blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-10-724-732blackmet-2416Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESЧисленные исследования параметров теплообмена при инжекционной подаче порошков в расплав рельсовой стали в агрегате ковш – печьNumerical studies of heat transfer parameters during injection feeding of powders into the rail steel melt in ladle-furnacehttps://orcid.org/0000-0002-7554-2168ПротопоповЕ. В.ProtopopovE. V.

Евгений Валентинович Протопопов, д.т.н., профессор, профессор кафедры металлургии черных металлов

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Evgenii V. Protopopov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Ferrous Me­tallurgy

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

protopopov@sibsiu.ruДумоваЛ. В.DumovaL. V.

Любовь Валерьевна Думова, ст. преподаватель кафедры ме­недж­мента и отраслевой экономики

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Lyubov’ V. Dumova, Senior Lecturer of the Chair “Management and Branch Economy”

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

doumova@bk.ruНоздринИ. В.NozdrinI. V.

Игорь Викторович Ноздрин, д.т.н., доцент, профессор кафедры металлургии цветных металлов и химической технологии

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Igor’ V. Nozdrin, Dr. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Prof. of the Chair “Non-Ferrous Metallurgy and Chemical Engineering”

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

kafcmet@sibsiu.ruЧернышеваН. А.ChernyshevaN. A.

Наталья Анатольевна Чернышева, доцент кафедры металлургии черных металлов

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Natal’ya A. Chernysheva, Assist. Prof. of the Chair of Ferrous Metallurgy

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

chernysheva_na@rambler.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation2022301020226510724732Copyright © Протопопов Е.В., Думова Л.В., Ноздрин И.В., Чернышева Н.А., 20222022Протопопов Е.В., Думова Л.В., Ноздрин И.В., Чернышева Н.А.Protopopov E.V., Dumova L.V., Nozdrin I.V., Chernysheva N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2416

С использованием исследования и разработки основных положений внепечной обработки рельсовой стали в агрегате ковш – печь рассмотрены особенности технологии вдувания порошкообразных реагентов в расплав через погружную фурму. В условиях продувки проанализированы характеристики влияния направленного теплового потока через условную разделительную стенку фурмы от металла к двухфазному газопорошковому потоку. С применением численных методов определены параметры влияния температуры поверхности погружной фурмы на характеристики транспортирующего газа, концентрацию порошка и его плотность, и на характеристики газопорошкового течения, в том числе коэффициент аэродинамического сопротивления, давление транспортирующего газа, разность скоростей фаз, эквивалентный диаметр, коэффициент формы частиц. Полученные результаты экспериментов показывают, что при одном и том же расходе транспортирующего газа более значительные тепловые потоки, обеспечивающие стабильную работу дутьевого устройства, создаются при использовании более легкого газа (азота), при этом диаметр порошкообразных частиц практически не влияет на количество теплоты, передаваемой от стенки фурмы к транспортирующему газу. Установлено, что при использовании погружных фурм и нагрева газопорошкового потока до температуры 500 – 600 °С в 2 – 10 раз изменяется сила межфазного взаимодействия в зависимости от коэффициента формы частиц, концентрации вдуваемого порошка, давления транспортирующего газа, разности скоростей фаз и плотности порошка.

Technological features of powdered reagents injection into the melt using a submersible tuyere were investigated for the research and development of the main provisions of rail steel out–of-furnace treatment in a ladle-furnace. Authors analyzed the characteristics of influence of a directed heat flow through the tuyere conditional separation wall from metal to two-phase gas-powder flow under purging conditions. Using numerical methods, were determined the parameters of influence of the submersible tuyere surface temperature on characteristics of the transporting gas, concentration of the powder and its density, and on characteristics of the gas-powder flow, including the aerodynamic drag coefficient, pressure of the transporting gas, difference in phase velocities, equivalent diameter, and particle shape coefficient. The obtained experimental results show that at the same flow rate of the transporting gas, more significant heat flows, ensuring stable operation of the blowing device, are created by using a lighter gas (nitrogen), while the diameter of powdered particles does not affect the amount of heat transferred from the tuyere wall to the transporting gas. It was established that when using submersible tuyeres and heating the gas–powder flow to a temperature of 500 – 600 °C, the strength of the interfacial interaction changes by 2 to 10 times depending on the particle shape coefficient, concentration of the injected powder, pressure of the transporting gas, difference in phase velocities and density of the powder.

