DOI: 10.52150/2522-9117-2026-40-019
М. Г. Іванча1, с.н.с., ORCID 0000-0002-5366-9328
В. І. Вишняков1, н.с., ORCID 0000-0002-5538-6962
І. Г. Муравйова1,*, д.т.н., п.н.с., ORCID 0000-0001-5926-7787
Л. І. Гармаш1, к.т.н., с.н.с., ORCID 0000-0002-6873-6685
В. Р. Щербачов1, м.н.с., аспірант, ORCID 0000-0002-6734-0451
О. О. Білошапка1, м.н.с., ORCID 0000-0003-3103-0512
К. П. Єрмоліна1, пров. інж., ORCID 0000-0001-6819-9886
1Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
* Автор для листування irinamuravyova@gmail.com
МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ТА МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ РОЗПОДІЛУ ШИХТОВИХ МАТЕРІАЛІВ НА КОЛОШНИКУ ДОМЕННОЇ ПЕЧІ, ЩО ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ У ТЕХНОЛОГІЧНІЙ ТА ДОСЛІДНІЙ ПРАКТИЦІ
Анотація. Підвищення ефективності використання відновлювальної здатності газів у доменній печі, оптимізація процесів шлакоутворення та наведення гарнісажу, формування раціональної конфігурації та розмірів пластичної зони і, як наслідок, покращення техніко-економічних показників плавки в цілому забезпечується, в першу чергу, за рахунок раціонального розподілу шихтових матеріалів на колошнику. Аналіз відомих методів розрахунку та математичних моделей розподілу шихтових матеріалів на колошнику доменної печі, які використовуються у технологічній та дослідницькій практиці, показав, що математичне моделювання з використанням результатів експериментальних досліджень залишаються основним способом отримання інформації про розподіл шихтових матеріалів. Інструментальних засобів контролю розподілу компонентів шихти на теперішній час не існує. Особливістю відомих математичних моделей є те, що з їх використанням прогнозувався розподіл двох складових шихти – залізорудної частини та коксу. Сучасні шихтові умови доменної плавки характеризуються значним розширенням сировинної бази і компонентного складу шихтових матеріалів, що завантажуються в доменну піч. При вивантаженні цих компонентів на поверхню засипу утворюється шар суміші, склад якої істотно відрізняється у різних зонах колошника. Відмінність у складах сумішей визначає відповідну відмінність високотемпературних властивостей залізорудної частини шихти та властивостей розплавів по поперечному перерізу доменної печі. Аналіз раніше виконаних досліджень в області розробки математичних моделей та методів розрахунку характеристик розподілу показав, що значна частина робіт присвячена розподілу залізорудної та вуглецевмісної частин шихти в цілому, без оцінки розподілу компонентів, що входять до неї. У зв’язку з цим, особливу актуальність набувають задачі, вирішення яких направлене на створення комплексної математичної моделі завантаження доменної печі, яка включає моделі ряду процесів формування багатокомпонентних порцій шихтових матеріалів, рух їх за трактом завантаження та в робочому просторі доменної печі, а також розподілу на поверхні засипу.
Ключові слова. доменна піч, математичні моделі, багатокомпонентна шихта, розподіл компонентів в зонах.
Посилання для цитування: Методи розрахунку та математичні моделі розподілу шихтових матеріалів на колошнику доменної печі, що застосовуються у технологічній та дослідній практиці / М. Г. Іванча, В. І. Вишняков, І. Г. Муравйова, Л. І. Гармаш, В. Р. Щербачов, О.О. Білошапка, К. П. Єрмоліна // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2026. Вип. 40. С. 290-319. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2026-40-019
Перелік посилань
1. Большаков В. И. Технология высокоэффективной энергосберегающей доменной плавки. Киев : Наук. думка, 2007. 412 с.
2. Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах / Большаков В.И., Муравьева И.Г., Белошапка Е.А., Варивода И.Е. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии, 2004. Вип. 8. С. 86–102.
