Том 337 № 3 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/3/5329
Результаты физического и численного моделирования перфорированного пода для реактора жидкофазного восстановления железа
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.
Для цитирования: Результаты физического и численного моделирования перфорированного пода для реактора жидкофазного восстановления железа. К.В. Строгонов, Д.Д. Львов, В.А. Мурашов, М.Д. Семенов. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 3, С. 128–138. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/3/5329
Ключевые слова:
энергоэффективность, восстановление железа, производство стали, барботаж, водород, природный газ, эксперимент
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ekwurzel B. The rise in global atmospheric CO2, surface temperature, and sea level from emissions traced to major carbon producers. Climatic Change, 2017, Vol. 144, № 4, P. 579–590. DOI: 10.1007/s10584-017-1978-0
2. Anderson T.R., Hawkins E., Jones P.D. CO2, the greenhouse effect and global warming: from the pioneering work of Arrhenius and Callendar to today’s Earth System Models. Endeavour, 2016, Vol. 40, № 3, P. 178–187. DOI: 10.1016/j.endeavour.2016.07.002
3. Ходосов И.Е. Разработка и исследование процессов получения металлизованных материалов при использовании сырьевой базы Кузбасса. Новокузнецк: Сиб. гос. индустр. ун-т, 2016. 156 с.
4. Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения. под ред. Н.И. Данилова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 564 с.
5. Strogonov K.V., Tolkanov S.V., Korkots K.A., Thermostatiс cover for improving energy and technological efficiency of steel mills. E3S Web of Conferens International Science Conference SPbWOSCE-2018 “Business Technologies for Sustainable Urban De-velopment”. 2019. № 110. 01003. DOI: 10.1051/e3sconf/201911001003.
6. Мишин Ю.П. О конкурентоспособности российской металлургии. Чистая сталь: от руды до проката: сборник докладов I Всероссийской научно-технической конференции. М.: Металлургиздат, 2020. С. 6–9.
7. Войнов О.Ю. Сравнение энергозатрат в современных технологиях производства стали. Энерго и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Екатеринбург, УрФУ, 2017. С. 127–131.
8. MIDREX. World direction statistics, 2020. URL: https://www.midrex.com/wp-content/uploads/Midrex-STATSbookprint-2020.Final_.pdf (дата обращения: 18.01.2025).
9. COREX. Efficient and environmentally friendly smelting reduction. Primetals technologies, 2020. URL: https://www.primetals.com/fileadmin/user_upload/content/01_portfolio/1_ironmaking/corex/COREX.pdf (дата обращения: 18.01.2025).
10. The finex process economical and environmentally safe ironmaking. Primetals technologies, 2020. URL: https://www.primetals.com/fileadmin/user_upload/content/01_portfolio/1_ironmaking/finex/THE_FINEX_R__PROCESS.pdf (дата обращения: 18.01.2025).
11. Картавцев С.В. Интенсивное энергосбережение и технический прогресс черной металлургии: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО "МГТУ", 2008. 311 с.
12. Нешпоренко Е.Г., Картавцев С.В. Вопросы энергоресурсосбережения при извлечении железа из руд: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. 153 с.
13. Beknazarian D.V., Kanevets G.E., Strogonov K.V. Methodological bases of optimization of thermal insulation structures of glass furnaces. Journal of Physics: Conference Series. The Third Conference "Problems of Thermal Physics and Power Engineering", 2020. DOI: 10.1088/1742-6596/1683/5/052027.
14. Агрегат непрерывного получения стали: пат. № 2760199, Российская Федерация, С21В; заявл. 30.12.2020; опубл. 22.11.2021, Бюл. № 33. 8 с.
15. Жидкофазное восстановление железных руд углеродводородной смесью и водородом. К.В. Строгонов, А.Л. Петелин, А.Ю. Терехова, Д.Д. Львов, В.А. Мурашов, А.А. Борисов. Промышленная энергетика, 2023, № 8, С. 43–49.
16. Определение оптимального состава железорудных материалов для реактора жидкофазного восстановления. К.В. Строгонов, А.К. Бастынец, Д.Д. Львов, В.А. Мурашов. Металлург, 2025, № 8, С. 98–105.
17. Reduction of iron-containing materials by carbon-hydrogen mixture in a liquid-phase reactor. K.V. Strogonov, D.D. Lvov, V.A. Murashov, A.K. Bastynets, A.L. Petelin, O.V. Dyudina. International Journal of Hydrogen Energy, 17 April 2025, Vol. 120, P. 346–353. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319925013916 (дата обращения: 18.01.2025).
18. Experiment on direct liquid-phase reduction of iron and steel production by carbon-hydrogen mixture. K.V. Strogonov, V.A. Murashov, Kh.M. Kozyrev, A.K. Bastynets, D.D. Lvov, A.A. Bezberda. International Journal of Hydrogen Energy, 2025, Vol. 153, 150174, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.150174.
19. Математическое моделирование перфорированного пода сталеплавильного агрегата непрерыв ного действия. К.В. Строгонов, А.В. Бурмакина, Д.Д. Львов, А.К. Бастынец, В.А. Мурашов. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2024, Т. 335, № 12, C. 59–71. DOI: 10.18799/24131830/2024/12/4549
20. К вопросу о численном моделировании процесса барботажа расплава углеродводородной смесью в реакторе жидкофазного восстановления. К.В. Строгонов, А.К. Бастынец, Д.Д. Львов, В.А. Мурашов. Черные металлы, 2025, № 6, С. 16–21.
21. Fluent A. Ansys fluent theory guide. USA, Ansys Inc., 2011. Vol. 15317, P. 724–746.
22. Зариковская Н.В. Математическое моделирование систем. Цифровой образовательный ресурс IPR SMART. URL: https://www.iprbookshop.ru/72124.html (дата обращения: 20.09.2025).