внепечная обработкапогружная фурмапорошкообразные реагентыгазопорошковая продувкатепловой потоктранспортирующий газгазодинамика и теплообмен в дисперсной средеout-of-furnace treatmentsubmersible tuyerepowdered reagentsgas-powder purgingheat flowtransporting gasgas dynamicsheat transfer in dispersed mediumИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20170.The research was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 22-29-20170.ReferencesПоляков В.В., Великанов А.В. Основы технологии производства железнодорожных рельсов. Москва: Металлургия, 1990. 416 с.Polyakov V.V., Velikanov A.V. Fundamentals of Railway Rails Production. Moscow: Metallurgiya, 1990, 416 p. (In Russ.).Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Т. 1. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали. Москва: Теплотехник, 2008. 328 с.Dyudkin D.A., Kisilenko V.V. Steel Production. Vol. 1. Processes of Smelting, Out-of-Furnace Treatment and Continuous Casting of Steel. Moscow: Teplotekhnik, 2008, 328 p. (In Russ.).Tassot P., Reichert N. Ways of improving steel quality in the tundish // Revure de Metallurgie. 2010. Vol. 107. No. 5. P. 175–185. http://doi.org/10.1051/metal/2010020Tassot P., Reichert N. Ways of improving steel quality in the tundish. Revure de Metallurgie. 2010, vol. 107, no. 5, pp. 175–185. http://doi.org/10.1051/metal/2010020Senuma T. Physical metallurgy of modern high strength steel sheets (Review) // ISIJ International. 2001. Vol. 41. No. 6. P. 520−532. https://doi.org/10.2355/isijinternational.41.520Senuma T. Physical metallurgy of modern high strength steel sheets (Review). ISIJ International. 2001, vol. 41, no. 6, pp. 520−532. https://doi.org/10.2355/isijinternational.41.520Ashrit S., Sarkar S., Chatti R.V., Sarkar C., Sarkar S. Nonmetallic LD slag fines − opportunities by invoking chemistry // Ironmaking and Steelmaking. 2020. Vol. 47. No. 8. P. 903–907. https://doi.org/10.1080/03019233.2019.1641679Ashrit S., Sarkar S., Chatti R.V., Sarkar C., Sarkar S. Nonmetallic LD slag fines − opportunities by invoking chemistry. Ironmaking and Steelmaking. 2020, vol. 47, no. 8, pp. 903–907. https://doi.org/10.1080/03019233.2019.1641679Wang B., Shen S., Ruan Y., Cheng S., Peng W., Zhang J. Simulation of gasliquid two-phase flow in metallurgical process // Acta Metallurgica Sinica. 2020. Vol. 56. No. 4. P. 619–632. http://doi.org/10.11900/0412.1961.2019.00385Wang B., Shen S., Ruan Y., Cheng S., Peng W., Zhang J. Simulation of gasliquid two-phase flow in metallurgical process. Acta Metallurgica Sinica. 2020, vol. 56, no. 4, pp. 619–632. http://doi.org/10.11900/0412.1961.2019.00385Yao L., Zhu R., Tang Y., Wei G., Dong K. Effect of furnace gas composition on characteristics of supersonic oxygen jets in the converter steelmaking process // Materials. 2020. Vol. 13. No. 15. Article 3353. http://doi.org/10.3390/ma13153353Yao L., Zhu R., Tang Y., Wei G., Dong K. Effect of furnace gas composition on characteristics of supersonic oxygen jets in the converter steelmaking process. Materials. 2020, vol. 13, no. 15, article 3353. http://doi.org/10.3390/ma13153353Wilson A. Clean steel technology − fundamental to the development of high performance steels. In: Advances in the Production and Use of Steel with Improved Internal Cleanliness / J. Mahaney ed. West Conshohocken, PA: ASTM International, 1999. P. 73–88. http://doi.org/10.1520/STP12375SWilson A. Clean steel technology − fundamental to the development of high performance steels. In: Advances in the Production and Use of Steel with Improved Internal Cleanliness. Mahaney J. ed. West Conshohocken, PA: ASTM International, 1999, pp. 73–88. http://doi.org/10.1520/STP12375SHigh Chromium Ferritic and Martensitic Steels for Nuclear Applications. Klueh R.L., Harries D.R. eds. PA: ASTM, 2001. 