3. Товаровский И. Г. Доменная плавка: монография. 2–е издание. Днепропетровск: Пороги, 2009. 768 с.
3. Грузинов В. К. Управление газовым потоком в доменной печи программой загрузкой. Свердловск : Металлургиздат, 1960. 216 с.
4. К вопросу оценки характера падения материалов с большого конуса / Э. И. Николай, Б. Г. Пластинин, В. К. Грузинов, Н. Л. Осинцева. Труды химико-металлургического института. Академия наук Казахской ССР, 1972. Т. XIII, С. 74–79.
5. Осинцева Н. Л., Грузинов В. К., Озолина З. М. Движение материалов доменной шихты при ссыпании с конусов засыпных устройств. Труды химико-металлургического института. Академия наук Казахской ССР, 1974. Т. 26, С. 32–40.
6. Бабарыкин Н. Н. Основные закономерности распределения материалов на колошнике доменной печи. Сб. Доменный процесс по новейшим исследованиям. М.: Металлургиздат, 1963. С. 84–102.
7. Клемперт В. М., Френкель М. М., Гришкова А. А. Контроль и управление газораспределением доменной печи. М.: Металлургия, 1993. 142 с.
8. Большаков В. И. Управление загрузкой, распределением шихты и газов в доменной печи. Познание процессов доменной плавки. Днепропетровск : Пороги, 2006. С. 87–109.
9. Логинов В. И., Глущенко И. М., Бехтер Е. И. Повышение эффективности использования кокса в народном хозяйстве. М.: Металлургия, 1986. 160 с.
10. Тарасов В. П. Газодинамика доменного процесса. М.: Металлургия, 1990. 216 с.
11. Экспериментальное и теоретическое исследование ссыпания материалов с большого конуса и изменения угла их откоса в шахте доменной печи. Перевод ВЦП №Е-08999. 24.05.93.
12. Kajiwara Y., Jimbo T., Sakai T. Development of a Simulation Model for Burden Distribution at Blast Furnace Top. Transaction of the Iron and Steel Institute of Japan. 1983. Vol. 23, Iss. 12. P. 1045–1052. https://doi.org/10.2355/isijinternational1966.23.1045
13. Hinnelä J., Saxén H. Hybrid model of burden distribution in the blast furnace. Ironmaking conference proceedings, 2001. P. 49–56.
14. Hinnelä J., Saxén H., Pettersson F. Modeling of the Blast Furnace Burden Distribution by Evolving Neural Networks. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2003. Vol. 42, Iss. 11. Р. 2314–2323. https://doi.org/10.1021/ie0203779
15. Pettersson F., Hinnelä J., Saxén H. Evolutionary Neural Network Modeling of Blast Furnace Burden Distribution. Materials and Manufacturing Processes. 2003. Vol. 18, Iss. 3. Р. 385–399. http://dx.doi.org/10.1081/AMP-120022017
16. Ковшов В. Н. Формирование поверхности засыпи доменной печи современными загрузочными устройствами. Сообщение 1. Известия Вузов. Черная металлургия. 1982. № 12. С. 8–12.
17. Автоматизированный выбор режима загрузки доменной печи с загрузочным устройством лоткового типа / А. К. Тараканов, Н. Ш. Гринштейн, М. Н. Байрака и др. Сталь. 1986. № 5. С. 11–16.
18. Согласованное управление распределением шихтовых материалов на колошнике и газового потока в горне доменной печи / А. К. Тараканов, В. П. Лялюк, Д. А. Кассим и др. Сталь. 2018. № 6. С. 2–5.
19. Кройц Л., Бергман Б. Распределение материалов в доменной печи, работающей с бесконусным засыпным аппаратом. Черные металлы. 1988. № 19. С. 3–19.
20. Кройц Л., Гуденау Х. В., Штандиш Н. Влияние на симметрию распределения материалов в доменной печи при применении засыпного аппарата с вращающимся желобом. Черные металлы. 1991. № 3. С. 26–32.