REFERENCES
1. Ekwurzel B. The rise in global atmospheric CO2, surface temperature, and sea level from emissions traced to major carbon producers. Climatic Change, 2017, vol. 144, no. 4, pp. 579–590. DOI: 10.1007/s10584-017-1978-0.
2. Anderson T.R., Hawkins E., Jones P.D. CO2, the greenhouse effect and global warming: from the pioneering work of Arrhenius and Callendar to today’s Earth System Models. Endeavour, 2016. vol. 40, no. 3. p. 178–187. DOI: 10.1016/j.endeavour.2016.07.002.
3. Khodosov I.E. Development and research of processes for obtaining metallized materials using the Kuzbass raw material base. Cand. Diss. Abstract. Novokuznetsk, 2016. 22 p. (In Russ.)
4. Danilov N.I., Shchelokov Ya.M. The basics of energy saving. Ekaterinburg, UGTU-UPI Publ., 2006. 564 p. (In Russ.)
5. Strogonov K., Tolkanov S., Korkots K. Thermostating cover as improving energy efficiency and technological steel mills. E3S Web of Conferens International Science Conference SPbWOSCE-2018 “Business Technologies for Sustainable Urban De-velopment”, 2019, no. 110, 01003. DOI: 10.1051/e3sconf/201911001003.
6. Mishin Yu.P. On the competitiveness of the Russian metallurgy. Pure steel: from ore to rolled products. Moscow, NGO "Association of Steelmakers" Publ., 2020. pp. 6–9. (In Russ.)
7. Voynov O.Yu., Lisienko V.G., Chesnokov Yu.N., Lapteva A.V. Comparison of energy consumption in modern steel production technologies. Energy and resource conservation. Energy supply. Non-traditional and renewable energy sources. Ekaterinburg, Ural Federal University Publ., 2017. pp. 127–131. (In Russ.)
8. MIDREX. World direction statistics, 2020. Available at: https://www.midrex.com/wp-content/uploads/Midrex-STATSbookprint-2020.Final_.pdf (accessed: 18 January 2025).
9. COREX. Efficient and environmentally friendly smelting reduction, 2020. Available at: https://www.primetals.com/fileadmin/user_upload/content/01_portfolio/1_ironmaking/corex/COREX.pdf (accessed: 18 January 2025).
10. The FINEX process economical and environmentally safe ironmaking, 2020. Available at: https://www.primetals.com/fileadmin/user_upload/content/01_portfolio/1_ironmaking/finex/THE_FINEX_R__PROCESS.pdf (accessed: 18 January 2025).
11. Kartavtsev S.V. Intensive energy saving and technical progress of ferrous metallurgy. Magnitogorsk, NMSTU Publ., 2008. 311 p. (In Russ.)
12. Neshporenko E.G., Kartavtsev S.V. Issues of energy conservation in the extraction of iron from ores. Magnitogorsk, NMSTU Publ., 2007. 153 p. (In Russ.)
13. Beknazarian D.V., Kanevets G.E., Strogonov K.V. Methodological bases of optimization of thermal insulation structures of glass furnaces. Journal of Physics: Conference Series. The Third Conference "Problems of Thermal Physics and Power Engineering", 2020. DOI: 10.1088/1742-6596/1683/5/052027.
14. Strogonov K.V., Kornilova L.V. Continuous Steel Production Unit. Patent RF, no. 2760199, 2021. (In Russ.)
15. Strogonov K.V., Petelin A.L., Terekhova A.Yu., Lvov D.D., Murashov V.A., Borisov A.A. Liquid-phase reduction of iron ores with a hydrocarbon mixture and hydrogen. Industrial Power Engineering, 2023, vol. 8, pp. 43–49. (In Russ.) DOI: 10.34831/EP.2023.43.83.006.
16. Strogonov K.V., Lvov D.D., Bastynets A.K., Murashov V.A. Determination of the optimal composition of iron ore materials for a liquid-phase reduction reactor. Metallurg, 2025, no. 8, pp. 98–105. (In Russ.)
17. Strogonov K.V., Lvov D.D., Bastynets A.K., Murashov V.A., Petelin A.L., Dyudina O.V. Reduction of iron-containing materials by carbon-hydrogen mixture in a liquid-phase reactor. International Journal of Hydrogen Energy, 17 April 2025, vol. 120, pp. 346–353. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.03.257.
18. Strogonov K.V., Murashov V.A., Kozyrev K.M., Bastynets A.K., Lvov D.D., Bezberda A.A. Experiment on direct liquid-phase reduction of iron and steel production by carbon-hydrogen mixture. International Journal of Hydrogen Energy, 2025, vol. 153, 150174. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.150174.
19. Strogonov K.V., Burmakina A.V., Lvov D.D., Bastynets A.K., Murashov V.A. Mathematical modeling of a perforated continuous steel-smelting unit. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2024, vol. 335, no. 12, pp. 59–71. DOI: 10.18799/24131830/2024/12/4549.
20. Strogonov K.V., Bastynets A.K., Lvov D.D., Murashov V.A. On the numerical modeling of the bubbling process of melt with a hydrocarbon mixture in a liquid-phase reduction reactor. Chernye Metally, 2025, no. 6, pp. 16–21. (In Russ.)
21. Fluent A. Ansys fluent theory guide. USA, Ansys Inc., 2011. Vol. 15317, pp. 724–746.
22. Zarikovskaya N. V. Mathematical modeling of systems. Tomsk, TUSUR University Publ., 2014. 168 p. (In Russ.)
