vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2026-2(56)-106-114vsgiu-958Research ArticleРаздел 2. Металлургия и материаловедениеSection 2. Metallurgy and Materials ScienceМОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ШЛАКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАСТЫЛЕЙ НА СТВОЛЕ ДВУХЪЯРУСНЫХ КИСЛОРОДНЫХ ФУРМ ПРИ ПРОДУВКЕ В БОЛЬШЕГРУЗНЫХ КОНВЕРТЕРАХMODELING OF THE FORMATION OF SLAG-METAL SUPPORTS ON THE TRUNK OF TWO-TIER OXYGEN TUYERES DURING PURGING IN HEAVY-DUTY CONVERTERShttps://orcid.org/0000-0002-7554-2168ПротопоповЕвгений ВалентиновичProtopopovEvgenii V.

д.т.н., профессор кафедры металлургии черных металлов и химической технологии

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Ferrous Metallurgy and Chemical Technology

protopopov@sibsiu.ruФатьяновСергей СергеевичFat'yanovSergey S.

магистрант кафедры металлургии черных металлов и химической технологии

Master's Student at the Department of Ferrous Metals and Chemical Technology

pimm@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8098-5895ЗапольскаяЕкатерина МихайловнаZapolskayaEkaterina M.

к.т.н., с.н.с. лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений

Cand. Sci. (Eng.), senior researcher Laboratory of Electron Microscopy and Image Processing

beloglazova-ekat@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation20263006202602106114Copyright © Протопопов Е., Фатьянов С., Запольская Е., 20262026Протопопов Е., Фатьянов С., Запольская Е.Protopopov E., Fat'yanov S., Zapolskaya E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/958

Рассмотрены основные технологические особенности конвертерной плавки при использовании для продувки двухъярусных кислородных фурм. Проанализированы причины формирования металлошлаковых настылей на стволе фурмы при верхней продувке расплава в большегрузных конвертерах в зависимости от особенностей организации дутьевого режима и различном уровне вспененной шлакометаллической эмульсии в рабочем пространстве агрегата. Предложена сопряженная трехмерная математическая модель гидродинамических и массопереносных процессов в шлаковой и металлической фазах конвертера, которая может быть использована для изучения закономерностей формирования и направленности циркуляционных потоков расплава в ванне при положениях двухъярусной фурмы, количестве сопел в нижнем и верхнем ярусах, углах наклона сопел, расходах кислорода через ярусы сопел и прочих конструктивных и технологических параметрах. Сформулирована физическая модель и выполнено численное моделирование процесса продувки металла в конвертере емкостью 350 т с использованием двухъярусной фурмы с четырьмя соплами Лаваля в нижнем наконечнике и двенадцатью соплами в верхнем ярусе. Представленные данные позволяют получить достоверную информацию о характере движения металлической и газошлаковой фаз при продувке в конвертере и механизме образования шлакометаллической настыли на стволе фурмы.

The main technological features of converter melting when used for purging two-tier hydrogen tuyeres are considered. The reasons for the formation of metal slag deposits on the tuyere trunk during upper purging of the melt in heavy-duty converters are analyzed, depending on the specifics of the organization of the blast regime and the different level of foamed slag-metal emulsion in the working space of the unit. A conjugated three-dimensional mathematical model of hydrodynamic and mass transfer processes in the slag and metal phases of the converter is proposed, which can be used to study the patterns of formation and direction of melt circulation flows in a bath at the positions of a two-tier tuyere, the number of nozzles in the lower and upper tiers, the angles of inclination of the nozzles, oxygen consumption through the tiers of nozzles and other design and technological parameters. A physical model is formulated and numerical simulation of the metal purging process in a 350 ton converter is performed using a two-tiered tuyere with four Laval nozzles in the lower tip and twelve nozzles in the upper tier. The presented data make it possible to obtain reliable information about the nature of the movement of the metal and slag phases during purging in the converter and the mechanism of formation of slag-metal deposits on the tuyere trunk.

