ПАО «Северсталь» — одна из самых эффективных в мире горно-металлургических компаний, создающая новые продукты и комплексные решения из стали вместе с клиентами и партнерами. Активы компании находятся в России, Латвии и Польше. Акции котируются на Московской бирже, глобальные депозитарные расписки представлены на Лондонской фондовой бирже. В 2021 году выручка компании составила $11,6 млрд, EBITDA достигла $6 млрд. В 2021 году было произведено 11,6 млн тонн стали.

По заказу ПАО «Северсталь» эксперты «МЦД» провели численное моделирование процессов, происходящих при разливке стали из промежуточного ковша в кристаллизаторы, для оценки поведения потоков и введения компенсирующих мероприятий.

При использовании промежуточных ковшей и кристаллизаторов в слябе могут образоваться дефекты. Для решения этой проблемы необходимо модернизировать геометрию погружного стакана, его уровень заглубления, а также изменить скорость разливки стали. Эксперты «МЦД» провели исследование течения стали, а также изучили распределение температуры и скорости по объему кристаллизатора и промежуточного ковша.

В рамках исследования были выполнены следующие задачи:

Определена температура стали на входах в кристаллизаторы третьего и четвертого ручьев;
Определено распределение температур по объему кристаллизаторов и вертикальных участков ручьев;
Определено распределение скоростей и направлений потоков по объему кристаллизаторов и вертикальных участков ручьев.

При расчете течения стали в промежуточном ковше эксперты последовательно моделировали два случая:

Расход стали на выпускных отверстиях четного и нечетного ручьев 43,83 кг/с (ширина сляба 1720 мм);
Расход стали на выпускных отверстиях чётного и нечётного ручьев 50,97 кг/с (ширина сляба 2000 мм).

Для исследования использовался программный пакет Ansys Fluent.

Работа с теплофизическими свойствами

При транспортировке сильно нагретых сред, таких как расплавленная сталь, важную роль играет зависимость теплофизических свойств от температуры. Наибольшее влияние на распределение температуры и скорости оказывают места интенсивного теплоотвода – охлаждаемая стенка кристаллизатора и поверхность шлака в промежуточном ковше. Для  обеспечения высокой точности при решении задач гидродинамики экспертам было необходимо определить характер зависимости теплофизических свойств среды от температуры.

Важным параметром любой среды является плотность. Характер зависимости при анализе значений плотности не изменяется от температуры при изменении содержания углерода в расплаве, а влияние остальных легирующих компонентов (марганец, кремний и пр.) на плотность расплава крайне мало. Эксперты модифицировали и использовали формулу  зависимости плотности железа для получения необходимого значения.

Не менее важным является правильное определение вязкости. Вязкость расплава вблизи температуры затвердевания может меняться крайне значительно. В основном расчетные методы, определяющие вязкость расплава по известному содержанию примесей в нем, обеспечивают высокую точность лишь для чистых металлов. Поэтому в рамках исследования были приняты результаты, полученные экспериментальным путем. После определения зависимости содержания железа в сплаве эксперты оценили влияние иных примесей. Кроме того, была определена зависимость динамической вязкости, а также произведена корректировка значений вязкости от температуры.

Эксперты также определили перепад температур в промежуточном ковше и кристаллизаторе. Это обеспечивает сильную связь между общей точностью решения задач исследования и определения зависимости теплоемкости стали от температуры. Они использовали постоянное значение теплоемкости, при этом в исследовании не учитывается зависимость теплопроводности от температуры. Хотя этот параметр важен в кристаллизаторе, теплопроводность жидкой стали меняется незначительно и линейно от ее температуры.

Построение модели и расчетная сетка

Построение геометрической модели было выполнено в программном пакете Ansys SpaceClaim DirectModeler. Для определения локального измельчения сеточной модели в Ansys Fluent Meshing было дополнительно построено тело, покрывающее погружной стакан для использования в сеточном генераторе для измельчения размеров элементов в области погружного стакана.

Для того, чтобы исключить зависимость решения от размера ячеек в сеточной модели,

было проведено исследование задачи на сеточную сходимость. Эксперты последовательно уменьшали размер элемента в сеточной модели промежуточного ковша и оценивали влияние на ряд параметров, включая поток тепла со стенок кристаллизатора, общий баланс энергии в расчетной области и другие. В качестве наиболее оптимальной была выбрана сеточная модель с числом элементов 2,9 млн, так как она обеспечивает точность определения искомых параметров 0,1%.

При течении предварительно нагретых сред процессы охлаждения обычно неравномерны. Это приводит к образованию высоких градиентов температуры и зон пониженной температуры. Как правило, они локализуются там, где движение потока затруднено или в местах, которые движущийся поток огибает из-за особенностей рельефа.

Учет гравитационного взаимодействия и зависимости плотности стали от температуры способствует перемешиванию потоков стали и выравниванию температур на выходе из промежуточного ковша и в верхней части кристаллизатора. Поскольку гравитационное поле сильно влияет на однородность температуры в стали, были учтены гравитационные силы и зависимости плотности стали от температуры при расчете течения как в промежуточном ковше, так и в кристаллизаторе.

Течение стали в кристаллизаторе образует большие рециркуляционные зоны. При этом поток вблизи выхода из кристаллизатора может проходить как с одной стороны границы, так и с другой. Моделирование таких течений затрудняет определение граничных условий на выходе кристаллизатора. Для решения этой проблемы и получения более развитой картины течения была увеличена расчетная область. Это позволило с большей точностью описывать течение стали в кристаллизаторе.

Результаты проекта

При сравнении результатов расчета течения стали в выпускных отверстиях промежуточного ковша наблюдаются следующие закономерности. Сохраняется профиль скорости стали в выпускном отверстии промежуточного ковша для разливки в слябы как шириной 1720 мм, так и 2000 мм. В большую сторону изменяется лишь значение скорости в ядре потока для разливки в слябы 2000 мм и температуры для разливки в слябы 1720 мм.  

При анализе результатов расчетов течения жидкой стали в промежуточном ковше эксперты предположили, что причиной образования дефекта в слябе может служить захват шлака из области рядом с защитной трубой с его последующей транспортировкой потоком к четному ручью. Характерные скорости вблизи шлака не превышают значения 0,2 м/c. Однако такой скорости может быть достаточно для отделения незначительной доли шлака и его транспортировки с течение к выпускному отверстию.

Эксперты также оценили влияние настроек моделей и сеточных моделей различного разрешения на результаты расчетов пространственного течения стали в промежуточном ковше и кристаллизаторе. Далее была разработана расчетная методика, позволяющая в будущем производить модернизацию используемого оборудования и оптимизацию как режимных параметров работы, так и геометрических параметров объектов исследования, а также определены направления ее оптимизации.