blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-5-454-460blackmet-2959Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESСравнительный анализ кинетического и диффузионного режимов горения природного газа в горелках дуговой сталеплавильной печиComparative analysis of kinetic and diffusion modes of natural gas combustion in EAF burnershttps://orcid.org/0000-0001-6506-1865ГлуховИ. В.GlukhovI. V.

Илья Васильевич Глухов, к.т.н., доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии, Уральский Федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина; главный специалист технологического бюро, ОАО «Научно-исследова­тельский институт металлургической теплотехники»

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Россия, 620137, Екатеринбург, ул. Студенческая, 16

Il’ya V. Glukhov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; Chief Specialist of the Technology Bureau, OJSC “Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering”

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

16 Studencheskaya Str., Yekaterinburg 620137, Russian Federation

ermia12@yandex.ruВороновГ. В.VoronovG. V.

Герман Викторович Воронов, д.т.н., профессор кафедры теплофизики и информатики в металлургии

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

German V. Voronov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

o.j.sheshukov@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2452-826XШешуковО. Ю.SheshukovO. Yu.

Олег Юрьевич Шешуков, д.т.н., профессор, директор Института новых материалов и технологий, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; главный научный сотрудник лаборатории порошковых, композиционных и нано-материалов, Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Oleg Yu. Sheshukov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of New Materials and Technologies, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; Chief Researcher of the Laboratory of Powder, Composite and Nano-Materials, Vatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

o.j.sheshukov@urfu.ruhttps://orcid.org/0009-0005-7176-2285КалгановМ. В.KalganovM. V.

Михаил Владимирович Калганов, к.т.н., доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии, Уральский Федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина; руководитель ВТК «Тягодутьевые устройства специального назначения», ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники»

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Россия, 620137, Екатеринбург, ул. Студенческая, 16

Mikhail V. Kalganov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Thermophysics and Informatics in Metallurgy”, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; Head of the TLC “Special Purpose Draft Devices”, OJSC “Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering”

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

16 Studencheskaya Str., Yekaterinburg 620137, Russian Federation

m.v.kalganov@urfu.ruУральский Федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ВНИИМТ)РоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; OJSC “Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering” (VNIIMT)Russian FederationУральский Федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationУральский Федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАНРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; Vatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202508112025685454460Copyright © Глухов И.В., Воронов Г.В., Шешуков О.Ю., Калганов М.В., 20252025Глухов И.В., Воронов Г.В., Шешуков О.Ю., Калганов М.В.Glukhov I.V., Voronov G.V., Sheshukov O.Y., Kalganov M.V.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/2959

В современных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) для снижения расхода электроэнергии и интенсификации тепловой работы широко применяется нагрев шихты продуктами сгорания природного газа с технологическим кислородом. В существующих горелках, применяемых на ДСП, газ и кислород подаются раздельно через газокислородные и рафинирующие горелки, что обеспечивает диффузионный режим горения. Диффузионный режим в условиях использования в рабочем объеме ДСП имеет ряд недостатков, таких как неоптимальное распределение температурных и концентрационных полей продуктов сгорания, повышенный угар железосодержащих компонентов шихты. В данной работе представлены результаты расчетного исследования физико-хими­ческих свойств продуктов сгорания по длине факела для горелок фирм VAI FUCHS, SMS DEMAG и НТПФ «Эталон» при концентрации кислорода в окислителе 95 мас. %.  Были проанализированы результаты компьютерного моделирования температурных полей факелов с целью оценки риска «проскока» пламени во внутренний объем горелки. Авторы провели сравнительное исследование характеристик факелов в горелочных устройствах с диффузионным и кинетическим режимами горения. На основании полученных данных предложен переход от диффузионного режима сжигания природного газа к кинетическому, что может повысить энергоэффективность использования горелок, равномерность температурных и концентрационных полей продуктов сгорания, а также снизить угар железосодержащей шихты. Исследование производилось с помощью компьютерного моделирования в пакете программ ANSYS в модуле CFX. Полученные результаты могут быть полезны для оптимизации тепловых процессов в рабочем объеме ДСП, снижения расхода электроэнергии и предотвращения аварийных режимов эксплуатации горелок.