21. Yu Y. W., Bai C. G., Zhang Z. R., Wang F., Lv D. G., Pan C. Theoretical Calculation and Validation of Burden Trajectory in Bell-Less Top Blast Furnace. Ironmaking and Steelmaking. 2009. Vol. 36, Iss. 7. Р. 505–508. https://doi.org/10.1179/174328109X445705
22. Zhao-jie TENG, Shu-sen Cheng, Peng-yu Du, Xi-bin GUO. Mathematical model of burden distribution for the bell-less top of a blast furnace. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2013. Vol. 20, № 7. P. 620–626. https://dx.doi.org/10.1007/s12613-013-0775-7
23. Dong Fu, Yan Chen, Chenn Q.Zhou. Mathematical modeling of blast furnace burden distribution with non-uniform descending speed. Applied Mathematical Modelling. 2015. Vol. 39, Iss. 23. P. 7554–7567 https://doi.org/10.1016/j.apm.2015.02.054
24. Jong-In Park, Ui-Hyun Baek, Kyoung-Soo Jang, Han-Sang Oh, Jeong-Whan Han. Development of the Burden Distribution and Gas Flow Model in the Blast Furnace Shaft. ISIJ International. 2011.Vol. 51, № 10. Р. 1617–1623. https://doi.org/10.2355/isijinternational.51.1617
25. Yang Y., Yin Y., Wunsch D., Zhang S., Chen X., Li X., Cheng S., Wu M., Liu Kang-Zhi. Development of Blast Furnace Burden Distribution Process Modeling and Control. ISIJ International. 2017. Vol. 57, № 8. Р. 1350–1363. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-002
26. Zhao G., Cheng S., Xu W., Li C. Comprehensive Mathematical Model for Particle Flow and Circumferential Burden Distribution in Charging Process of Bell-less Top Blast Furnace with Parallel Hoppers. ISIJ International. 2015. Vol. 55, № 12. P. 2566–2575. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-342
27. Gupta P. K., Rao A. S., Sekhar V. R., Ranjan M., Naha T. K. Burden distribution control and its optimization under high pellet operation. Ironmaking & Steelmaking. 2010. Vol. 37, Iss. 3. Р. 235–239. http://dx.doi.org/10.1179/174328109X422566
28. Fojtik D., Tuma J., Faruzel P. Computer modelling of burden distribution in the blast furnace equipped by a bell-less top charging system. Ironmaking & Steelmaking. 2021. Vol. 48. Р. 1226–1238. https://doi.org/10.1080/03019233.2021.1952829
29. Li M., Wei H., Ge Y., Xiao G., Yu Y. A Mathematical Model Combined with Radar Data for Bell-Less Charging of a Blast Furnace. Processes. 2020. Vol. 8, № 2. Р. 239. https://doi.org/10.3390/pr8020239
30. Saxen H., Helle M., Li H. (2019). Mathematical model of burden distribution in the blast furnace. In F. Kongoli, P. Assis, M. C. Gomez-Marroquin, S. Kitayama, H. Konishi, A. Murao, S. Nomura, H. Ono, H. Saxen, K. Seto, J. I. Tani Eds.), Sustainable Industrial Processing Summit (SIPS), 2019, Vol. 8: Usui Intl. Symp. / Advanced Sustainable Iron and Steel Making (P. 243–248). Montreal, Canada.