конвертеркислородная продувкадвухъярусная фурмагидрогазодинамика ванныматематическая модельшлакометаллическая настыльconverteroxygen purgetwo-tier tuyerehydrogas dynamics of the bathmathematical modelslag-metal flooringИсследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-00087-2401.Research was carried out within the framework of the state task of the Ministry of Science and Higher Edication of the Russian Federation № 075-00087-2401.ReferencesБойченко Б.М., Охотского В.Б., Харлашина П.С. Конвертерное производство стали: теория, технология, качество стали, конструкции агрегатов, рециркуляция материалов и экология. Днепропетровск: Днепр-ВАЛ, 2006:454.Boichenko B.M., Okhotskogo V.B., Kharlashina P.S. Converter steel production: theory, technology, steel quality, aggregate designs, material recycling and ecology. Dnepropetrovsk: Dnepr-VAL, 2006:454. (In Russ.).Григорович К.В. Современное состояние черной металлургии и направления ее развития в цифровой экономики. В кн.: Труды XV международного конгресса сталеплавильщиков. Москва: РПК Принт АП, 2018:42–59.Grigorovich K.V. The current state of ferrous metallurgy and the directions of its development in the digital economy. In: Proceedings of the XV International Congress of Steelmakers. Moscow: RPK Print AP, 2018:42–59. (In Russ.).Лякишев Н.П. Сравнительная характери-стика состояния кислородно-конвертерного производства стали в России и за рубежом. Москва: Элиз, 2000:64.Lyakishev N.P. Comparative characteristics of the state of oxygen converter steel production in Russia and abroad. Moscow: Eliz, 2000:64.Kishmoto Y., Saito N. Development and prospect of combined blowing converter in Japan. Tetsu-to-hagane (Journal of the Iron and Steel Institute of Japan). 2014;100(4):445‒455.Kishmoto Y., Saito N. Development and prospect of combined blowing converter in Japan. Tetsu-to-hagane (Journal of the Iron and Steel Institute of Japan). 2014;100(4):445‒455.Su F., Lampinen H.-O., Robinson R. Recy-cling of sludge and dust to the BOF converter by cold bonded pelletizing. ISIJ International. 2004;44(4):770‒776. https://doi.org/10.2355/isijinternational.44.770Su F., Lampinen H.-O., Robinson R. Recy-cling of sludge and dust to the BOF converter by cold bonded pelletizing. ISIJ International. 2004;44(4):770‒776. https://doi.org/10.2355/isijinternational.44.770Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. Физические процессы в конвертере и энергоэкологические показатели производства. Старый Оскол: Изд-во «Тонкие наукоемкие технологии», 2014:328.Merker E.E., Karpenko G.A. Physical processes in the converter and energy-ecological indicators of production. Stary Oskol: Izd-vo «Tonkie naukoemkie tekhnologii», 2014:328. (In Russ.).Смирнов Л.А., Бабенко А.А., Данилин Ю.А. и др. Освоение технологии комбинированной продувки в 160-т конвертерах. Сталь. 2010;5:43–45.Smirnov L.A., Babenko A.A., Danilin YU.A. et al. Mastering the technology of combined purging in 160-ton converters. Stal'. 2010;5:43–45. (In Russ.).Протопопов Е.В., Уманский А.А., Беленецкий Е.А., Фатьянов С.С. Высокотемпературное моделирование процессов тепломассообмена при комбинированной продувке конвертерной ванны. Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2024;4(50):100–109.Protopopov E.V., Umanskii A.A., Belenetskii E.A., Fat'yanov S.S. High-temperature modeling of heat and mass transfer processes during combined purging of a converter bath. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2024;4(50):100–109. (In Russ.).http://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-100-109http://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-100-109Stel van der J. Top gas recycling blast furnace benefits and “green” and sustainable ironmaking. Ironmaking and Steelmaking. 