DOI: 10.52150/2522-9117-2026-40-026
Т. С. Голуб1,*, к.т.н., ст. досл. ORCID 0000-0001-9269-2953
O. М. Мінай1, Ph. D., ORCID 0000-0002-4180-0149
1 Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України
* Автор для листування: isinasu.golubts@gmail.com
СУЧАСНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ РОЗПОДІЛУ ПОТОКІВ ТА ЇХ ШВИДКОСТЕЙ У РІДКІЙ ФАЗІ ПРИ ПРОДУВЦІ КРІЗЬ СОПЛО ЛАВАЛЯ
Анотація. Киснево-конвертерний процес виробництва сталі постійно розвивається, а кожне вдосконалення потребує дослідження та відпрацювання робочих моментів у лабораторних умовах при невеликих базових витратах. У зв’язку із цим активно розвиваються методи чисельного моделювання, для реалізації яких найбільш актуальним та випробуваним часом й різними дослідженнями є прикладна програма ANSYS FLUENT. Вона має високу продуктивність та володіє широкими можливостями щодо обчислення гідро-газодинамічних явищ. З використанням цієї програми було проведено дослідження формування та розподілу потоків у водному середовищі та у розплаві чавуну під дією газового потоку, який витікає з сопла Лаваля за умов продувки з тиском, що удвічі перевищує тиск навколишнього середовища. Проведена комплексна валідація результатів чисельного моделювання із залученням фізичного низькотемпературного та високотемпературного моделювання показали високий ступінь відповідності отриманих результатів. За результатами обчислення було встановлено, що величина швидкостей потоків в рідині на порядок менша, ніж початкова величина швидкості газового потоку, який виходить з сопла Лаваля, а найбільші швидкості потоків в рідині зосереджені в центральній частині ванни під кратером, який утворюється завдяки дії газового струменя на рідину. За умов продування води глибина кратеру й ділянка розповсюдження найвищих показників швидкості потоків удвічі більша, ніж за умов продувки чавуну. Відзначено, що у центральній частині ванни під кратером формується потік, який протидіє напрямку та впливу газового потоку, а за умов найбільшого занурення газового струменя у ванну утворюється декілька протинаправлених вертикальних потоків, що закінчуються вихроподібними утвореннями. Причому у металевій ванні кількість додаткових потоків більша. Отримані результати чисельного дослідження, порівняні з результатами реального фізичного моделювання у аналогічних умовах, мають важливий потенціал для поповнення бази даних щодо особливостей взаємодії газових потоків, які витікають з сопла Лаваля за продувного тиску удвічі більшого за атмосферний з водним середовищем та рідким розплавом чавуну.
Ключові слова: киснево-конвертерний процес, верхня продувка, сопло Лаваля, гідро-газодинамічні процеси, чисельне моделювання.
Посилання для цитування: Голуб Т. С., Мінай О. М. Сучасні методи дослідження розподілу потоків та їх швидкостей у рідкій фазі при продувці крізь сопло Лаваля. Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2026. Вип. 40. С. 433-453. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2026-40-026
Перелік посилань
1. Охотський В. Б., Костьолов О. Л., Сімонов В. К., Ковальов Д. А., Тараканов А. К., Кучер А. Г., Яковлев Ю. М. Теорія металургійних процесів. К., 1997. 507 с.
2. Сущенко А. В. Развитие конструкций кислородно-конвертерных фурм с центральным сопловым модулем. Вісник Приазовського державного технічного університету. Сер. : Технічні науки. 2011. Вип. 22. С. 60–67
3. Вергун А. С., Чернятевич А. Г., Нестеров А. С., Чайка А. Л., Тогобицкая Д. Н., Кисляков В. Г., Молчанов Л. С. Современный технологический маршрут конвертерного производства качественного железоуглеродистого полупродукта в сырьевых и энергетических условиях Украины. Метал та лиття України. 2020. 28, № 1. С. 30–37. https://doi.org/10.15407/steelcast2020.01.30
4. Зражевский А. Д., Чернятевич А. Г., Сущенко А. В., Гриценко А. С. Состояние и дальнейшее совершенствование конструкций кислородных фурм в конвертерных цехах Украины. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2014. № 6. С. 20–30.
5. Venkata Lakshmi M., Chandra Mouli K. V. V. N. R. Study of oxygen blowing lance and it’s drive mechanism in LD converters. International journal and magazine of engineering. Technology, management and research. 2017. Vol. 4 (4). P. 53–56
6. Чернятевич А. Г. Направления совершенствования комбинированной продувки конвертерной ванны кислородом и нейтральным газом. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. 2014. Вып. 28. С. 147–160.
7. Чернятевич А. Г., Вакульчук В. В. О повышении эффективности верхней продувки конвертерной ванны. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. 2015. Вып.30. С. 130–147
8. Сущенко А. В. Совершенствование и оптимизация дутьевых режимов и устройств кислородных конвертеров. Вісник Приазовського державного технічного університету. 2009. вып. 19. С. 36–41
9. Molloy N. A. Impinging jet flow in a two phase system: The basic flow pattern. Journal of the Iron and Steel Institute. 1970. Vol. 208. P. 943–950.