90 p.High Chromium Ferritic and Martensitic Steels for Nuclear Applications. Klueh R.L., Harries D.R. eds. PA: ASTM, 2001, 90 p.High Performance Steel and Titanium Castings. National Materials Advisor Board. Vol. 296 of Report NMAB-296. National Academy of Sciences − National Academy of Engineering, 2008. 144 p.High Performance Steel and Titanium Castings. National Materials Advisor Board. Vol. 296 of Report NMAB-296. National Academy of Sciences − National Academy of Engineering, 2008, 144 p.Кузнецов Ю.М. Газодинамика процессов вдувания порошков в жидкий металл. Челябинск: Металлургия, 1991. 159 с.Kuznetsov Yu.M. Gas Dynamics of Powder Injection in Liquid Me­tal. Chelyabinsk: Metallurgiya, 1991, 159 p. (In Russ.).Харлашин П.С., Харин А.К. Влияние концентрации порошка на параметры газовзвеси в соплах торкрет-фурмы // Известия вузов. Черная металлургия. 2011. Т. 54. № 4. С. 9–12.Kharlashin P.S., Kharin A.K. Powder concentration influence on the gaseous suspension parameters in flame guniting injection tuyere. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2011, vol. 54, no. 4, pp. 9–12. (In Russ.).Харлашин П.С., Чемерис Н.О. Моделирование течения газовзвеси в торкрет-фурме при различной концентрации порошка // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2009. № 1. С. 107–109.Kharlashin P.S., Chemeris N.O. Modeling of gas suspension flow in a shotcrete tuyere at different powder concentrations. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost’. 2009, no. 1, pp. 107– 109. (In Russ.).Поживанов М.А. Влияние диаметра частиц на дисперсное течение в фурме для инжекционной продувки. Сообщение 1 // Извес­тия вузов. Черная металлургия. 2005. Т. 48. № 7. С. 20–24.Pozhivanov M.A. Effect of particle diameter on dispersed flow in a tuyere for injection purging. Message 1. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2005, vol. 48, no. 7, pp. 20–24. (In Russ.).Li М., Li L., Zhang В., Li Q., Wu W., Zou Z. Numerical analysis of the particle-induced effect on gas flow in a supersonic powder-laden oxygen jet // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2020. Vol. 51. No. 4. P. 1718–1730. http://doi.org/10.1007/s11663-020-01855-3Li М., Li L., Zhang В., Li Q., Wu W., Zou Z. Numerical analysis of the particle-induced effect on gas flow in a supersonic powder-laden oxygen jet. Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2020, vol. 51, no. 4, pp. 1718–1730. http://doi.org/10.1007/s11663-020-01855-3Кудрин В.А., Парма В. Технология получения качественной стали. Москва: Металлургия, 1984.Kudrin V.A., Parma V. Technology of High-Quality Steel Production. Moscow: Metallurgiya, 1984. (In Russ.).High Performance Steel and Titanium Castings. National Mate­rials Advisory Board. Report NMAB-296. National Academy of Scien­ces – National Academy of Engineering. 1973, 155 p.High Performance Steel and Titanium Castings. National Mate­rials Advisory Board. Report NMAB-296. National Academy of Scien­ces – National Academy of Engineering, 1973, 155 p.Manning C.P., Fruehan R.J. Emerging technologies of iron and steel making // JOM. 2001. Vol. 53. No. 10. P. 36–43. https://doi.org/10.1007/s11837-001-0054-3Manning C.P., Fruehan R.J. Emerging technologies of iron and steel making. JOM. 2001, vol. 53, no. 10, pp. 36–43. https://doi.org/10.1007/s11837-001-0054-3Сухомел А.С., Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В. Теплообмен и гид­равлическое сопротивление при движении газовзвеси в трубах. Москва: Энергоатомиздат, 1977. 192 с.Sukhomel A.S., Tsvetkov F.F., Kerimov R.V. Heat Transfer and Hyd­raulic Resistance during Movement of Gas Suspension in Pipes. Moscow: Energoatomizdat, 1977, 192 p. (In Russ.).Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Москва: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.Kutateladze S.S. Heat Transfer and Hydrodynamic Resistance. Moscow: Energoatomizdat, 1990, 367 p. (In Russ.).

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