Результаты физического и численного моделирования перфорированного пода для реактора жидкофазного восстановления железа

Abstract

Актуальность. В последние два десятилетия наблюдается рост объёмов производства стали как в Российской Федерации, так и в мире. Данная динамика обусловливает необходимость разработки инновационных технологий производства стали, направленных на повышение энергоэффективности и снижение производственных издержек. Традиционная технология производства стали, основанная на полном металлургическом цикле с использованием доменных печей, несмотря на свою распространённость, характеризуется значительными экологическими издержками. В частности, при производстве кокса объём газообразных выбросов достигает 1250 кубических метров на каждую тонну производимой стали, что составляет приблизительно половину всех газовых выбросов в секторе чёрной металлургии. В контексте поиска экологически безопасных и энергоэффективных решений особое внимание уделяется внедоменным методам производства стали. На сегодняшний день разработано порядка сотни различных процессов внедоменного восстановления железа, из которых лишь некоторые получили промышленное применение. Цель: разработать научно-технический задел в обеспечение технологии непрерывного внедоменного жидкофазного восстановления железа. Экспериментально подтвердить эффективность использования перфорированного пода, который позволяет минимизировать тепловые потери через обмуровку за счёт эффективного возврата теплоты в рабочую зону агрегата. Методы: экспериментальное исследование и численное моделирование. Результаты. Была создана специальная экспериментальная установка, предназначенная для исследования особенностей теплообмена в конструкции с перфорированным подом. Данное оборудование даёт возможность выполнять комплексные измерения температурных градиентов во всём объёме пода. Были осуществлены сравнительные испытания температурных характеристик при двух различных режимах функционирования: в условиях активного барботажа воды через перфорированную конструкцию и при сохранении стационарного состояния системы. Экспериментально установлено значительное снижение интенсивности теплопередачи в области перфорированного пода: при барботаже зафиксированы температуры 36,01 °C вблизи воды и 28,8 °C в удаленной зоне, тогда как в стационарном режиме показатели составили 40,15 и 33,11°C соответственно. Разработанная математическая модель продемонстрировала высокую точность при прогнозировании температурных полей с погрешностью не более 8 % относительно экспериментальных данных

Relevance. Over the last two decades, there has been a steady growth in steel production both in the Russian Federation and globally. This trend necessitates the development of innovative steelmaking processes aimed at improving energy efficiency and reducing production costs. The conventional steelmaking technology, based on an integrated metallurgical cycle using blast furnaces, remains widespread but is characterized by significant environmental impacts. Specifically, coke production generates gaseous emissions of up to 1.250 cubic meters per ton of steel produced, accounting for approximately half of all gaseous emissions in the ferrous metallurgy sector. In the search for environmentally friendly and energy-efficient solutions, particular attention is paid to non-blast furnace steelmaking methods. To date, about a hundred different direct reduction processes have been developed, though only a few have reached industrial scale. Aim. To establish a scientific and technical framework for continuous non-blast furnace smelting reduction technology, experimentally validate the efficiency of a perforated hearth, which minimizes heat loss through the refractory lining by effectively returning heat to the working zone of the unit. Methods. Experimental research and numerical modeling. Results. The authors developed a dedicated experimental setup to investigate heat transfer characteristics in a perforated hearth design. This equipment enables comprehensive measurements of temperature gradients throughout the hearth volume. Comparative tests of thermal characteristics were conducted under two different operating modes: active water bubbling through the perforated structure and a stationary state. Experiments established a significant reduction in heat transfer intensity within the perforated hearth area: under bubbling conditions, temperatures of 36.01°C were recorded near the water and 28.8°C in the remote zone, compared to 40.15 and 33.11°C, respectively, in the stationary mode. The developed mathematical model demonstrated high accuracy in predicting temperature fields, with an error margin not exceeding 8% relative to the experimental data