Численное моделирование теплового состояния водоохлаждаемой доменной фурмы при налипании расплава шлака на ее поверхность

Повышение производительности доменной печи.

Парсункин Б.Н., Сеничкин Б.К., Андреев С.М., Рябчиков М.Ю.

лены и не известны. Уникальность и высокая интеллектуальность рассматриваемой ШСАОУ заключается в том, что для определения и поддержания максимальной текущей производительности доменной печи в системе используются только два информационных сигнала: «текущий расход природного газа» и «текущее значение производительности доменной печи».

Система оптимизации управления расходом при -родного газа рассчитана на программную реализацию при использовании современных микропроцессорных регулирующих контроллеров МРК) и не требует дополнительных технических средств для реализации в производственных условиях.

Использование рассмотренной ШСАОУ позволит практически полностью исключить вмешательство технологического персонала в режимы управления расходом природного газа в печь и обеспечить максимально возможную производительность печи при текущих расходах технологического кислорода и природного газа.

Список литературы

Сеничкин Б.К., Бахчеев Н.Ф., Гостенин В.А. Энергетическая эффективность вдуваний в доменную печь природного и коксового газа // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: сб. науч. трудов. Магнитогорск. МГМА. 1996. Т. 2. 198 с.

Парсункин Б.Н., Бушманова М.В. Расчёты переходных процессов в системах экстремального регулирования с запоминанием экстремумов: учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И.Носова, 2001. 164 с. Применение математических методов и ЭВМ для анализа и управления доменным процессом. Товаровский Н.Г., Райх Е.Н., Шкодин К.К., Улахо-вич В.А. М.: Металлургия, 1978. 264 с.

Bibliography

Senichkin B.K, Bakhcheev N.F., Gostenin V.A. Power efficiency of natural and coking gas inflation in a blast furnace //Problems of development of Ural Mountains metallurgy on the boundary of the XXI century: T.2 the Collection of proceedings. Magnitogorsk. MGMA. 1996. - 198 pp. Parsunkin B. N, Bushmanova M.V. Transients design in systems of extreme regulation with storing of extrema: the Manual. - Magnitogorsk. MGTU of G.I.Nosov. 2001. - 164 pp.

Application of mathematical methods and the computer for the analysis and management of blast-furnace operation. Tovarovskiy N.G., Raykh E.N., Shkodin K.K., Ulakhovich V.A. Metallurgy, 1978. - 264 pp.

УДК 669.187.2.036.046.001.57 Агапитов Е.Б., Болкунова В.А., Шутов К.В.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ВОДООХЛАЖДАЕМОЙ ДОМЕННОЙ ФУРМЫ ПРИ НАЛИПАНИИ РАСПЛАВА ШЛАКА НА ЕЕ ПОВЕРХНОСТЬ

Стойкость применяемых воздушных фурм определяет технологический уровень доменного производства. Проблемы повышения стойкости фурм, анализ условий эксплуатации и причин выхода из строя являются одним из актуальных вопросов производства, так как до 38% простоев доменных печей прихо-дится на замену фурм. Срок их службы составляет для различных заводов от нескольких часов до 250260 суток. Качественно изготовленные и правильно эксплуатируемые фурмы при стабильной технологии доменной плавки имеют стойкость более года. Разработано множество технических решений для повышения стойкости воздушных фурм, методов контроля их текущего состояния и возрастной динамики выхода фурм из строя. Тем не менее, для многих предприятий, в том числе для ОАО «ММК», эта проблема остается актуальной.

При классификации характера разрушения фурм принято рассматривать три основные группы повреждений: трещины, износ и прогар.

Основными причинами прогара фурм является контакт их поверхности с жидким чугуном или шла -ком (рис. 1). На долю прогаров приходится до 75% случаев выхода фурм из строя при среднестатистиче-ский величине 58-63%. При этом случаи прогара носка снизу составляют около 70%, верха носка 23-25%, прогары носка сбоку, сопла или обечайки - 5-7%. Эффективным способом борьбы с прогарами считается утолщение носка.