31. Hinnelа J., Saxеn H., Pettersson F. А. Modeling of the Blast Furnace Burden Distribution by Evolving Neural Networks. Ind. Eng. Chem. Res. 2003. Vol. 42, № 11. Р. 2314–2323. https://doi.org/10.1021/ie0203779
32. Park J. I., Jung J. H., Jo M. K., Oh H. S., Han J. W. Mathematical modeling of the burden distribution in the blast furnace shaft. Metals and Materials International. 2011. Vol. 17, Iss. 3, Р. 485–496. https://doi.org/10.1007/s12540-011-0629-7
33. Shi P. Y., Zhou P., Fu D., Zhou C. Q. Mathematical model for burden distribution in blast furnace. Ironmaking & Steelmaking. 2016. Vol. 43, Iss. 1, Р. 74–81. https://doi.org/10.1179/1743281215Y.0000000052
34. Chen J., Zuo H., Xue Q., Wang J. A review of burden distribution models of blast furnace. Powder Technology. 2021. Vol. 398. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.117055
35. Nag S., Gupta A., Paul S., Gavel D. J., Aich B. Prediction of Heap Shape in Blast Furnace Burden Distribution. ISIJ International. 2014. Vol. 54, Iss. 7. P. 1517–1520. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.1517
36. Agrawal A. Blast Furnace Performance Under Varying Pellet Proportion. Trans. Indian Inst. Met. 2019. Vol. 72. P. 777–787. https://doi.org/10.1007/s12666-018-1530-6
37. Mitra T. Modeling of Burden Distribution in the Blast Furnace: Doctor of Technology Thesis / Thermal and Flow Engineering Laboratory Faculty of Science and Engineering Еbo Akademi University. Turku / Abo, Finland, 2016. 89 p. https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-3420-0
38. Li Z., Kuang S., Liu S., Gan J., Yu A., Li Y., Mao X. Numerical investigation of burden distribution in ironmaking blast furnace. Powder Technol. 2019. Vol. 353. P. 385–397. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.05.047
39. Chen J., Zuo H., Xue Q., Wang J. A review of burden distribution models of blast furnace. Powder Technology. 2022. Vol. 398. 117055. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.117055
40. Roeplal R., Pang Y., Adema A., Stel J., Schott D. Modelling of phenomena affecting blast furnace burden permeability using the Discrete Element Method (DEM) – A review. Powder Technology. 2023. Vol. 415. 118161. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.118161
41. Yu Y. W., Saxén H. Analysis of Rapid Flow of Particles in and from an Inclined Chute Using Small-Scale Experiments and Discrete Element Simulation. Ironmaking and Steelmaking. 2011. Vol. 38, Iss. 6. P. 432–442. http://dx.doi.org/10.1179/1743281211Y.0000000015
42. Narita Y., Orimoto T., Mio H., Nomura S. DEM Analysis of Particle Trajectory in Circumferential Direction at Bell-less Top. ISIJ International. 2017. Vol. 57, № 3. P. 429–434. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-560
43. Ma H., Xia X., Zhou L., Xu C. A Comparative Study of the Performance of Different Particle Models in Simulating Particle Charging and Burden Distribution in a Blast Furnace within the DEM Framework. Energies. 2023. Vol. 16, № 9. P. 3890. https://doi.org/10.3390/en16093890
44. Иванча Н. Г., Муравьева И. Г., Вишняков В. И., Щербачев В. Р., Ермолина К. П. Повышение энергоэффективности доменной плавки за счет выбора рациональных параметров режима загрузки многокомпонентной шихты. Problems of the Regional Energetics. Молдавия, 2022. Вып. 2(54). P. 53–62. https://doi.org/10.52254/1857-0070.2022.2-54.05
45. Большаков В. И., Иванча Н. Г., Муравьева И. Г., Вишняков В. И. Технологическое обоснование эффективности загрузки многокомпонентных смешанных порций шихтовых материалов в доменную печь. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. 2012. Вып. 25. С. 103–122.
46. Доброскок В. А. Специальные системы загрузки доменных. Черные металлы. 2007. № 9. С. 13–21.
47. Bukhval’der J., Dobroskok V. A., Lonardi E., Goffin R., Tillen G., Kyoler S. Sovremennye tekhnologii zagruzki domennykh pechey [Modern blast furnace loading systems]. Chyornye metally – Steel and iron. 2008. № 9. P. 21–25. (In Russian).
48. Nikitin L. D., Dolinskiy V. A., Bugayov S. F., Mar’yasov M. F., Denisov Yu. M., Chudnova N. T., Fyodorov I. P. Formirovanie racional’noj struktury stolba shihtovyh materialov v domennoj pechi [Formation of a rational structure of a column of charged materials in a blast furnace]. Metallurg – Metallurgist. 2004. № 2. P. 26–28. (In Russian).
