Using a Ceramic Insert with a Bandage in the Air Tuyere of a Blast Furnace

Full Text

Введение При эксплуатации фурм для подачи горячего дутья в доменную печь осуществляют подачу в них природного газа с целью экономии кокса; при этом стремятся к созданию условий для воспламенения этого газа еще в пределах фурмы, что приводит к повышению тепловых потерь через стенки канала и снижению срока службы фурм [1; 2]. Одним из способов повышения долговечности фурмы является применение покрытий и керамических вставок в канал для подачи дутья [3-5]. В процессе опрессовывания фурмы, дальнейшей инсталляции в печь и в процессе ее эксплуатации на участке вставки от фланца до отверстия для подачи природного газа появляются трещины, приводящие к началу ее разрушения и снижению эффективности ее работы [6; 7]. Постановка задачи Рассмотрены варианты установки керамического бандажа в виде кольца в дутьевой канал воздушной фурмы со вставкой с целью улучшения теплоизоляционной способности участка и предотвращения преждевременного появления трещин на вставке между фланцем и отверстием для подачи природного газа. Принципиальный вид рассматриваемой фурмы отображен на рис. 1. Как видно из рис. 1, внутрь фурмы устанавливается защищенная бандажом теплоизолирующая вставка, для увеличения срока работы вставки путем предотвращения преждевременного появления трещин. Расстояние между поверхностью внутреннего стакана и внешней частью вставки является воздушным зазором. Наличие бандажа в объеме дутьевого канала влияет на теплообменные процессы и общую газодинамику. Так же установка бандажа отдельной конструкцией в готовую вставку могла влиять на стойкость, поэтому рассматривалось изготовление вставки с бандажом цельной конструкцией. Целью работы является моделирование процессов движения текучих сред, теплообмена и горения ПГ в объеме канала, а также термонапряженных состояний керамической конструкции при 4 вариантах ее изготовления: а) теплоизолирующая вставка толщиной 10 мм не имеет бандажа (базовый вариант); б) теплоизолирующая вставка выполнена как единое целое совместно с бандажом, размером 54 × 14 мм, защищающим вставку со стороны фланца; в) бандаж, размером 54 × 14 мм, защищающий теплоизолирующую вставку со стороны фланца, выполнен отдельно от вставки; г) бандаж, размером 101 × 14 мм, выполнен отдельно от теплоизолирующей вставки, закрывает полость размером 47 мм между фланцем и вставкой и защищает вставку со стороны фланца (в этом случае возможен вариант керамической вставки, когда бандаж можно вставлять после сборки фурмы со вставкой). Рис. 1. Конструкция воздушной фурмы: 1 - наружный стакан; 2 - внутренний стакан; 3 - рыльная часть; 4 - фланец; 5 - водоохлаждаемая полость; 6 - вставка; 7 - бандаж; 8 - полость между вставкой и фланцем; 9 - воздушный зазор; 10 - газовый патрубок; 11 - дутьевой канал; 12 - обогащенный воздух; 13 - природный газ; 14 - печная среда; 15 - сопло Fig. 1. Design of the air tuyere: 1 - outer cup; 2 - inner cup; 3 - snout part; 4 - flange; 5 - water-cooled cavity; 6 - insert; 7 - bandage; 8 - cavity between insert and flange; 9 - air gap; 10 - gas pipe; 11 - blast channel; 12 - enriched air; 13 - natural gas; 14 - furnace medium; 15 - nozzle Для условий доменной печи № 5 ПАО «Северсталь» моделирование газодинамики, горения и теплообмена проводили в программном модуле Ansys Fluent [8; 9], а напряжений во вставке - в модуле Ansys Static Structural. Метано-воздушная смесь рассматривалась в приближении идеального газа, газодинамика моделировалась путем решения трех уравнений Рейнольдса (осредненных во времени уравнений Навье-Стокса) и уравнения неразрывности, дополненных двумя уравнениями переноса для кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации в рамках k-ε модели турбулентности (Realizable). Процессы горения топлива, переноса реагентов и продуктов реакции рассматривались в рамках модели Species Transport, т.