blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-4-415-420blackmet-2577Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВлияние зоны кольцевой выборки в теплоизолирующей вставке на эффективность ее работы в дутьевом канале воздушной фурмы доменной печиEffect of ring groove in a heat-insulating insert on efficiency of its work in blast channel of blast furnace tuyerehttps://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.comhttps://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 Federation202316082023664415420Copyright © Албул С.В., Кобелев О.А., Левицкий И.А., 20232023Албул С.В., Кобелев О.А., Левицкий И.А.Albul S.V., Kobelev O.A., 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/2577

Одним из основных недостатков при подаче природного газа в воздушную фурму доменной печи является низкая интенсивность его горения внутри дутьевого канала фурмы. Известно, что кольцевая выборка на поверхности дутьевого канала улучшает смешивание природного газа с дутьем и увеличивает полноту сгорания газа в нем, однако снижает стойкость фурмы. Одним из способов одновременного решения этих проблем является установка в дутьевой канал фурмы теплоизолирующей керамической вставки. Вставка значительно снижает тепловые потери через поверхность фурмы, улучшает горение природного газа в дутьевом канале за счет его контакта с горячими стенками вставки вместо холодных медных стенок при ее отсутствии, что увеличивает температуру горячего дутья на выходе из фурмы. Кроме того, вставка оказывает влияние на стойкость фурмы за счет снижения теплового потока, действующего на фурму. В данном исследовании изучено влияние кольцевой выборки и ее частей во вставке на эффективность ее работы. В среде Ansys 21.1 моделировали процессы, происходящие в дутьевом канале фурмы доменной печи с установленной в него керамической вставкой, имеющей выборку четырехугольного сечения в форме кольца или его части в окружном направлении. Установлено, что улучшение горения природного газа в дутьевом канале фурмы достигается с использованием кольцевой выборки или ее части со стороны подачи газа.

One of the main disadvantages when supplying natural gas to the air tuyere of a blast furnace is low intensity of its combustion inside the tuyere blast channel. Ring groove on the surface of blast channel improves the mixing of natural gas with blast and increases completeness of gas combustion in it, but reduces the tuyere durability. One of the ways to simultaneously solve these problems is to install a heat-insulating ceramic insert in the tuyere blast channel. The insert significantly reduces heat losses through the tuyere surface, improves natural gas combustion in the blast channel due to its contact with hot walls of the insert instead of cold copper walls in its absence. This increases the temperature of the hot blast at the tuyere outlet. In addition, the insert affects the tuyere durability by reducing the heat flow acting on the tuyere. In this work, we studied influence of the ring groove and its parts in the insert on efficiency of its work. In the Ansys 21.1 software, the processes occurring in the blast channel of a blast furnace tuyere with a ceramic insert installed in it, having a groove of a quadrangular section in the form of a ring or its part in the circumferential direction, were simulated. It was established that improvement of natural gas combustion in the tuyere blast channel is achieved using a ring groove or part of it from the side of gas supply.

