CFD-DEM Simulation of the Scrap Hot Metal Interaction in Steelmaking Furnace / 
Numerická CFD-DEM simulace: Interakce mezi šrotem a roztaveným kovem v konvertoru

Mohammed B. A. Hassan¹, Florian Charruault², Bapin Kumar Rout², Frank N. H. Schrama^1,2, Neslihan Dogan¹, Johannes A. M. Kuipers³, Yongxiang Yang¹

¹Department of Materials Science and Engineering, Delft University of Technology, Delft 2628 CD, The Netherlands
²Tata Steel, IJmuiden 1970 CA, The Netherlands
³Chemical Engineering and Chemistry, Eindhoven University of Technology, Eindhoven 5612AZ, The Netherlands

Abstract

Increasing scrap usage in the Basic Oxygen Furnace (BOF) process is essential for improving sustainability and circularity in steel production. However, this approach poses challenges such as scrap distribution forming piles and refractory wear. To better understand the hydrodynamic interactions between hot metal and steel scrap during hot metal charging and rotation of the BOF, this study employs a coupled computational fluid dynamics – discrete element method (CFD-DEM) approach. The two-phase flow of hot metal and air is modelled using the Volume of Fluid (VOF) method, while the motion of individual scrap particles is simulated using the DEM. The current study simulates 100 tonnes of scrap charged from the scrap-box into an industrial-scale 330-tonne BOF furnace. It evaluates two scrap packing strategies (horizontal and vertical) by quantifying refractory wear using DEM. The results show that the horizontal packing strategy leads to a less worn area compared to its counterpart (the vertical strategy). The coupled CFD-DEM model is used to predict a potential iceberg formation near the converter wall during furnace rotation (before blowing) for a case of retarded melting. The CFD-DEM framework presented here provides a valuable tool for simulating and optimizing BOF operations, thereby increasing the efficiency of scrap usage in the modern steelmaking industry.

Keywords: CFD-DEM, scrap, hot metal, BOF, steelmaking

Abstrakt

Zvyšování podílu šrotu v procesu kyslíkového konvertoru (BOF) je klíčové pro zlepšení udržitelnosti a cirkularity výroby oceli. Tento přístup však přináší řadu výzev, jako je nerovnoměrná distribuce šrotu vedoucí k tvorbě shluků a zvýšenému opotřebení žáruvzdorné vyzdívky. Pro lepší pochopení hydrodynamických interakcí mezi tekutým surovým železem a ocelovým šrotem během vsázky surového železa a naklápění konvertoru využívá tato studie sdružený přístup výpočetní dynamiky tekutin a metody diskrétních prvků (CFD-DEM). Dvoufázové proudění surového železa a vzduchu je modelováno metodou Volume of Fluid (VOF), zatímco pohyb jednotlivých částic šrotu je simulován pomocí metody DEM. Studie simuluje vsázku 100 tun šrotu ze šrotového koryta do průmyslového kyslíkového konvertoru o kapacitě 330 tun. Jsou hodnoceny dvě strategie uspořádání šrotu (horizontální a vertikální) na základě kvantifikace opotřebení vyzdívky pomocí DEM. Výsledky ukazují, že horizontální uspořádání vede k menší míře opotřebení ve srovnání s vertikální variantou. Propojený model CFD-DEM je dále využit k predikci potenciální tvorby tzv. „iceberg“ struktury v blízkosti stěny konvertoru během jeho naklápění (před dmýcháním) v případě pomalejšího tavení. Představený modelový rámec CFD-DEM prezentuje účinný nástroj pro simulaci a optimalizaci provozu BOF, a tím i pro zvýšení efektivity využití šrotu v moderním ocelářském průmyslu.

Klíčová slova: CFD-DEM model, šrot, surové železo, kyslíkový konvertor (BOF), výroba oceli

Stáhnout článek