blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-11-778-785blackmet-2431Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВлияние расхода и температуры природного газа на процессы, происходящие в воздушной фурме доменной печи с теплоизолирующей вставкой в дутьевом каналеEffect of natural gas flow rate and temperature on the processes occurring in a blast furnace tuyere with heat-insulating insert in blast channelhttps://orcid.org/0000-0003-1802-7378АлбулС. В.AlbulS. V.

Сергей Валерьевич Албул, старший преподаватель кафедры «Инжиниринг технологического оборудования»

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Sergei V. Albul, Senior Lecturer of the Chair “Engineering of Technological Equipment”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

albul@misis.ruКобелевО. А.KobelevO. A.

Олег Анатольевич Кобелев, д.т.н., профессор, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», главный специалист ГК «РОСАТОМ», Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения, ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Россия, 115088, Москва, Шарикоподшипниковская ул., 4

Oleg A. Kobelev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., National University of Science and Technology “MISIS”, Chief Specialist of State Corporation “ROSATO­M”, JSC Russian State Research Center “CNIITMASH”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

4 Sharikopodshipnikovskaya Str., Moscow 115088, Russian Federation

oakobelev@cniitmash.comРадюкА. Г.RadyukA. G.

Александр Германович Радюк, д.т.н., профессор, ведущий науч­ный сотрудник кафедры обработки металлов давлением

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Aleksandr G. Radyuk, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Leading Researcher of the Chair “Metal Forming”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

radjuk@rambler.ruТитляновА.  Е.TitlyanovA.  E.

Александр Евграфович Титлянов, к.т.н., старший научный сот­рудник кафедры обработки металлов давлением

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Aleksandr E. Titlyanov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Chair “Metal Forming”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

radjuk@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9345-3628ЛевицкийИ. А.LevitskiiI. A.

Игорь Анисимович Левицкий, к.т.н., доцент кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Igor’ A. Levitskii, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Energy-Efficient and Resource-Saving Industrial Technologies”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

lewwwis@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения, ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”; JSC Russian State Research Center “CNIITMASH”Russian Federation2022221120226511778785Copyright © Албул С.В., Кобелев О.А., Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Левицкий И.А., 20222022Албул С.В., Кобелев О.А., Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Левицкий И.А.Albul S.V., Kobelev O.A., Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Levitskii I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2431

Целью данной работы является анализ влияния теплоизолирующей вставки, а также расхода и температуры природного газа на процессы, происходящие в дутьевом канале воздушной фурмы доменной печи. В работе проанализированы полученные разными исследователями результаты промышленных и численных экспериментов по применению различных способов повышения полноты прохождения реакции горения в пределах воздушной фурмы подаваемого в нее природного газа (ПГ): увеличение расхода и температуры ПГ, использование теплоизолирующих вставок, установленных во внутренний стакан воздушной фурмы. С помощью программного комплекса Ansys Fluent исследовано влияние теплоизолирующей вставки и увеличения расхода ПГ на температуру и состав газов, выходящих из фурмы доменной печи № 5 ПАО «Северсталь». Установлено, что с увеличением расхода ПГ с 0,283 до 0,328 кг/с, температура газовой среды на выходе из фурмы уменьшается на 6 °С для варианта без вставки и увеличивается на 3 °С для варианта со вставкой. При исследовании влияния теплоизолирующей вставки и увеличения температуры ПГ (в разных сочетаниях) на процессы, происходящие в фурме, получено, что температура газовой среды на выходе из фурмы в случае применения теплоизолирующей вставки без подогрева ПГ несколько выше, чем при нагреве ПГ до 200 °С без вставки. Однако эффект подогрева ПГ при наличии вставки существенно выше, чем без нее, за счет взаимного усиления двух факторов воздействия на полноту горения ПГ в пределах фурмы, сопровождаемое защитой внутреннего стакана фурмы от прогара.

The purpose of this work was to analyze the effect of a heat-insulating insert, as well as the flow rate and temperature of natural gas on the processes occurring in blast channel of an air tuyere. The paper analyzes the results of industrial and numerical experiments obtained by different researchers on the use of various methods for increasing the completeness of combustion reaction within the air tuyere of natural gas (NG) fed into it: increase of NG flow rate; increase of NG temperature; the use of heat-insulating inserts installed in the inner glass of the air tuyere. Using the Ansys Fluent software complex, the effect of a heat-insulating insert and increase in NG flow rate on the temperature and composition of gases leaving the tuyere of blast furnace no. 5 of PJSC Severstal was studied. It was found that with an increase in NG flow rate from 0.283 to 0.328 kg/s, the temperature of the gas medium at the tuyere outlet decreases by 6 °С for the variant without an insert and increases by 3 °С for the variant with it. When studying the effect of a heat-insulating insert and increase in NG temperature (in different combinations) on the processes occurring in a tuyere, it was found that temperature of the gaseous medium at the tuyere outlet in case of using a heat-insulating insert without NG heating is slightly higher than when NG is heated to 200 °С without inserts. However, the effect of NG heating in the presence of an insert is significantly higher than without it – there is mutual amplification of two factors influencing the completeness of NG combustion within the tuyere, accompanied by protection of the tuyere inner nozzle from burnout.

