Electromagnetic and gas stirring as a new approach to purifying the steelmaking process in metallurgical industry - investigations based on the advanced, multiphase numerical models

Abstract

Przemysł stalowy jest jednym z najważniejszych przemysłów na świecie. Jednak pomimo jego znaczenia, procesy wytwarzania stali są niezwykle intensywne w emisji dwutlenku węgla. Jednym z rozwiązań jest elektryczne wytwarzanie stali, w którym wymagane są operacje takie jak mieszanie, aby zapewnić wysoką efektywność procesu produkcji i jakość stali. W przypadku eklektycznych pieców łukowych (EAF) konieczne są również dodatkowe urządzenia towarzyszące, takie jak piec kadziowy (I.F) i kadź pośrednia. W tych procesach rola mieszania również pozostaje kluczowa. Przed-stawiona praca koncentruje się na rozwoju technologii mieszania elektromagnetycznego dla przemysłu stalowego, gdzie badania eksperymentalne w warunkach przemysłowych są trudne do przeprowadzenia. Dlatego też koncepcja pracy skupia się na wykorzystaniu zaawansowanych symulacji numerycznych wspieranych analizami z zakresu modelowania fizycznego. W pracy zapropono¬wano i opracowano wielofazowy model obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), aby uwzględnić mieszanie elektromagnetyczne, mieszanie gazem, transfer ciepła oraz proces usuwania wtrąceń niemetalicznych. Ponadto, na podstawie badań, zaproponowano nowe mieszadła elektromagnetyczne dla wszystkich trzech przypadków: EAF, LF i kadzi pośredniej, aby poprawić ich wydajność w oparciu o efektywność mieszania, czas mieszania i czystość stali. Uzyskane wyniki umożliwiły opracowanie nowego rozwiązania technologicznego, które zostało wdrożone w przemyśle.

The steelmaking industry is one of the most important industries in the world. However, despite its importance, steelmaking processes are extremely intensive in carbon dioxide emissions. One solution is electric steelmaking, where operations like stirring are required to ensure the production process's high efficiency and steel quality. In the case of the electric arc furnace (EAF), additional accompanying devices like a ladle furnace (LF) and tundish are also required. In these processes, the role of stirring technologies also remains critical. The presented work focuses on the electromagnetic stirring technology for the steelmaking industry, where conducting real experiments is challenging, so the attention is put on the numerical simulations supported by the water modelling. In the work, the multiphysics computational fluid dynamics (CFD) model was proposed and developed to include the electromagnetic stirring, gas stirring, heat transfer and non-metallic inclusion removal process. Moreover, based on the comprehensive study, the new electromagnetic stirrers are proposed for all three cases: FAF, IT, and tundish to improve their metallurgical performance based on the stirring efficiency, mixing time, and cleanliness of the steel. The new knowledge and the developed new technological solution were already implemented in the steel plant.