплообмена — чтобы учесть переизлучение тепла от нагретых стенок.

3.Горячая продувка — с моделированием горения газовоздушной смеси и выделением тепла от химической реакции.

Для каждого варианта рассмотрены два материала рыльной части: медь (исходная конструкция) и инновационная сталь (предлагаемая замена). Критериями сравнения служили перепад температур охлаждающей воды, средние и максимальные температуры деталей, а также тепловые потоки в систему охлаждения.

Особое внимание уделено настройке сетки и моделей: исследована зависимость результатов от размера ячеек, количества призматических слоёв у стенок, учёта гравитации и параметров модели лучистого переноса. Это позволило получить методику, гарантирующую точность при разумных вычислительных затратах.

Что показало моделирование

Картина течения воды в системе охлаждения

Вода внутри фурмы движется неравномерно. В области наконечника формируются интенсивные вихри и спиралевидные течения, которые хорошо перемешивают теплоноситель и усиливают теплоотвод. Однако в некоторых зонах (например, в дальних углах каналов) скорость падает, что приводит к локальному росту температуры. Эти зоны хорошо видны на векторных полях и линиях тока.

Сравнение материалов рыльной части (без учёта излучения)

В первом приближении, без учёта лучистого теплообмена, замена меди на сталь привела к ожидаемому росту температуры рыльной части — более чем на 100 °C. Перепад температур воды в системе охлаждения немного снизился (на доли процента), а температуры остальных деталей изменились незначительно. Однако уже на этом этапе стало ясно, что стальная рыльная часть будет работать в значительно более жёстких температурных условиях.

Вклад лучистого теплообмена

Когда в расчёт добавили излучение от раскалённых стенок и газов, картина изменилась кардинально. Оказалось, что лучистый поток тепла со стороны печи составляет подавляющую долю всей тепловой нагрузки на фурму (более 80%). Без его учёта результаты были бы катастрофически занижены.

С учётом излучения для медной рыльной части максимальные температуры на ней достигли значений, близких к температуре плавления меди. Для стальной рыльной части эти температуры превысили допустимые пределы для большинства сталей — то есть такая фурма просто расплавилась бы. При этом средние температуры внутренней и внешней обечаек выросли, но остались в рабочем диапазоне.

Влияние горения

Моделирование горения газовоздушной смеси показало, что дополнительный разогрев от химической реакции вносит сравнительно небольшой вклад в общий нагрев фурмы — основным остаётся излучение от внешней среды. Однако горение существенно меняет поле температур и состав газов непосредственно на выходе из фурмы, что важно для оценки условий работы самой печи.

Итоги для заказчика

Благодаря выполненному моделированию заказчик получил ответы на ключевые вопросы без риска и затрат на натурные испытания:

·Подтверждено, что замена рыльной части на сталь приводит к критическому перегреву — максимальные температуры превышают предел плавления. От такого варианта следует отказаться.

·Выявлены зоны локального перегрева в системе охлаждения, где температура воды превышает 100 °C — это потенциальные очаги кипения. Требуется либо увеличить расход воды, либо изменить геометрию каналов.

·Показано, что учёт лучистого теплообмена обязателен — без него погрешность достигает десятков процентов. Разработанная методика может быть использована для любых аналогичных фурм.

·Поля скоростей теплоносителя визуализированы — теперь конструкторы видят, где вода движется плохо, и могут целенаправленно оптимизировать систему охлаждения (например, изменить форму подводящих трубок или установить завихрители).

Таким образом, тепловое моделирование фурмы позволяет не только выбрать подходящий материал, но и предотвратить аварии, продлить срок службы оборудования и повысить надёжность доменной плавки.

Тэги

#ТЕПЛОМАССООБМЕН #ДОМЕННОЕ_ПРОИЗВОДСТВО #ТЕРМОГИДРАВЛИКА #CFD #ОПТИМИЗАЦИЯ

Список использованных источников

1.ANSYS Fluent Documentation.

2.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972.

3.Murthy J.Y., Mathur S.R. Finite Volume Method for Radiative Heat Transfer Using Unstructured Meshes. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 1998.

4.Boyd R.D. Thermal Management Using a Hypervapotron. Summary of Controlling Parameters.

]]>