In modern electric arc furnaces (EAF), charge heating by natural gas (NG) combustion products with process oxygen is widely used to reduce the power consumption and intensify the thermal performance. In existing EAF burners, gas and oxygen are supplied separately through oxygen gas and refining burners, which ensures the diffusion combustion mode. The diffusion mode in conditions of EAF working space has a number of disadvantages, such as non-optimal distribution of temperature and concentration fields of combustion products, increased burn-off of iron-containing components of the charge. This paper presents the results of a computational study of the physico-chemical properties of combustion products along the torch length for the burners of VAI FUCHS, SMS DEMAG and NTPF Etalon Ltd. companies at oxygen concentration in the oxidizer of 95 wt. %. The results of computer modeling of temperature fields in the torches were analyzed in order to assess the risk of flame “slip” into the burner internal volume. The authors carried out a comparative study of the characteristics of torches in the burner devices with diffusion and kinetic combustion modes. Based on the data obtained, a transition from the diffusion mode of natural gas combustion to the kinetic mode is proposed, which can increase the energy efficiency of using burners, uniformity of temperature and concentration fields of combustion products, and reduce carbon monoxide of the iron-containing charge. The study was performed using computer modeling in ANSYS software package in CFX module. The obtained results can be useful for optimizing thermal processes in EAF working space, reducing power consumption and preventing emergency operation of burners.