доменная печьвоздушная фурмадутьевой каналгорячее дутьерасход природного газатемпература природного газатеплоизолирующая вставкагорение природного газамоделирование в Ansysblast furnaceair tuyereblast channelhot blastnatural gas flow ratenatural gas temperatureheat-insulating insertnatural gas combustionAnsys simulationReferencesNefedov A.V., Svichkar V.V., Chicheneva O.N. Re-engineering of equipment to feed the melting furnace with aluminum charge // Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2021. P. 1198–1204. http://doi.org/10.1007/978-3-030-54817-9_139Nefedov A.V., Svichkar V.V., Chicheneva O.N. Re-engineering of equipment to feed the melting furnace with aluminum charge. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2021, pp. 1198–1204. http://doi.org/10.1007/978-3-030-54817-9_139Chichenev N.A., Chicheneva O.N., Karfidov A.O., Pashkov A.N. Selection of laser processing parameters for hot stamping tools based on mathematical planning of the experiment // CIS Iron and Steel Review. 2021. Vol. 22. P. 37–40. https://doi.org/10.17580/cisisr.2021.02.07Chichenev N.A., Chicheneva O.N., Karfidov A.O., Pashkov A.N. Selection of laser processing parameters for hot stamping tools based on mathematical planning of the experiment. CIS Iron and Steel Review. 2021, vol. 22, pp. 37–40. https://doi.org/10.17580/cisisr.2021.02.07Чиченева О.Н., Чиченев Н.А., Пашков А.Н., Горовая Т.Ю., Васильев М.В. Влияние электропластической деформации на сопротивление деформации тугоплавких металлов // Металлург. 2022. № 6. С. 43–47.Chicheneva O.N., Chichenev N.A., Pashkov A.N., Gorovaya T.Yu., Vasiliev M.V. Influence of electroplastic deformation on the deformation resistance of refractory metals. Metallurgist. 2022, vol. 66, no. 5–6, pp. 657–662. https://doi.org/10.1007/s11015-022-01373-4Нефедов А.В., Новикова Ю.В., Чиченева О.Н. Манипулятор для подачи короба с жидким раствором для ремонта чугуновозных ковшей в доменном цехе АО «Уральская сталь» // Черные металлы. 2021. № 8. С. 4–9. https://doi.org/10.17580/chm.2021.08.01Nefedov A.V., Novikova Yu.V., Chicheneva O.N. Manipulator for feeding a box with liquid solution for repair of cast iron buckets at blast furnace shop of JSC Ural Steel. Chernye Metally. 2021, vol. 2021, no. 8, pp. 4–9. https://doi.org/10.17580/chm.2021.08.01Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н., Юсфин Ю.С., Курунов И.Ф., Пареньков А.Е., Черноусов П.И. Металлургия чугуна. Москва: Академкнига, 2004. 774 с.Vegman E.F., Zherebin B.N., Pokhvisnev A.N., Yusfin Yu.S., Kurunov I.F., Parenkov A.E., Chernousov P.I. Iron Metallurgy. M.: Akademkniga, 2004, 774 p. (In Russ.).Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Тарасов Ю.С., Сидорова Т.Ю. Снижение тепловых потерь на воздушных фурмах доменных печей путем теплоизоляции дутьевого канала // Сталь. 2019. № 4. С. 7–10.Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Tarasov Yu.S., Sidorova T.Yu. Decrea­sing the heat losses at the air tuyeres in blast furnaces. Steel in Translation. 2019, vol. 49, no. 4, pp. 257–260. https://doi.org/10.3103/S0967091219040119Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Сидорова Т.Ю. Влияние шликерного покрытия на стойкость теплоизолирующей вставки в воздушной фурме доменной печи // Металлург. 2019. № 11. С. 21–25.Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Sidorova T.Yu. Effect of slurry coating on the resistance of thermal insulation insert in blast furnace air tuyere. Metallurgist. 2020, vol. 63, no. 11–12, pp. 1153–1159. https://doi.org/10.1007/s11015-020-00935-8Виноградов Е.Н., Радюк А.Г., Волков Е.А., Теребов А.Л., Сидорова Т.Ю. Снижение тепловых потерь через воздушную фурму доменной печи // Сталь. 2019. № 11. С. 9–12.Vinogradov E.N., Radyuk A.G., Volkov E.A., Terebov A.L., Sidorova T.Yu. Reducing heat losses through blast furnace tuyeres. Steel in Translation. 2019, vol. 49, no. 11, pp. 778–782. https://doi.org/10.3103/S0967091219110160Tarasov Y.S., Radyuk A.G., Gorbatyuk S.M. Simulation of heat losses and temperature of blast furnaces tuyeres // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 129. Article 06031. https://doi.org/10.1051/matecconf/201712906031Tarasov Yu.S., Radyuk A.G., Gorbatyuk S.M. Simulation of heat losses and temperature of blast furnaces tuyeres. MATEC Web of Conferences. 