доменная печьвоздушная фурмадутьевой каналкерамическая вставкакольцевая выборкамоделирование в Ansysтеплообменгорение природного газаblast furnaceair tuyereblast channelceramic insertring grooveAnsys modelingheat transfernatural gas combustionАвторы выражают благодарность проф. Радюк А.Г. за консультацию по возможности использования выборки в керамической вставке для повышения эффективности её применения в воздушной фурме доменной печи.The authors express their gratitude to Prof. Radyuk A.G. for his advice on the possibility of using a groove in a ceramic insert to increase the efficiency of its use in air tuyere of blast furnace.ReferencesРадюк А.Г., Титлянов А.Е., Скрипаленко М.М. Моделирование температурного поля воздушных фурм доменных печей с помощью Deform 2D. Металлург. 2016;10:14–17.Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Skripalenko M.M. Modeling of the temperature field of blast furnace tuyeres using Deform-2D software. Metallurgist. 2017;60(9–10):1011–1015. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0400-5Filatov S., Kurunov I., Tihonov D. Reserves for rising the efficiency of blast furnace process. Proceedings of 7th European Coke and Ironmaking Congress – ECIC. 2016;184–191.Filatov S., Kurunov I., Tihonov D. Reserves for rising the efficiency of blast furnace process. Proceedings of 7th European Coke and Ironmaking Congress – ECIC. 2016;184–191.Peacey J.G., Davenport W.G. The Iron Blast Furnace: Theo­ry and Practice. Pergamon; 1989.Peacey J.G., Davenport W.G. The Iron Blast Furnace: Theo­ry and Practice. Pergamon; 1989.Majeski A., Runstedtler A., D’Alessio J., Macfadyen N. Injection of pulverized coal and natural gas into blast furnaces for iron-making: Lance positioning and design. ISIJ International. 2015;55(7):1377–1383. https://doi.org/10.2355/isijinternational.55.1377Majeski A., Runstedtler A., D’Alessio J., Macfadyen N. Injection of pulverized coal and natural gas into blast furnaces for iron-making: Lance positioning and design. ISIJ International. 2015;55(7):1377–1383. https://doi.org/10.2355/isijinternational.55.1377Silaen A.K., Okosun T., Chen Y., Wu B., Zhao J., Zhao Y., D’Alessio J., Capo J., Zhou C.Q. Investigation of high rate natural gas injection through various lance designs in a blast furnace. Iron and Steel Technology. 2015;1(3):1536–1549.Silaen A.K., Okosun T., Chen Y., Wu B., Zhao J., Zhao Y., D’Alessio J., Capo J., Zhou C.Q. Investigation of high rate natural gas injection through various lance designs in a blast furnace. Iron and Steel Technology. 2015;1(3):1536–1549.Okosun T., Street S., Chen Y., Zhao J., Wu B., Zhou C.Q. Investigation of co-injection of natural gas and pulverized coal in a blast furnace. Proceedings of the AISTech 2015. 2015;1581–1594.Okosun T., Street S., Chen Y., Zhao J., Wu B., Zhou C.Q. Investigation of co-injection of natural gas and pulverized coal in a blast furnace. Proceedings of the AISTech 2015. 2015;1581–1594.Murao A., Fukada K., Matsuno H., Sato M., Akaotsu S., Saito Y., Matsushita Y., Aoki H. Effect of natural gas injection point on combustion and gasification efficiency of pulverized coal under blast furnace condition. Tetsu-to-Hagane. 2018;104(5):243–252. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2017-087Murao A., Fukada K., Matsuno H., Sato M., Akaotsu S., Saito Y., Matsushita Y., Aoki H. Effect of natural gas injection point on combustion and gasification efficiency of pulverized coal under blast furnace condition. Tetsu-to-Hagane. 2018;104(5):243–252. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2017-087Ueki Y., Yoshiie R., Naruse I., Matsuzaki S. Effect of hydrogen gas addition on combustion characteristics of pulve­rized coal. Fuel Processing Technology. 2017;161:289–294. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.02.034Ueki Y., Yoshiie R., Naruse I., Matsuzaki S. Effect of hydrogen gas addition on combustion characteristics of pulve­rized coal. Fuel Processing Technology. 2017;161:289–294. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.02.034Shen Y., Zhou Y., Zhu T., Duan G. Thermotechnical performance of an air-cooled tuyere with air cooling channels in series. Heat and Mass Transfer. 