10. Sato S., Ando M., Okada J., Ueda Y., Iguchi M. Prediction of plunging depth induced by top lance gas blowing onto a low-melting-point metal bath. ISIJ International. 2020. Vol. 60(8). P. 1675–1683. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2018-125
11. Okhotskii V. B. Top injection of the steel-smelting bath with deep penetration: A model. Steel in Translation. 2008. Vol. 38 (6). P. 424–428. https://doi.org/10.3103/S0967091208060028
12. Cao L., Wang Y., Liu Q., Feng X. Physical and mathematical modeling of multiphase flows in a converter. ISIJ International. 2018. Vol. 58(4). P. 573–584. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-680
13. Goncalves F., Ribeiro M., Correa R., Silva R., Braga B., Maia B., Tavares R., Carvalho D., Schenk J. Measurements methodologies for basic oxygen furnace cold modeling. Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 13. P. 834–856. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.04.050
15. Zhang L., Qi F., Liu Z., Cheung S. C. P., Li B. Investigation of droplet splashing behavior relevant to molten steel flow: a full-scale water model study using VOF–DPM and Eulerian wall film model. Metallurgical and Materials Transactions B. 2026. Vol. 57(3). P. 1568–1588. https://doi.org/10.1007/s11663-025-03941-w
16. Hwang H. Y., Irons G. A. A water model study of impinging gas jets on liquid surfaces. Metall. Mater. Trans. B. 2012. Vol. 43. P. 302–315. http://dx.doi.org/10.1007/s11663-011-9613-3
17. Odenthal H. J., Emling W. H., Kempken J., Schlüter J. Advantageous numerical simulation of the converter blowing process. Iron & Steel Technology. 2007. Vol.4 (11). P. 71–89
18. Errson M., Tillander A. Review on CFD simulation and modeling of decarburiza-tion processes. Steel Research International. 2018. Vol. 89(1). Art. 1700108. https://doi.org/10.1002/srin.201700108
19. Самохвалов С. Є., Косухіна О. С. Чисельні методи в розрахунках металургійних агрегатів. Дніпродзержинськ, видавництво ДДТУ, 2009. 103 с.
20. Szekely J., Asai S. Turbulent fluid flow phenomena in metals processing operations: Mathematical description of the fluid flow field in a bath caused by an impinging gas jet. Metall. Trans. 1974. Vol. 5. P. 463–467. https://doi.org/10.1007/BF02644115
21. Чернятевич А. Г., Сігарьов Є. М., Зуєв О. І. Математична модель гідродинамічних процесів у багатофазному середовищі в порожнині конвертера під час продувки розплаву металу газовими струменями з частковою передачею імпульсу на межі розподілу зон. Математичне моделювання. 2002. №1(8). С. 77–80.
22. Ferziger J. H. and Peric M. Computational methods for fluid dynamics. Springer Science & Business Media, Berlin, 2002. 309 p.
23. Zucker R. D., Biblarz O. Fundamentals of gas dynamics, 2nd ed., Wiley, Hoboken, NJ, 2002. 493 р.
24. Bhattacharya T., Zhan L., Chukwulebe B. Design considerations for supersonic oxygen lances in a Basic oxygen furnace. 2016. Conference: SCANMET V at: Lulea, Sweden.12-15 June, 2016.
25. Liu F., Sun D., Zhu R., Li Y. Characteristics of flow field for supersonic oxygen multijets with various Laval nozzle structures. Metall. Metall. Trans. B. 2019. Vol. 50. P. 2362–2376. https://doi.org/10.1007/S11663-019-01652-7
26. Okhotskii V. B. Structure of gas jets. Steel in the USSR. 1983. Vol.13(11). P. 489–490
27. Капустин Е. А., Лухтура Ф. И. Одномерная теория струй. Вісник приазовського державного технічного університету. Технічні науки.2001. Вип. 11. С. 243–249
28. Rathakrishnan E. Applied Gas Dynamics, 2nd Edition. Wiley, 2019. 656 p.
29. Kruskopf A. A 2D axisymmetric mixture multiphase model for bottom stirring in a BOF converter. Metallurgical and Materials Transactions B. 2017. Vol. 48(1). P. 619–631. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0856-x
30. Nguyen A. V., Evans G. M. Computational fluid dynamics modelling of gas jets impinging onto liquid pools. Applied Mathematical Modelling. 2006. Vol. 30. Iss. 11. P. 1472–1484. https://doi.org/10.1016/j.apm.2006.03.015
31. Lorstad D., Fuchs L. High-order surface tension VOF-model for 3D bubble flows with high density ratio. J. Comput. Phys. 2004. Vol. 200 (1). P. 153–176. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2004.04.001
32. Welch S. W. J., Wilson J. A volume of fluid based method for fluid flows with phase change. J. Comput. Phys. 2000. Vol.160(2). P. 662–682. https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6481
33. Chernyatevich A. G., Zarvin E. Y., Volvovich M. I. Observation through a transparent wall of the behavior of a basic oxygen furnace bath during injection. Steel USSR. 1975. Vol. 5. P. 79–81
34. Semykin S. I., Golub T. S., Dudchenko S. A. Direct observation of high-temperature areas of metal melt at oxygen converter blowing with low voltage application. Sci. in nov. 2021. Vol. 17, No. 4. Р. 44–54. https://doi.org/10.15407/scine17.04.044
35. Barron M. A., Medina D. Y., Reyes J. Interaction between a liquid surface and an impinging gas jet. World Journal of Engineering and Technology. 2021. Vol. 9. P. 793–803. https://doi.org/10.4236/wjet.2021.94055
36. Лухтура Ф. И. О степени усвоения кислорода металлической ванной при верхнем вдуве в LD-конвертер. Вісник приазовського державного технічного університету. Технічні науки. 2018. Вип. 36. С. 39–53 https://doi.org/10.31498/2225-6733.36.2018.142513
Рукопис надійшов до редакції / Received 09.02.2026
Рекомендовано до друку / Accepted 28.05.2026
Опубліковано / Published 30.05.2026
