Computational Modelling of Sulfur Removal Mechanisms at the Steel–Slag Interface in Secondary Metallurgy / Výpočetní modelování mechanismů odsíření na rozhraní ocel–struska v sekundární metalurgii

Lukáš Fogaraš¹, Slavomír Hubatka¹, Branislav Buľko¹, Peter Demeter¹, Jaroslav Demeter¹, Martina Hrubovčáková¹, Róbert Dzurňák¹, Patrik Fedorko¹, Zuzana Miškovičová¹

¹Technical University of Košice, Faculty of Materials, Metallurgy and Recycling, IMTECH, Slovakia

Abstract

Achieving the required steel purity and composition relies on effective secondary metallurgy processes, particularly during ladle refining. This study investigates sulfur removal mechanisms at the steel–slag interface using computational modelling. The research focuses on how slag composition and physical behaviour influence desulfurization during ladle treatment. A combination of CFD simulations and thermodynamic analysis was used to explore interfacial transport and reaction phenomena under realistic process conditions. Input data for the simulations were based on operational parameters and chemical compositions obtained from an industrial steelmaking plant. Statistical analysis and multi-parameter modelling were used to define the relationships between key slag properties—such as viscosity, basicity, and interfacial tension—and their influence on sulfur transfer efficiency. CFD simulations realized in Ansys Fluent captured the dynamics of multiphase flow and mass transfer, yielding results that closely reflect observed process trends. The study demonstrates that optimizing slag characteristics and refining parameters can significantly enhance sulfur removal during secondary steelmaking. The findings provide a computational basis for improving process control and refining strategies in industrial practice. By accurately modelling the steel–slag interface, this work supports the development of more effective and predictive tools for optimizing desulfurization in ladle metallurgy.

Keywords: secondary metallurgy, CFD-simulation, steel-slag interface, steel desulfurization, ladle slag

Abstrakt

Dosažení požadované čistoty a chemického složení oceli závisí na účinnosti procesů sekundární metalurgie, zejména během pánvové rafinace. Tato studie se zabývá mechanismy odstraňování síry na rozhraní ocel–struska s využitím numerického modelování. Výzkum je zaměřen na vliv složení strusky a jejích fyzikálních vlastností na průběh odsíření během pánvového zpracování. K analýze transportních a reakčních dějů na rozhraní za realistických procesních podmínek byla použita kombinace CFD simulací a termodynamického modelování. Vstupní data pro simulace vycházela z provozních parametrů a chemického složení získaných z průmyslového provozu. Pro stanovení vztahů mezi klíčovými vlastnostmi strusky – jako jsou viskozita, zásaditost a mezifázové napětí – a jejich vlivem na účinnost přenosu síry byla využita statistická analýza a víceparametrové modelování. CFD simulace realizované v prostředí Ansys Fluent zachycují dynamiku vícefázového proudění a přenosu hmoty a poskytují výsledky v dobré shodě s pozorovanými provozními trendy. Studie ukazuje, že optimalizace vlastností strusky a parametrů rafinace může významně zvýšit účinnost odsíření během sekundární metalurgie. Získané poznatky poskytují výpočetní základ pro zlepšení řízení procesu a návrhu rafinačních strategií v průmyslové praxi. Díky přesnému popisu rozhraní ocel–struska tato práce přispívá k vývoji pokročilých prediktivních nástrojů pro optimalizaci odsíření v pánvové metalurgii.

Klíčová slova: sekundární metalurgie, CFD simulace, rozhraní ocel-struska, odsíření oceli, pánvová struska

Stáhnout článek