Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия

К. В. Строгонов, доцент, канд. техн. наук, эл. почта: strogonovkv@mpei.ru
А. К. Бастынец, студент
Д. Д. Львов, аспирант
В. А. Мурашов, студент

Выполнено численное моделирование процесса барботирования расплава метаном в реакторе жидкофазного восстановления технически чистого железа (АРМКО-железа) с использованием подходов CFD-моделирования, реализованных в программных комплексах ANSYS Fluent (модель VOF) и ANSYS CFX (Эйлеровская модель дисперсной фазы). Исследования проведены с целью изучения температурного поля на футеровке реактора и проверки адекватности численных подходов для описания высокотемпературных барботажных процессов в металлургии. Выполнен анализ теплового состояния футеровки реактора, изучены характеристики газожидкостного взаимодействия и структуры течения. Результаты показали, что моделируемый режим барботажа соответствует развитому пузырьковому течению с газовым заполнением около 23 %, что подтверждается экспериментальными данными для аналогичных условий. Максимальная температура внутренней поверхности футеровки реактора не превышает 1600 °C, что значительно ниже допустимого уровня для используемого огнеупорного материала. Полученные результаты подтверждают работоспособность конструкции реактора и эффективность численных методов моделирования для прогнозирования режимов его работы.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00421, https://rscf.ru/project/24-29-00421/.

1. Kartavtsev S. V., Neshporenko E. T., Matveev S. V. Primary diagnosis of energy efficiency in an integrated steel plant, based on intensive energysaving methodology. Part 1 // CIS Iron and Steel Review. 2021. Vol. 22. P. 107–110.
2. Kartavtsev S. V., Neshporenko E. G., Matveev S. V. Primary diagnosis of energy efficiency in an integrated steel plant, based on intensive energysaving methodology. Part 2 // CIS Iron and Steel Review. 2022. Vol. 23. P. 113–118.
3. Голубев О. В., Неделин С. В., Торохов Г. В., Травянов А. Я. и др. Металлургия железа и чугуна: сырьевое и технологическое обеспечение, логистика, прогнозы развития // Сборник трудов XVII Международного конгресса сталеплавильщиков и производителей металла «От руды до стали — ISCON-2023». 2023. С. 26–34.
4. Strogonov K. V., Lvov D. D., Murashov V. A., Bastynets A. K. et al. Liquid-phase reduction reactor with a carbonhydrogen mixture // Proceedings of the 2024 6^th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE 2024). 2024. DOI: 10.1109/REEPE60449.2024.10479685
5. Strogonov K. V., Borisov A. A., Murashov V. A., Lvov D. D. Calculation of individual elements of enclosing structures of a continuous steelmaking unit // Proceedings of the 2023 5^th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE 2023). 2023. DOI: 10.1109/REEPE57272.2023.10086855
6. Пат. 2815145 РФ. Агрегат восстановления железа / Строгонов К. В., Львов Д. Д., Борисов А. А. ; заявл. 28.06.2023 ; опубл. 11.03.2024. Бюл. № 8.
7. Horvath A., Jordan C., Lukasser M., Kuttner C. et al. CFD simulation of bubble columns using the VOF model: Comparison of commercial and open source solvers with an experiment // Chemical Engineering Transactions. 2009. Vol. 18. P. 605–610. DOI: 10.3303/CET0918098
8. Bertola F., Vanni M., Baldi G. Application of computational fluid dynamics to multiphase flow in bubble columns // International Journal of Chemical Reactor Engineering. 2003. Vol. 1, No. 1. DOI: 10.2202/1542-6580.1002
9. Besagni G., Varallo N., Mereu R. Сomputational fluid dynamics modelling of two-phase bubble columns: A comprehensive review // Fluids. 2023. Vol. 8, No. 3. 91. DOI: 10.3390/fluids8030091
10. Akhtar A., Pareek V., Tadé M. CFD simulations for continuous flow of bubbles through gas-liquid columns: Application of VOF method // Chemical Product and Process Modeling. 2007. Vol. 2, No. 1. DOI: 10.2202/1934-2659.1011
11. Строгонов К. В., Петелин А. Л., Терехова А. Ю., Львов Д. Д. и др. Жидкофазное восстановление железных руд углеродводородной смесью и водородом // Промышленная энергетика. 2023. № 8. С. 43–49.
12. Строгонов К. В., Бурмакина А. В., Львов Д. Д., Бастынец А. К. и др. Математическое моделирование перфорированного пода сталеплавильного агрегата непрерывного действия // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2024. Т. 335. № 12. C. 59–71
13. Okajima R., Mitchell T. R., Leonardi C. R., Smart S. Hydrodynamics of molten media bubble columns for hydrogen production through methane pyrolysis // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36, No. 10. 103347. DOI: 10.1063/5.0227299
14. Ansys Fluent theory guide // Ansys Inc. 2011. Vol. 15317. P. 724–746.
15. Кащеев И. Д. Свойства и применение огнеупоров. — М. : Теплотехник, 2004. — 352 с.
16. Gupta P., Chen J., Al-Dahhan M. H. Progress in understanding the fluid dynamics of bubble column reactors // Chemical Engineering Science. 1997. P. 1–7.
17. Процесс Ромелт / под ред. В. А. Роменца. — М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2005. — 400 с.
18. Iguchi M., Kawabata H., Morita Z., Nakajima K. et al. Continuous measurements of bubble characteristics in a molten iron bath with ar gas bubbling // Tetsu-to-Hagane. 1994. Vol. 80, No. 5. P. 365–370. DOI: 10.2355/tetsutohagane1955.80.5_365