49. Shepetovskiy E. A. Ratsional’noe formirovanie stolba shikhty v domennoy pechi [Rational formation of charge column in a blast furnace]. Stal’ – Steel. 2003. № 5. Р. 11–15. (In Russian).
50. Yaroshevskiy S. L., Nozdrachev V. A., Chebotareyov A. P., Rudenko V. A., Feshchenko S. A., Kuznetsov A. M., Padalka V. P., Hlaponin N. S., Kuzin A. V. Effektivnost’ ispol’zovaniya koksa fraktsii menee 40 mm v domennoy plavke [Efficiency of using coke fraction less than 40 mm in blast-furnace smelting]. Metallurg – Metallurgist. 2000. № 12. Р. 32–35.
51. Litvinov L. F., Yaroshevskiy S. L., Kuznetsov A. M., Padalka V. P., Hlaponin N. S., Kuzin A. V. Effektivnost’ tekhnologii domennojy plavki pri zagruzke v pech’ koksovogo oreshka v smesi s zhelezorudnoy shihtoy [Efficiency of using coke fraction less than 40 mm in blast-furnace smelting]. Metall i lit’yo Ukrainy – Metal and casting of Ukraine. 2004. № 12. Р. 5–9.
52. Yu X., Shen Y. Model study of central coke charging on ironmaking blast furnace performance: Effects of charring pattern and nut coke. Powder Technol. 2020. Vol. 361, P. 124–135. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.10.012
53. Kashihara Y., Iwai Y., Ishiwata N., Oyama N., Matsuno H., Horikoshi H., Yamamoto K., Kuwabara M. Development of New Charging Technique for Mixing Coke in Ore Layer at Blast Furnace with Center Feed Type Bell-less Top. ISIJ International. 2017. Vol. 57, № 4. P. 665–672. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-613
54. Matsui Y., Sato A., Oyama T., Matsuo T. All Pellets Operation in Kobe No. 3 Blast Furnace under Intensive Coal Injection. ISIJ International. 2003. Vol. 43(2). P. 166–174. https://doi.org/10.2355/isijinternational.43.166
55. Калинин А. П., Загайнов С. А., Ярошенко Ю. Г. Математическая модель оценки качественных характеристик потока при их циклической загрузке и выгрузке из бункера. Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1985. № 8. С. 95–98.
56. Калинин А. П. Математические модели движения шихты и ее распределения на колошнике доменной печи. Институт «Черметинформация». Обзорн. Информ. Серия «Подготовка сырьевых материалов к металлургическому переделу и производство чугуна». М., 1990. Вып. 4. С. 1–32.
57. Малахов Г. М. Выпуск руды из обрушенных блоков. М.: Металлургиздат, 1952. 288 с.
58. Квапил Р. Движение сыпучих материалов в бункерах. М.: Госгортехиздат, 1961. 81 с.
59. Панич Ю. В., Пайкин М. З. Математическая модель загрузки и истечения сыпучих материалов из накопительных емкостей с целью усреднения руд. Обогащение руд. 1977. № 3. С. 6–10.
60. Куликов В. В. Выпуск руды. М.: Недра, 1982. 262 с.
61. Nakano K., Isei Y., Natsui T., Watanabe K., Kishino T. Technical Report Tracking Technique of Burden Materials for Blast Furnace with Bell-less Top by Using RFID. Nippon Steel technical report. March 2020. № 123. Р. 83–89. https://www.nipponsteel.com/en/tech/report/pdf/123-13.pdf
62. Nakano K., Sunahara K., Inada T. Advanced Supporting System for Burden Distribution Control at Blast Furnace Top. ISIJ International. 2010. Vol. 50, №. 7, P. 994–999. https://doi.org/10.2355/isijinternational.50.994
63. Kajiwara Y., Jimbo T., Joko T., Aminaga Y., Inada T. Development of a Simulation Model for Burden Distribution in Bell-less Charging Based on Full Scale Model Experiments. Transaction ISIJ. 1985. Vol. 71, № 2. P. 175–182. http://dx.doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.71.2_175
64. Тюзюн У., Неддерман Р. Экспериментальное доказательство кинематического моделирования течений гранулированных сред в отсутствие сопротивления воздуха. Механика гранулированных сред: Теория быстрых движений: Сб. ст. Сер. Механика, М.: Мир, 1985. С. 193–209.
