Масштабирование процесса засорения дутьевых фурм конвертера средствами CFD ANSYS Fluent

Введение

Обратим внимание на конвертер, расположенный на одном из объектов компании Lonmin (рис. 1). Сравнительно недавно установка претерпела конструктивные изменения.

Рисунок 1 – Конвертер а) с системой очистки б) без системы очистки (нижний) в) дополнительные компрессоры [Kapusta, 2012]

Существовавшая ранее система очистки фурм от шлака рис. 1а была удалена, количество фурм было сокращено б) и были подключены дополнительные воздушные компрессоры в).

В данной работе попробуем разобраться в причинах столь дорогостоящей модернизации установки, этапах и результатах проекта.

Проблемы

Функционирование конвертеров сопряжено с рядом трудностей, влияющих на их производительность. Одна из ключевых проблем – термическое зарастание дутьевых фурм шлаком. Приводящая к увеличению гидравлического сопротивления фурм, ослаблению дутья, абразивному износу насадок и футеровки, длительным и частым остановам конвертера на период очистки.

Рисунок 2 – Абразивный износ насадок [Kapusta, 2012]

Зарастание фурм происходило за период равный 6ти пускам конвертера.

Рисунок 3 – Зарастание дутьевых фурм продуктами плавки, окончания а) первого и б) шестого циклов [Kapusta, 2012]

О проблеме было известно и ранее [Boxall, 1982], но в промышленных масштабах оптимизация последствий этого негативного эффекта произвелась сравнительно недавно [Kapusta, 2012]. И немаловажную роль в сдвиге проблемы с места сыграли методы компьютерной гидродинамики, благодаря которым фундаментальные представления о процессе зарастания фурм были отмасштабированы для крупных промышленных установок. Благодаря расчетам удалось численно обосновать целесообразность проведения модернизации установки и взвешенно оценить все плюсы и минусы проекта.

Методика

Лабораторное исследование проводилось на холодной модели. Через воду пропускали воздух, охлажденный до температуры -183 С.

Рисунок 4 – Результаты лабораторных исследований процесса зарастания фурм [Iguchi, 1993]

Исходя из теоретических представлений о процессе, поток холодного газа должен охлаждать продукты плавки в результате чего последние частично преодолевают процесс фазового перехода и преобразуются из жидкого агрегатного состояния в твердое. С течением времени содержание твердой фазы в рассматриваемом объеме расплава увеличивается, и распространяется вглубь фурмы. Теоретические представления о процессе были подтверждены экспериментальными данными. При пропускании холодного воздуха через слой воды при скорости 0,32 маха, пространсво грибовидного пузыря начинал заполнять лед, распространясь с течением времени вглубь насадки.

Проделанные фундаментальные исследования легили в основу ряда математических моделей [Iguchi, 1993; Bustos, 1988], применимых впоследствии в ANSYS Fluent [Akdogan, 2015].

В работе [Akdogan, 2015] рассматривался участок конвертера, относящийся только одной фурме (всего их было 8). Пространство конвертера было представлено гексагональной сеткой. Пространство вблизи фурмы было разбито на более мелкие расчетные элементы.

Рисунок 5 – Расчетная сетка участка конвертера [Akdogan, 2015]

В ходе моделирования рассчитывались уравнения сохранения массы, Навье стокса, турбулентности (модель k esilon), закон сохранения энергии. Для описания трехфазного (воздух, шлак, штейн) потока применялась модель объема жидкости. Решение проводилось в нестационарной постановке с временным шагом 1е-4 с. Минимальная невязка равнялась одной тысячной.

Результаты

При дозвуковом режиме пламя окислителя распределялось вдоль стенок конвертера. Давления не хватало для проникновения вглубь слоя (рис. 6а). Расчет показывает, что максимальную скорость поток приобретает не на срезе сопла, а в объеме расплава.

Рисунок 6 – векторы скоростей окислителя [Akdogan, 2015]

При звуковом режиме течения потока окислителя достигает максимальной скорости именно на срезе сопла и не прижимается к стенкам конвертера.

Для обоих режимов характерно разбрызгивание расплава, но в случае звукового режима рядом с фурмой образуется своего рода газовая подушка, ослабляющая силы со стороны падающего расплава. Таким образом, поток высокого давления окислителя играет роль защиты поверхностей фурм от абразивного износа.

Рисунок 7 – Контуры объемной доли твердой фазы для дозвукового и звукового режимов [Akdogan, 2015]

Поля напряжений в стенках фурм подтверждают защитный эффект от использования звукового потока. И хотя, напряжения в стенках конвертера противоположным фурмам несколько выше при звуковом режиме (10 – 20 %), напряжения в критических зонах в два раза меньше (рис. 8).

Рисунок 8 – Поля напряжений на стенках фурм [Akdogan, 2015]

Заключение

Благодаря произведенным расчетам удалось с высокой точностью обосновать целесообразность проведения меропреятий по реконструкции установки.

В результати модернизирования узлов, режимные параметры заметно улучшились (табл. 1). Теперь больше не требуется использование системы отбойной очистки. Оксилительная способность газов возросла с 65 до 92 %. Количество циклов до остановки конвертера возросло до сорока. Более чем в три раза возросла возможность регенерации отходов конверсии. Немного снизилось время ремонта установки.

Таблица 1 – Режимные параметры до и после реконструкции [Akdogan, 2015]

Список литературы

(1) Kapusta, J. Industrial Evaluation Of Sonic Injection in a Pierce Smith Converter at the Lonmin Platinum Smelter, Proceedings of the 51st Annual Conference of Metallurgists of CIM, Niagara, Canada, 2012, (2), 3083 – 3090.

(2) Iguchi, M.; The Mechanism Of Thermal Accretion (Mushroom) Formation And The Bubble And Flow Characteristics During Cold Gas Injection. Int. J. Multiphase Flow. 1993, (19), 173 – 186.

(3) Akdoran, G. Sonic Injection into PGMs Peirce-Smith Converters: CFD Modelling and Industrial Trials. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2015, Vol. 115, pp. 349-354.