дуговая сталеплавильная печьгорелкаприродный газкислородфакелконцентрациятемпературное полережимдиффузионныйкинетическийEAFburnernatural gasoxygentorchconcentrationtemperature fieldmodediffusionkineticReferencesБелковский А.Г., Кац Я.Л., Краснянский М.В. Современное состояние и тенденции развития технологии производства стали в ДСП и их конструкции. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2013;(3):72–78.Belkovskii A.G., Kats Ya.L., Krasnyanskii M.V. Current state and development trends of steel production techno­logy in EAF and their designs. Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2013;(3): 72–78. (In Russ.).Рябов А.Б., Чуманов И.В., Шишимиров М.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах: Учебное пособие. Москва: Теплотехник; 2007:192.Ryabov A.B., Chumanov I.V., Shishimirov M.V. Modern Methods of Steel Smelting in Electric Arc Furnaces: Tutorial. Moscow: Teplotekhnik; 2007:192. (In Russ.).Voronov G.V., Glukhov I.V. Thermal and physical pro­perties of methane family hydrocarbon and oxygen combustion products in state-of-the-art arc steel furnace. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;969(1):012043. https://doi.org/10.1088/1757-899X/969/1/012043Voronov G.V., Glukhov I.V. Thermal and physical pro­perties of methane family hydrocarbon and oxygen combustion products in state-of-the-art arc steel furnace. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;969(1):012043. https://doi.org/10.1088/1757-899X/969/1/012043Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов. Москва; Ленинград: Издательство АН СССР; 1944:71.Zel’dovich Ya.B. Theory of Combustion and Detonation of Gases. Moscow; Leningrad: USSR Academy of Sciences; 1944:71. (In Russ.).Щетинков Е.С. Физика горения газов. Москва: Наука; 1965:739.Shchetinkov E.S. Physics of Gas Combustion. Moscow: Nauka; 1965:739. (In Russ.).Зельдович Я.Б., Баренблат Г.И., Либрович В.Б., Мохвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. Москва: Наука; 1980:479.Zel’dovich Ya.B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., Makhviladze G.M. Mathematical Theory of Combustion and Explosion. Moscow: Nauka; 1980:479. (In Russ.).Abel M., Hein M. The SIMETAL ultimate at Colakoglu, Turkey. Iron and Steel Technology. 2009;6(2):56–64.Abel M., Hein M. The SIMETAL ultimate at Colakoglu, Turkey. Iron and Steel Technology. 2009;6(2):56–64.Rathaba P.L., Craig I.K., Pistorius P.C. Influence of oxyfuel burner subsystem on the EAF process. IFAC Proceedings Volumes. 2004;37(15):215–220. https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)31026-1Rathaba P.L., Craig I.K., Pistorius P.C. Influence of oxyfuel burner subsystem on the EAF process. IFAC Proceedings Volumes. 2004;37(15):215–220. https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)31026-1Abel M., Knapp H., Moxon P., Cooke R. Oxygen-injection technology using Fuchs RCB burner in an EAF. Millennium Steel. 2004;(28):28–30.Abel M., Knapp H., Moxon P., Cooke R. Oxygen-injection technology using Fuchs RCB burner in an EAF. Millennium Steel. 2004;(28):28–30.Gottardi R., Miani S., Partyka A. Decarburization efficiency in EAF with hot metal charge. Iron & Steel Technology. 2012;(1):61–69.Gottardi R., Miani S., Partyka A. Decarburization efficiency in EAF with hot metal charge. Iron & Steel Technology. 2012;(1):61–69.Voronov G.V., Glukhov I.V. Natural gas burning with process oxygen in up-to-date arc steel furnace operating space. In: Proceedings of the 7th Int. Conf. on Industrial Engineering (ICIE 2021). 2022;358–365. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85233-7_43Voronov G.V., Glukhov I.V. Natural gas burning with process oxygen in up-to-date arc steel furnace operating space. In: Proceedings of the 7th Int. Conf. on Industrial Engineering (ICIE 2021). 2022;358–365. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85233-7_43Gottardi R., Engin B., Miani S. Single EAF and single billet caster for 320 t/h productivity. SEAISI Quarterly Journal. 2009;2:13–22.Gottardi R., Engin B., Miani S. Single EAF and single billet caster for 320 t/h productivity. SEAISI Quarterly Journal. 2009;2:13–22.Kopfle J. EAF metallics. In: 5th Steel Scrap Conf., November 9–10, Chicago, 2011. 2011:271–282.Kopfle J. EAF metallics. In: 5th Steel Scrap Conf., November 9–10, Chicago, 2011. 2011:271–282.Kirschen M., Risonarta V., Pfeifer H. Energy efficiency and the influence of gas burners to the energy related carbon dioxide emissions of electric arc furnaces in steel industry. Energy. 2009;34(9):1065–1072. https://doi.org/10.1016/j.energy.2009.04.015Kirschen M., Risonarta V., Pfeifer H. Energy efficiency and the influence of gas burners to the energy related carbon dioxide emissions of electric arc furnaces in steel industry. Energy. 2009;34(9):1065–1072. https://doi.org/10.1016/j.energy.2009.04.015Sung Y., Lee S., Han K., Koo J., Lee S., Jang D., Oh C., Jang B. Improvement of energy efficiency and productivity in an electric arc furnace through the modification of side-wall injector systems. Processes. 2020;8(10):1202. https://doi.org/10.3390/pr8101202Sung Y., Lee S., Han K., Koo J., Lee S., Jang D., Oh C., Jang B. Improvement of energy efficiency and productivity in an electric arc furnace through the modification of side-wall injector systems. Processes. 2020;8(10):1202. https://doi.org/10.3390/pr8101202Kovačič M., Stopar K., Vertnik R., Šarler B. Comprehensive electric arc furnace electric energy consumption modeling: A pilot study. Energies. 2019;12(11):2142. https://doi.org/10.3390/en12112142Kovačič M., Stopar K., Vertnik R., Šarler B. Comprehensive electric arc furnace electric energy consumption modeling: A pilot study. Energies. 2019;12(11):2142. https://doi.org/10.3390/en12112142Brhel J., Farmer C., Shver V. The JetBOxTM burner injector system for EAF steelmaking. Millennium Steel. 2006;87–97.Brhel J., Farmer C., Shver V. The JetBOxTM burner injector system for EAF steelmaking. Millennium Steel. 2006;87–97.Voronov G.V., Glukhov I.V. Physicochemical properties of natural gas and oxygen combustion products at diffusion and kinetic burning. In: Proceedings of the 7th Int. Conf. on Industrial Engineering (ICIE 2021). 2022;318–324. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85233-7_38Voronov G.V., Glukhov I.V. Physicochemical properties of natural gas and oxygen combustion products at diffusion and kinetic burning. In: Proceedings of the 7th Int. Conf. on Industrial Engineering (ICIE 2021). 2022;318–324. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85233-7_38Voronov G.V., Antropov M.V., Glukhov I.V. Gas dynamics in the working space of a modern electric-arc steelmaking furnace. Refractories and Industrial Ceramics. 2015;55(6): 498–500. https://doi.org/10.1007/s11148-015-9752-1Voronov G.V., Antropov M.V., Glukhov I.V. Gas dynamics in the working space of a modern electric-arc steelmaking furnace. Refractories and Industrial Ceramics. 2015;55(6): 498–500. https://doi.org/10.1007/s11148-015-9752-1Винтовкин А.А., Ладыгичев М.Г., Гусовский В.Л., Капинова Т.В. Горелочные устройства промышленных печей и топок (конструкции и технические характеристики): Справочник. Москва: Теплотехник; 2008:553.Vintovkin A.A., Ladygichev M.G., Gusovskii V.L., Kapinova T.V. Burner Devices of Industrial Furnaces and Combustion Chambers (Designs and Technical Characteristics): Reference Book. Moscow: Teplotekhnik; 2008:553. (In Russ.).

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