е. для каждого компонента реакции (кроме балластного азота) решалось уравнение конвективной диффузии. Взаимодействие химической кинетики и турбулентности учитывалось выбором подхода finite rate/eddy dissipation, который предполагает в каждой расчетной ячейке выявление лимитирующего фактора для химической реакции (кинетика или турбулентный перенос). Поскольку в центре внимания было температурное поле вставки, рассматривалась сопряженная задача теплообмена, при решении которой уравнение энергии (с источниковыми членами, вычисляемыми на основе решения задач конвективной диффузии), в области, занимаемой твердыми телами (элементами фурмы, керамической вставкой и бандажом), вырождалось в уравнение теплопроводности. Свойства меди, как основного материала изготовления рыльной части и внутреннего стакана, были взяты из базы данных Ansys Fluent, для вставки был задан материал корунд (ρ = 2900 кг/м3, с = 930 Дж/(кг ∙ К), λ = 7,3 Вт/(м ∙ К)), зазор считался заполненным воздухом, свойства которого брались из базы данных Fluent [10; 11]. Наличие системы водяного охлаждения головки фурмы в данной работе учитывалось не путем ее включения в рассматриваемую расчетную область, а в расширенных граничных условиях для вставки, учитывающих наличие воздушного зазора толщиной 2 мм и толстостенного внутреннего стакана с толщиной стенки 6мм, по наружной поверхности которого протекала жидкая среда с температурой 27 °С, и коэффициентом теплоотдачи α = 5815 Вт/(м2 ∙ К). Эти граничные условия позволили учесть особенности теплопередачи на внешней поверхности расчетной области без включения в нее дополнительных приграничных ячеек. Для рыльной части также применялись расширенные граничные условия, которые учитывали тело медной детали с сечением толщиной 14 мм, по наружной поверхности которого протекала жидкая среда с температурой 27 °С, и коэффициентом теплоотдачи α = 5815 Вт/(м2 ∙ К). Расчетная сетка, которая создавалась для численного решения упомянутых выше уравнений, генерировалась исходя из того, что все тела рассматриваемой расчетной области принадлежат одной сборке, что приводило к согласованности расчетных сеток на границе этих тел. Для численного решения использовали многоэтапный подход, в рамках которого сначала получали приближенное решение на основе расчетных схем первого порядка, а затем использовали его в качестве начального приближения при рассмотрении расчетных схем второго порядка. [12; 13]. Для согласования уравнений неразрывности и импульса использовали на первом этапе алгоритм SIMPLE, а на втором - сопряженный решатель (Coupled). Полученные в результате решения описанной выше задачи в Ansys Fluent температурные поля твердых элементов расчетной области передавались в модуль Ansys Static Structural для анализа термонапряженного состояния. Результаты моделирования и их анализ Основные результаты моделирования приведены в табл. 1 По данным, приведенным в табл. 1 можно заметить, что наличие бандажа способствует увеличению интенсивности протекающих газодинамических и тепловых процессов внутри фурмы. Вследствие возрастания кинетической энергии турбулентности наращивается интенсивность смешивания ПГ с горячим дутьем, также ускоряя горение и высвобождение большего количества тепловой энергии. Это, в свою очередь, способствует существенному приросту температуры дутья на выходе фурменного аппарата, что увеличивает коэффициент замены природным газом кокса. Следует отметить, что наиболее благоприятным для работы вставок является вариант конструкции, в котором бандаж закрывает полость между вставкой и фланцем. Что касается напряжений и деформаций в бандаже, то они во всех рассмотренных случаях ниже соответствующих значений во вставке. Таблица 1 Тепловые и газодинамические показатели воздушной фурмы с керамической вставкой и бандажом [Thermal and gas dynamic parameters of an air tuyere with a ceramic insert and a