Так как существующие решения по снижению прогаров не являются вполне очевидными, была предпринята попытка проанализировать тепловое

состояние фурмы при контакте с расплавом шлака с помощью численного моделирования.

Рис. 1. Характер прогара воздушной фурмы

Механизм термического повреждения фурмы можно предоставить следующим образом: при попадании на поверхность перегретого расплава и прилипании его к поверхности фурмы увеличивается плотность теплового потока (и соответственно температура стенки фурмы) выше некоторой критической величины. Начинается процесс парообразования, что временно улучшает охлаждение фурмы за счет затрат тепла на испарение воды. Считается, что в этот период коэффи-циент теплоотдачи может достигать 30-46 кВт/м2К вместо обычных 0,8-1,5 кВт/м2К. Дальнейшая стабилизация паровой прослойки обусловливает рост температуры стенки фурмы вплоть до ее термического разрушения. Упомянутая выше критическая плотность теплового потока зависит от формы, размеров и состояния поверхности охлаждаемой полости, давления, скорости охлаждающей среды.

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ

Численное моделирование теплового состояния фурмы проводили с помощью пакета прикладных программ Flow Vision. Исследование было разделено на несколько этапов. Вначале была рассчитана гидродинамика потока охлаждающей воды в полости фурмы. Построенная в Solid Works геометрия фурмы была импортирована во Flow Vision. В препроцессоре была выбрана модель «Несжимаемая жидкость», для которой рассчитывались поля скоростей. По производственным данным скорость воды на входе в корпус фурмы была принята 10 м/с, заданы граничные условия «Стенка» и «Свободный выход». Построенная расчетная сетка имела следующее число разбиений: вдоль оси х-50, оси у-40, оси z-35. Поле распределения скоростей движения воды в одном из сечений представлено на рис. 2.

выбрана модель «Твердый материал», рассчитывались уравнения энергии. На основе оценочных предварительных расчетов, задавалась начальная температура на внешней поверхности фурмы 70 С (до налипания шлака), на внутренней - со стороны воды 56 С.

Рис. 2. Поле скоростей движения охлаждающей воды в фурме

Из полученных результатов видно, что существуют зоны, где скорость воды практически равна 0 ив них не происходит должного охлаждения, следовательно, повышается вероятность появления прогара. Таким образом, одним из решений может быть увеличение скорости воды для интенсификации теплообмена.

Вероятно, механизм прогара при налипании шлака и постепенно возрастающей тепловой нагрузке следующий: происходит выщербливание меди в зоне контакта с мелкими каплями жидкого чугуна и шлака, при этом образуется настыль, которая со временем расплавляется и способствует растворению слоя оксидов меди жидким шлаком. Прожог происходит за счет постепенного уменьшения толщины медной стенки при росте тепловой нагрузки. С помощью Flow Vision была смоделирована нестационарная задача охлаждения капли жидкого шлака, налипшей на стену фурмы. В Solid Works была построена геометрия стенки фурмы и упрощенная геометрия капли шлака. Для стенки медной фурмы и застывшей капли шлака

Рис. 3. Установившееся тепловое поле капли шлака на стенке фурмы

На основании анализа литературных источников тепловой поток на границе раздела шлак - поверхность фурмы был принят 320000 Вт/м2. Далее была произведена связка подобластей через граничные условия и выполнен расчет. В результате были получены температурные поля по сечению капли шлака в процессе её остывания на стенке фурмы (рис.3). При этом в начальный период налипание капли шлака не оказывает влияния на характер охлаждения всей фурмы.

Однако в дальнейшем, когда на границе образуется шлако - металлический сплав, локальные теплопроводные свойства стенки резко ухудшаются, что и может провоцировать прогар.

Одним из очевидных результатов проведенной работы является обнаружение застойных гидродинамических зон в полости охлаждения фурмы, что требует применения конструктивных решений по интенсификации теплообмена.