Численное моделирование разрушения дутьевой фурмы конвертера

Численное моделирование разрушения дутьевой фурмы конвертера

Аннотация

Проводилось численное моделирование сопла дутьевой фурмы кислородного конвертера. В ходе расчетов были определены причины, приводящие к изменению формы торцевой части насадки. Проводилась оценка влияния температуры газов в конвертере, толщины слоя шлака и толщины слоя накипи на температуру стенки сопла. Проводилась оценка скорости гетерогенной реакции окисления медных стенок в потоке кислорода.

Введение

В настоящей работе рассматривается проблема износа насадки дутьевой фурмы кислородного конвертера. На рис. 1 представлена фурма после отработки нескольких продувочных циклов.

Рисунок 1 – Внешний вид отработанной насадки [1]

Анализ насадки показал изменение формы торцевых частей сопел. Этот процесс может быть признаком: неправильной геометрии сопла (т.е. режим течения допускает проскок в конфузор газов из пространства конвертера), нарушением режима кипения или образованием накипи на охлаждающих поверхностях либо окисление медной стенки сопла кислородом.

В настоящей работе проводился поверочный расчет насадки (рис. 2) состоящей из внутренней трубы (1) по которой осуществлялась подача кислорода, сопла Лаваля (2), внешней трубы (3) для подачи отвода охлаждающей воды, корпуса насадки (4) и наконечника (5) для стабилизации потока. Габаритные размеры сопла и наконечника представлены на рис 2б.

Рисунок 2 – геометрические характеристики сопла фурмы а) насадка б) сопло [2, 3]

Методика

Оценка правильности конструкции сопла (замеры полей скоростей) невозможна в трудных высокотемпературных условиях работы конвертера. Поэтому для минимизации затрат эксперименты были заменены на создание численного двойника насадки дутьевой фурмы. Расчетная область включала в себя одно сопло, стенку сопла, нарост шлака. Домен сопла соприкасался с доменом части объема конвертера (рис. 3).

Рисунок 3 – постановка задачи

Методом конечных объемов решались уравнения неразрывности, Навье-Стокса, сохранения энергии, использовалась модель турбулентности k-epsilon Realizable Wall functions. К граничному условию входа применялось условие по входному избыточному давлению. Рассматривались два режима: переходный (1,2 атм) и рабочий (12 атм). Пространство расчетной области было разбито на 81901 гексагональных элемента в программе ANSYS Mesh. Задача решалась в программе ANSYS Fluent.

Результаты

Расчет зафиксировал, что в переходном режиме струя не была расчетной. Максимальная скорость потока достигалась не на срезе сопла, а на отметке ¾ длины конфузора. В результате чего появляется зона рециркуляции (зеленый овал на рис. 4а) и подсос газов из пространства конвертера.

Рисунок 4 – поля скоростей в сопле в режимах: а) переходном б) рабочем

При рабочем режиме струя перерасширена, подсосов газов и зон рециркуляции зафиксировано не было. Тепловой расчет показывает, что температура окружающих газов и толщина слоя шлака на поверхности насадки не могут существенно повлиять на температуру стенки. При температуре окружающих газов 1400 С и слабо развитом пузырьковом режиме в контуре охлаждения (5000 Вт/(кв.мК)) температура стенки не превышает 200 С. С увеличением толщины шлака температура стенки падает, т.е. шлак играет защитную роль при работе фурмы. Накипь может существенно повлиять на теплосъем. При толщине слоя накипи в 1мм температура стенки может подняться до критических 700 С.

Рисунок 5 – Зависимость температуры стенки от а) температуры газов б) толщины слоя шлака в) толщины слоя накипи

При температуре газов 900 С температура стенки в торцевой части сопла может достигать 350 С (Рис. 6).

Рисунок 6 – Поле температур стенки сопла

Поскольку стенки выполнены из меди, при такой температуре возможно начало окислительных процессов (выражение 1).

Cu+O2=2CuO                                                                      (1)

Кинетические константы гетерогенной реакции окисления меди в кислороде приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Кинетические константы [4]

Для оценки количества меди, вступающей в реакцию с кислородом, применялся закон действующих масс для гетерогенных реакций

Расчет показывает, что за год с 1 квадратного метра торцевой поверхности сопла может безвозвратно окислиться и унестись потоком 1 кг меди.

Заключение

1. Расчеты зафиксировали неправильную работу сопла при переходном режиме. Струя получилась недорасширенной, что приводит к возникновению зоны рециркуляции и подсосу внешних газов, а также ослаблению потока кислорода.

2. Расчеты определили факторы влияющие на температуру стенки. Наиболее опасным негативным фактором можно назвать образование накипи в контуре охлаждения. Толщина слоя накипи 1 мм может привести к пережогу сопла.

3. Расчеты количественно определили унос меди с квадратного метра поверхности стенки сопла по причине окисления меди в кислороде.

4. Поле температур стенки дает возможность оценить размеры защитного наконечника для предотвращения окислительных процессов.

Список литературы

1. Протопопов Е.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОШЛАКОВЫХ НАСТЫЛЕЙ НА ДВУХЪЯРУСНЫХ КИСЛОРОДНЫХ ФУРМАХ ПРИ ПРОДУВКЕ КОНВЕРТЕРНОЙ ВАННЫ. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. Том 58. № 4. С. 248 – 257

2. V V Solonenko. Improvement of the smelting efficiency based on the use of composite nozzles in the oxygen lances of high-capacity converters. Materials Science and Engineering 411 (2018) 012003 doi:10.1088/1757-899X/411/1/012003

3. Е.В. Протопопов. ПЕРСПЕКТИВНАЯ КОНСТРУКЦИЯ КИСЛОРОДНОЙ ФУРМЫ ДЛЯ КОНВЕРТЕРОВ ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» ЕМКОСТЬЮ 350 Т. Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2(4), 2013

4. Z. Feng. Oxidation-Rate Excursions during the Oxidation of Copper in Gaseous Environments at Moderate Temperatures. Oxidation of Metals, Vol. 60, Nos. 5/6, December 2003