65. Mio H., Kadowaki M., Matsuzaki S., Kunitomo K. Development of particle flow simulator in the charging process of blast furnace by discrete element method. Minerals Engineering. 2012. Vol. 33. P. 27–33. http://dx.doi.org/10.1016/j.mineng.2012.01.002
66. Kumar R., Patel C. M., Jana A. K., Gopireddy S. R. Prediction of hopper discharge rate using combined discrete element method and artificial neural network. Advanced Powder Technology. 2018. Vol. 29(11). P. 2822–2834. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.08/002
67. Chibwe D. K. Optimized burden delivery for blast furnace operations. A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the Degree of doctor of philosophy. Faculty of Engineering and Built Environment at The University of Newcastle. Newcastle, Australia, 2019. 295 p.
68. Большаков В. И. Теория и практика загрузки доменных печей. М.: Металлургия, 1990. 256 с.
69. Исследование параметров потока шихтовых материалов и их распределения на колошнике современной доменной печи / В. И. Большаков, Ю. С. Семенов, Н. Г. Иванча, В. И. Вишняков, Е. И. Шумельчик и др. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2012. № 3. С. 87–92.
70. Большаков В. И., Богачев Ю. А., Вишняков В. И., Иванча Н. Г., Шулико С. Т. Предпусковые исследования загрузки и распределения шихты в доменной печи большого объема. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2008. № 6(1302). С. 39–44.
71. Большаков В. И., Варивода И. Е., Рослик Н. А., Шутылев Ф. М. Влияние движения шихты по трактам загрузочного устройства на окружное распределение в доменной печи. Сб. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Киев : Наукова думка, 1995. С. 57–68.
72. Большаков В. И., Зарембо А. Ю. Исследование движения материалов в шихтовых трактах бесконусных загрузочных устройств. Институт «Черметинформация». Обзорная информация. Сер. «Подготовка сырьевых материалов к металлург. переделу и пр-во чугуна». 1990. Вып. 2. С. 1–9.
73. Большаков В. И., Зарембо А. Ю.Траектории движения шихты в колошниковом пространстве современной доменной печи. Бюллетень ЦНИИЧМ. Черная металлургия. 1985. Вып. 20. С. 35–37.
74. Большаков В. И., Зарембо А. Ю., Сало А. С. Методика расчета параметров схода шихты с распределительного лотка. Сб. МЧМ : Вопросы производства чугуна в доменных печах. М.: Металлургия, 1984. С. 60–64.
75. Большаков В. И., Зарембо А. Ю., Иванча Н. Г. Движение шихты в колошниковом пространстве доменной печи при загрузке лотковым распределителем. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2007. № 4. С. 75–79.
76. Большаков В. И., Семенов Ю. С., Лебедь В. В, Шумельчик Е. И., Вишняков В. И. Модель радиального распределения шихтовых материалов на колошнике доменной печи, оборудованной БЗУ. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. 2011. Вып. 23. С. 52–62.
77. Semenov Yu. S., Shumelchik E. I., Vishnyakov V. I., Nasledov A. V., Semion I. Yu., Zubenko A. V. Model system for selecting and correcting charging programs for blast furnaces equipped with a bell-less charging apparatus. Metallurgist. 2013. Vol. 56, No. 9–10. P. 652–657. «Scopus». (Russian Original Металлург. 2012. № 9–10. С. 36–40). https://doi.org/10.1007/s11015-013-9630-3
Рукопис надійшов до редакції / Received 22.10.2025
Рекомендовано до друку / Accepted 28.05.2026
Опубліковано / Published 30.05.2026