2017, vol. 129, article 06031. https://doi.org/10.1051/matecconf/201712906031Филатов С.В., Курунов И.Ф., Грачев С.Н. и др. Доменное производство НЛМК: традиции, инновации, развитие // Черная металлургия: Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2014. № 10. С. 30–34.Filatov S.V., Kurunov I.F., Grachev S.N., etc. Blast furnace production at NLMK: Traditions, innovations, development. Ferrous Metallurgy: Bulletin of Scientific, Technical and Economical Information. 2014, no. 10, pp. 30–34. (In Russ.).Silaen A.K., Okosun T., Chen Y., Wu B., Zhao J., Zhao Y., D’Alessio J., Capo J.C., Zhou C.Q. Investigation of high-rate natural gas injection through various lance designs in a blast furnace // Iron and Steel Technology. 2016. Vol. 13. No. 3. P. 68–79.Silaen A.K., Okosun T., Chen Y., Wu B., Zhao J., Zhao Y., D’Alessio J., Capo J.C., Zhou C.Q. Investigation of high-rate natural gas injection through various lance designs in a blast furnace. Iron and Steel Technology. 2016, vol. 13, no. 3, pp. 68–79.Silaen A.K., Okosun T., Chen Y., Wu B. Investigation of high rate natural gas injection through various lance designs in a blast furnace // AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2015. Vol. 1. No. 3. P. 1536–1549.Silaen A.K., Okosun T., Chen Y., Wu B. Investigation of high rate natural gas injection through various lance designs in a blast furnace. AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2015, vol. 1, no. 3, pp. 1536–1549.Okosun T., Street S.J., Chen Y., Zhao J., Wu B., Zhou C.Q. Investigation of co-injection of natural gas and pulverized coal in a blast furnace // AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2015. Vol. 1. P. 1581–1594.Okosun T., Street S.J., Chen Y., Zhao J., Wu B., Zhou C.Q. Investigation of co-injection of natural gas and pulverized coal in a blast furnace. AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2015, vol. 1, pp. 1581–1594.Nielson S.E., Okosun T., D’Alessio J., Ray S., Klaas M., Zhou C.Q. Investigation of high-rate and pre-heated natural gas injection in the blast furnace // AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2020. Vol. 1. P. 286–297. https://doi.org/10.33313/380/033Nielson S.E., Okosun T., D’Alessio J., Ray S., Klaas M., Zhou C.Q. Investigation of high-rate and pre-heated natural gas injection in the blast furnace. AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2020, vol. 1, pp. 286–297. https://doi.org/10.33313/380/033Okosun T., Nielson S., D’Alessio J., Klaas M., Street S.J., Zhou C.Q. Investigation of high-rate and pre-heated natural gas injection in the blast furnace // AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2019. Vol. 2019 – May. P. 383–397. https://doi.org/10.33313/377/040Okosun T., Nielson S., D’Alessio J., Klaas M., Street S.J., Zhou C.Q. Investigation of high-rate and pre-heated natural gas injection in the blast furnace. AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2019, vol. 2019 – May, pp. 383–397. https://doi.org/10.33313/377/040Okosun T., Liu X., Silaen A.K., Barker D., Dybzinksi D.P., Zhou C.Q. Effects of blast furnace auxiliary fuel injection conditions and design parameters on combustion characteristics and injection lance wear // AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2017. Vol. 1. P. 589–600.Okosun T., Liu X., Silaen A.K., Barker D., Dybzinksi D.P., Zhou C.Q. Effects of blast furnace auxiliary fuel injection conditions and design parameters on combustion characteristics and injection lance wear. AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2017, vol. 1, pp. 589–600.Pistorius P.C., Gibson J., Jampani M. Natural gas utilization in blast furnace ironmaking: Tuyère injection, shaft injection and prereduction // Applications of Process Engineering Principles in Materials Processing, Energy and Environmental Technologies. 2017. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham. P. 283‒292. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51091-0_26Pistorius P.C., Gibson J., Jampani M. Natural gas utilization in blast furnace ironmaking: Tuyère injection, shaft injection and prereduction. Applications of Process Engineering Principles in Materials Processing, Energy and Environmental Technologies. 2017, The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham, pp. 283‒292. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51091-0_26Фещенко С.А., Плешков В.И., Лизунов Б.Н., Лапшин А.А., Совейко К.Н., Логинов В.Н., Васильев Л.Е. Повышение эффективности доменной плавки с вдуванием природного газа за счет его подогрева // Металлург. 2007. № 11. С. 44–48.Feshchenko S.A., Pleshkov V.I., Lizunov B.N., Lapshin A.A., Soveiko K.N., Loginov V.N., Vasil’ev L.E. Making blast-furnace smelting more efficient through the injection of heated natural gas. Metallurgist, 2007, vol. 51, no. 11–12, pp. 605–611. https://doi.org/10.1007/s11015-007-0110-5Okosun T., Nielson S., D’Alessio J., Ray S., Street S., Zhou C. On the impacts of pre-heated natural gas injection in blast furnaces // Processes. 2020. Vol. 8. No. 7. Arcticle 771. https://doi.org/10.3390/pr8070771Okosun T., Nielson S., D’Alessio J., Ray S., Street S., Zhou C. On the impacts of pre-heated natural gas injection in blast furnaces. Processes. 2020, vol. 8, no. 7, arcticle 771. https://doi.org/10.3390/pr8070771Feshchenko S.A., Pleshkov V.I., Loginov V.N., Kurunov I.F. Syner­getic effect of natural gas pre-heating prior to its injection into a blast furnace // Proceedings of the AISTech 2008, Pittsburgh, PA, USA, 5–8 May 2008. P. 6.Feshchenko S.A., Pleshkov V.I., Loginov V.N., Kurunov I.F. Syner­getic effect of natural gas pre-heating prior to its injection into a blast furnace. In: Proceedings of the AISTech 2008, Pittsburgh, PA, USA, 5–8 May 2008. P. 6.Патент 2294377 РФ, С21В5/00. Способ подачи природного газа в доменную печь / В.И. Плешков, С.А. Фещенко, И.Н. Шишук и др.; заявлено 03.10.05; опубликовано 27.02.07; Бюллетень № 6.Pleshkov V.I., Feshchenko S.A., Shishuk I.N. etc. The method of supplying natural gas to a blast furnace. Patent RF no. 2294377. MPK S21V5/00. Bulleten’ izobretenii. 2007, no. 6. (In Russ.)Патент 2359042 РФ, С21В7/16. Устройство для подачи природного газа в доменную печь / Г.И. Урбанович, Е.Г. Урбанович, В.Ф. Воропаев и др.; заявлено 20.11.07; опубликовано 20.06.09; Бюллетень № 17.Urbanovich G.I., Urbanovich E.G., Voropaev V.F. etc. Device for supplying natural gas to a blast furnace. Patent RF no. 2359042. MPK С21В7/16. Bulleten’ izobretenii. 2009, no. 17. (In Russ.)Патент 2460806 РФ, С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи / Л.А. Зайнуллин, Р.Л. Зайнуллин, А.В. Бычков и др.; заявлено 03.05.11; опубликовано 10.09.12; Бюллетень № 25.Zainullin L.A., Zainullin R.L., Bychkov A.V. etc. Blast tuyere of a blast furnace. Patent RF no. 2460806. MPK С21В7/16. Bulleten’ izobretenii. 2012, no. 25. (In Russ.)Патент 2514234 РФ, С21В5/00. Способ подачи природного газа в доменную печь / В.А. Авраменко, А.В. Чевычелов, В.А. Бегинюк и др.; заявлено 17.09.12; опубликовано 27.04.14; Бюллетень № 17.Avramenko V.A., Chevychelov A.V., Beginyuk V.A. etc. Method for supplying natural gas to a blast furnace. Patent RF no. 2514234. MPK С21В5/00. Bulleten’ izobretenii. 2014, no. 17. (In Russ.)Горбатюк С.М., Тарасов Ю.С., Левицкий И.А., Радюк А.Г., Титлянов А.Е. Влияние керамической вставки с завихрителем на газодинамику и теплообмен в воздушной фурме доменной печи // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 5. С. 337–344. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-337-344Gorbatyuk S.M., Tarasov Yu.S., Levitskii I.A., Radyuk A.G., Titlyanov A.E. Influence of a ceramic insert with a swirl on the gas dynamics and heat exchange in the air tuyere of a blast furnace. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 5, pp. 337–344. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-337-344

The authors declare that there are no conflicts of interest present.