2013;40:483‒487.Stel van der J. Top gas recycling blast furnace benefits and “green” and sustainable ironmaking. Ironmaking and Steelmaking. 2013;40:483‒487.Puzyrev Yu.A., Puzyrev A.Yu. Installation of purge units for supplying inert gases to the molten metal in converters. Refractories and Industrial Ceramics. 2023;64(3):229‒233.Puzyrev Yu.A., Puzyrev A.Yu. Installation of purge units for supplying inert gases to the molten metal in converters. Refractories and Industrial Ceramics. 2023;64(3):229‒233.Протопопов Е.В., Лаврик Д.А., Чернятевич А.Г. Повышение эффективности дожигания отходящих газов в конвертерах с жидкофазным восстановлением. Известия вузов. Черная металлургия. 2001;6:13‒17.Protopopov E.V., Lavrik D.A., Chernyatevich A.G. Improving the efficiency of exhaust gas afterburning in liquid-phase reduction converters. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya. 2001;6:13‒17. (In Russ.).Ярошенко А.В., Суханов Ю.Ф., Долгих Ю.Н. Оптимизация комбинированной продувки в конвертере с применением нового технического обеспечения. Сталь. 2008;8:19–21.Yaroshenko A.V., Sukhanov Yu.F., Dolgikh Yu.N. Optimization of combined purging in a converter using new technical support. Stal'. 2008;8:19–21. (In Russ.).Бабенко А.А., Челпан С.М., Кокаренко О.Н. Заметалливание кислородных продувочных фурм при выплавке стали из углеродистого полупродукта. Известия вузов. Черная металлургия. 2005;6:33–35.Babenko A.A., Chelpan S.M., Kokarenko O.N. Crushing of oxygen purge tuyeres during steel smelting from carbonaceous intermediates. Chernaya metallurgiya. 2005;6:33–35. (In Russ.).Singh A.K., Raju M.T., Jha U. Recycling of basic oxygen furnace (BOF) sludge in iron and steel works. International Journal of Environmental Technology and Management. 2011;14(1-4):19‒32. https://doi.org/10.1504/IJETM.2011.039255Singh A.K., Raju M.T., Jha U. Recycling of basic oxygen furnace (BOF) sludge in iron and steel works. International Journal of Environmental Technology and Management. 2011;14(1-4):19‒32. https://doi.org/10.1504/IJETM.2011.039255Stone R.P., Neith D., Koester S. et al. Further process improvements at Severstal Sparrows Point via new technology implementation. AIS Tech 2009 Proceedings. 2009;1:737‒747.Stone R.P., Neith D., Koester S. et al. Further process improvements at Severstal Sparrows Point via new technology implementation. AIS Tech 2009 Proceedings. 2009;1:737‒747.Tianjie Fu, Shimin Liu, Peiyu Li. Digital twin-driven smelting process management method for converter steelmaking. Journal of Intelligent Manufacturing. 2025;36:2749‒2765.Tianjie Fu, Shimin Liu, Peiyu Li. Digital twin-driven smelting process management method for converter steelmaking. Journal of Intelligent Manufacturing. 2025;36:2749-2765.Pal J., Singh S., Ghose A.K., Mohan S. A mathematical model for end point control of basic oxygen steelmaking furnace. Journal of Metallurgy and Materials Science. 2002;44(1):39‒49.Pal J., Singh S., Ghose A.K., Mohan S. A mathematical model for end point control of basic oxygen steelmaking furnace. Journal of Metallurgy and Materials Science. 2002;44(1):39‒49.Cao L.L., Liu Q., Wang Z., Li N. Interaction behavior between top blown jet and molten steel during BOF steelmaking process. Ironmaking and Steelmaking. 2018;45(3):239‒248. https://doi.org/10.1080/03019233.2016.1255373Cao L.L., Liu Q., Wang Z., Li N. Interaction behavior between top blown jet and molten steel during BOF steelmaking process. Ironmaking and Steelmaking. 