bandage] [3] Показатель [Index] Вариант [Option] а b c d Потери через стенку рыльной части, кВт [Losses through the wall of the snout, kW] 52,3 58,4 58,4 59,8 Потери через вставку, кВт [Losses through the insert, kW] 4,6 5,0 5,2 5,4 Суммарные потери через стенки, кВт [Total losses through the walls, kW] 56,9 63,4 63,6 65,2 Выходящий поток теплоты через дутьевой канал, кВт [Outgoing heat flow through the blowing channel, kW] 6288,0 6989,0 6880,6 6935,2 Теплота реакции горения, кВт [Heat of combustion reaction, kW] 204,5 558,3 504,2 532,2 Максимальное и среднее значения кинетической энергии турбулентности, м2/с2 [The maximum and average values of the kinetic energy of turbulence, m2/s2] 29 049,9 3023,4 54 981,7 3631,8 55 924,7 3451,9 53 650,5 2707,3 Среднее значение температуры текучей среды, К [The average value of the fluid temperature, K] 1422,1 1462,1 1461,8 1474,1 Среднее значение температуры текучей среды на выходе из дутьевого канала, К [The average value of the fluid temperature at the outlet of the blast channel, K] 1403,1 1508,3 1483,5 1500,5 Среднее значение температуры вставки и бандажа, К [The average value of the insert and bandage temperature, K] 1414,7 1520,6 1573,2 1489,8 1611,9 1469,9 Среднее значение температуры поверхности вставки и бандажа со стороны дутьевого канала, К [The average value of the surface temperature of the insert and the bandage from the side of the blow channel, К] 1444,4 1565,6 1624,6 1527,5 1684,5 1510,2 Среднее значение температуры поверхности вставки со стороны внутреннего стакана и бандажа со стороны вставки, К [The average value of the temperature of the insert surface on the side of the inner cup and the bandage on the side of the insert, К] 1381,5 1498,7 1535,9 1465,3 1573,3 1441,6 Максимальное значение деформации вставки и бандажа, м/м [The maximum value of the deformation of the insert and the bandage, m/m] 4,8 ∙ 10-3 8,9 ∙ 10-3 4,9 ∙ 10-3 3,8 ∙ 10-3 4,3 ∙ 10-3 3,7 ∙ 10-3 Максимальное значение напряжения во вставке и бандаже, МПа [The maximum value of the voltage in the insert and bandage, MPa] 87,6 102,4 90,0 69,5 79,0 67,3 Во всех рассмотренных случаях максимальные напряжения приходятся на зону отверстия для подачи природного газа. Это подтверждается экспериментальными данными, в соответствии с которыми трещины зарождаются в области от отверстия для подачи природного газа до фланца, а потом развиваются в сторону рыльной части. Выводы Исследование математических моделей дутьевого канала фурмы, описывающих динамику, горение, теплообмен, и термонапряженное состояние вставки показало, что при добавлении керамического бандажа к теплоизолирующей вставке в дутьевом канале воздушной фурмы: увеличение температуры горячего дутья на выходе фурменного аппарата является следствием улучшенного перемешивания дутья с подаваемым ПГ и увеличением тепловыделения в результате горения такой смеси; минимальные значения напряжений и деформации достигаются в том варианте конструкции, в котором бандаж закрывает полость между вставкой и фланцем; значения температур, напряжений и деформаций в бандаже меньше, чем в самой вставке.

About the authors

Kirill V. Goloshapov

National University of Science and Technology “MISIS”

Email: goloshchapov.k@gmail.com
postgraduate student at the Department Moscow, Russian Federation

Oleg A. Kobelev

Central Research Institute for Mechanical Engineering Technology

Dr. Sci. (Eng.), Professor; chief specialist of the Scientific Research Center of the Russian Federation Moscow, Russian Federation

Aleksandr Ye. Titlyanov

National University of Science and Technology “MISIS”

Cand. Sci. (Eng.); senior researcher at the Department Moscow, Russian Federation

Alla A. Gerasimova

National University of Science and Technology “MISIS”

Email: allochka@rambler.ru
Cand. Sci. (Eng.), Associated Professor Moscow, Russian Federation

References

Supplementary files