2018;45(3):239‒248. https://doi.org/10.1080/03019233.2016.1255373Dering D., Swartz C., Dogan N. Dynamic modeling and simulation of basic oxygen furnace (BOF) operation. Processes. 2020;8(4):483. https://doi.org/10.3390/pr8040483Dering D., Swartz C., Dogan N. Dynamic modeling and simulation of basic oxygen furnace (BOF) operation. Processes. 2020;8(4):483. https://doi.org/10.3390/pr8040483Югов П.И. Современное состояние мировой практики конвертерного производства и научные направления его развития в России. Черная металлургия. 2001;9:9‒13.Yugov P.I. The current state of the world practice of converter production and scientific directions of its development in Russia. Chernaya metallurgiya. 2001;9:9‒13. (In Russ.).Ughadpada K., Briglio S., Mohammed G. Production improvement of No. 2 BOSP at ESAI. Iron and Steel Technology. 2010;11:59‒64.Ughadpada K., Briglio S., Mohammed G. Production improvement of No. 2 BOSP at ESAI. Iron and Steel Technology. 2010;11:59‒64.Протопопов Е.В, Чернятевич А.Г., Филиппенко С.А., Фейлер С.В. Перспективная конструкция кислородной фурмы для конвертеров ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» емкостью 350 т. Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2013;(2):4‒7.Protopopov E.V, Chernyatevich A.G., Fili-penko S.A., Feiler S.V. Prospective design of an oxygen form for converters of EVRAZ ZSMK capacity of 350 t. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2013;(2):4‒7. (In Russ.)Stone R.P., Neith D., Koester S. Further pro-cess improvements at Severstal Sparrows Point via new technology implementation. AIS Tech 2009 Proceeding. 2009;1:737–747.Stone R.P., Neith D., Koester S. Further pro-cess improvements at Severstal Sparrows Point via new technology implementation. AIS Tech 2009 Proceeding. 2009;1:737–747.Voraberger B., Wimmer G., Dieguez Salgado U., Wimmer E., Pastucha K., Fleischanderl A. Green LD (BOF) steelmaking ‒ reduced CO2 emissions via increased scrap rate. Metals. 2022;12(3):466. https://doi.org/10.3390/met12030466Voraberger B., Wimmer G., Dieguez Salgado U., Wimmer E., Pastucha K., Fleischanderl A. Green LD (BOF) steelmaking ‒ reduced CO2 emissions via increased scrap rate. Metals. 2022;12(3):466. https://doi.org/10.3390/met12030466Самохвалов С.Е., Сокол А.Н. Квазитрех-мерная математическая модель гидродинамических процессов в полости конвертера. Математическое моделирование. 2008;2(19):67–70.Samokhvalov S.E., Sokol A.N. Quasi-three-dimensional mathematical model of hydrodynamic processes in the converter cavity. Matematicheskoe modelirovanie. 2008;2(19):67–70. (In Russ.).Сокол А.Н. Математическое моделирование гидродинамических процессов в полости конвертера во время верхней продувки в трехмерной постановке. Вестник Херсонского технического университета. 2010;3(39):448–454.Sokol A.N. Mathematical modeling of hydrodynamic processes in the converter cavity during upper purging in a three-dimensional formulation. Vestnik Khersonskogo tekhnicheskogo universiteta. 2010;3(39):448–454. (In Russ.).Самохвалов С.Е., Сокол А.М. Математическое моделирование процессов перемешивания в конвертере. Днепродзержинск: изд. ДДТУ, 2013:99.Samokhvalov S.E., Sokol A.M. Mathematical modeling of mixing processes in a converter. Dneprodzerzhinsk: izd. DDTU, 2013:99. (In Russ.).Chen J.D., Zhang C.J., Feng J.H. Static me-chanics model in loading converter and energy saving. Journal of Hebei Institute of Technology. 2007;29(1):32–35.Chen J.D., Zhang C.J., Feng J.H. Static me-chanics model in loading converter and energy saving. Journal of Hebei Institute of Technology. 2007;29(1):32–35.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.