2017;53(1):81–98. https://doi.org/10.1007/s00231-016-1801-xShen Y., Zhou Y., Zhu T., Duan G. Thermotechnical performance of an air-cooled tuyere with air cooling channels in series. Heat and Mass Transfer. 2017;53(1):81–98. https://doi.org/10.1007/s00231-016-1801-xPistorius P.C. Technical and economic evaluation of top gas recycling blast furnace ironmaking. Proceedings of the Fray Int. Symp., 27 November - 1 December 2011, Cancun, Mexico. 2011;5:223-232.Pistorius P.C. Technical and economic evaluation of top gas recycling blast furnace ironmaking. Proceedings of the Fray Int. Symp., 27 November - 1 December 2011, Cancun, Mexico. 2011;5:223-232.Филатов 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):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 Economic Information. 2014;(10):30–34. (In Russ.).Jampani M. Increased use of natural gas in blast furnace iron-making: Ph.D. Thesis. Pittsburgh, PA: Carnegie Mellon University; 2016.Jampani M. Increased use of natural gas in blast furnace iron-making: Ph.D. Thesis. Pittsburgh, PA: Carnegie Mellon University; 2016.Liu X., Tang G., Silaen A.K., Street S.J., Zhou C.Q. Investigation of heat transfer phenomena in blast furnace tuyere/blowpipe region. ASME 2017 Heat Transfer Summer Conf. 2017:HT2017-4961. https://doi.org/10.1115/HT2017-4961Liu X., Tang G., Silaen A.K., Street S.J., Zhou C.Q. Investigation of heat transfer phenomena in blast furnace tuyere/blowpipe region. ASME 2017 Heat Transfer Summer Conf. 2017:HT2017-4961. https://doi.org/10.1115/HT2017-4961Zhou Z., Wang G. Effect of recycled gas temperature on coal combustion in oxygen blast furnace. Proceedings of the 2017 6th Int. Conf. on Energy and Environmental Protection (ICEEP 2017), AER-Advances in Engineering Research. 2017;143:1076–1079. https://doi.org/10.2991/iceep-17.2017.186Zhou Z., Wang G. Effect of recycled gas temperature on coal combustion in oxygen blast furnace. Proceedings of the 2017 6th Int. Conf. on Energy and Environmental Protection (ICEEP 2017), AER-Advances in Engineering Research. 2017;143:1076–1079. https://doi.org/10.2991/iceep-17.2017.186Pistorius P.C., Gibson J., Jampani M. Natural gas utilization in blast furnace ironmaking: tuyere injection, shaft injection and prereduction. In: Applications of Process Engineering Principles in Materials Processing, Energy and Environmental Technologies. Wang S., Free M., Alam S., Zhang M., Taylor P. eds. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham; 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51091-0_26Pistorius P.C., Gibson J., Jampani M. Natural gas utilization in blast furnace ironmaking: tuyere injection, shaft injection and prereduction. In: Applications of Process Engineering Principles in Materials Processing, Energy and Environmental Technologies. Wang S., Free M., Alam S., Zhang M., Taylor P. eds. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham; 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51091-0_26Wojewodka M.J., Keith J.P., Horvath S.D., Alter M.A., McGovern C.C. Natural gas injection maximization on C and D blast furnaces at ArcelorMittal Burns Harbor. Proceedings of Iron & Steel Technology Conf. AISTech, 5-8 May 2014, Indianapolis, Indiana U.S.A. 2014;767-780.Wojewodka M.J., Keith J.P., Horvath S.D., Alter M.A., McGovern C.C. Natural gas injection maximization on C and D blast furnaces at ArcelorMittal Burns Harbor. Proceedings of Iron & Steel Technology Conf. AISTech, 5-8 May 2014, Indianapolis, Indiana U.S.A. 2014;767-780.Пат. 2191830 РФ, С21В7/16. Воздушная фурма доменной печи / Логинов В.Н., Нетронин В.И., Шатлов В.А. и др. № 2001129265/02; заявл. 30.10.01, опубл. 27.10.02; Бюл. № 30.Loginov V.N., Netronin V.I., Shatlov V.A., etc. Air tuyere of a blast furnace. Patent RF no. 2191830 RF, S21V7/16; no. 2001129265/02. Byulleten’ izobretenii. 2002;(30). (In Russ.).Левицкий И.А., Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Сидорова Т.Ю. Влияние способа подачи природного газа на газодинамику и теплообмен в воздушной фурме доменной печи. Известия вузов. Черная металлургия. 2018;61(5):357–363. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-5-357-363Levitskii I.A., Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Sidorova T.Yu. Influence of the method of natural gas supplying on gas dynamics and heat transfer in air tuyere of blast furnace. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018;61(5):357–363. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-5-357-363Пат. 2245373 РФ, С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи / Логинов В.Н., Суханов М.Ю., Ухов А.Д. и др. № 2003111093/02; заявл. 17.04.03, опубл. 27.01.05; Бюл. № 3.Loginov V.N., Sukhanov M.Yu., Ukhov A.D., etc. Blowing tuyere of a blast furnace. Patent RF no. 2245373 RF, S21V7/16; no. 2003111093/02. Byulleten’ izobretenii. 2005;(3). (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;62(5):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. Effect of a ceramic insert with swirler on gas dynamics and heat exchange in a blast furnace tuyere. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019;62(5):337-344. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-337-344Пат. 2449022 РФ, С21В7/16. Способ охлаждения фурмы воздушного дутья и подачи природного газа в доменную печь и устройство для его осуществления / Зайнуллин Л.А., Филатов С.В., Кушнарев А.В. и др. № 2010123224/02; заявл. 07.06.10, опубл. 20.12.11; Бюл. № 35.Zainullin L.A., Filatov S.V., Kushnarev A.V., etc. Method of air blast tuyere cooling and supply of natural gas to a blast furnace and device for its implementation. Patent RF no. 2449022 RF, S21V7/16; no. 2010123224/02. Byulleten’ izobretenii. 2011;(35). (In Russ.).Jampani M., Gibson J., Pistorius P.C. Increased use of natural gas in blast furnace ironmaking: Mass and energy balance calculations. Metallurgical and Materials Transactions B. 2019;50:1290–1299. https://doi.org/10.1007/s11663-019-01538-8Jampani M., Gibson J., Pistorius P.C. Increased use of natural gas in blast furnace ironmaking: Mass and energy balance calculations. Metallurgical and Materials Transactions B. 2019;50:1290–1299. https://doi.org/10.1007/s11663-019-01538-8Пат. 2280698 РФ, С21В7/16. Воздушная фурма доменной печи / Мокринский А.В., Шатлов В.А., Юрьев А.Б. и др. № 2005104595/02; заявл. 21.02.05, опубл. 27.07.06; Бюл. № 21.Mokrinskii A.V., Shatlov V.A., Yur’ev A.B., etc. Blast furnace air tuyere. Patent RF no. 2280698 RF, S21V7/16; no. 2005104595/02. Byulleten’ izobretenii. 2006;(21). (In Russ.).А.с. 517638 СССР, С21В7/16. Фурма доменной печи / Михайлов А.А., Ширшов С.Я., Чернобривец Б.Ф. и др. № 2103522; заявл. 10.02.75, опубл. 15.06.76.Mikhailov A.A., Shirshov S.YA., Chernobrivets B.F. Blast furnace air tuyere. Certificate of authorship USSR no. 517638 СССР, С21В7/16. Publ. 15.06.76.А.с. 910769 СССР, С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи / Гиммельфарб А.А., Медведев Н.М., Джусов А.Б. и др. № 2956367; заявл. 21.07.80, опубл. 07.03.82.Gimmel’farb A.A., Medvedev N.M., Dzhusov A.B., etc. Blast furnace air tuyere. Certificate of authorship USSR no. 910769 СССР, С21В7/16. Publ. 07.03.82.Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Yakoev A.G., Pedos S.I. Improvement in service life of blast furnace tuyeres due to gas thermal spraying. Stal’. 2002;(6):11–12.Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Yakoev A.G., Pedos S.I. Improvement in service life of blast furnace tuyeres due to gas thermal spraying. Stal’. 2002;(6):11–12.Кириллова Н.Л., Радюк А.Г., Титлянов А.Е. Снижение тепловых потерь через поверхность воздушных фурм доменных печей. Металлург. 2013;(10):28–31.Kirillova N.L., Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Reducing heat loss through the surface of blast-furnace tuyeres. Metallurgist. 2014;57(9–10):878–882. https://doi.org/10.1007/s11015-014-9816-3Виноградов 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):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;49(11):778–782. https://doi.org/10.3103/S0967091219110160Тарасов Ю.С., Скрипаленко М.М., Радюк А.Г., Титлянов А.Е. Моделирование теплового и напряженно-деформированного состояния воздушных фурм доменных печей. Металлург. 2018;(11):9–13.Tarasov Yu.S., Skripalenko M.M., Radyuk A.G., Titlya­nov A.E. Computer simulation of thermal and stress–strain state of blast furnace tuyeres. Metallurgist. 2019;62(11–12): 1083–1091. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00760-8Зайнуллин Л.А., Епишин А.Ю., Спирин Н.А. Повышение стойкости воздушных фурм доменных печей. Металлург. 2018;(4):26–28.Zainullin L.A., Epishin A.Y., Spirin N.A. Extending the life of blast-furnace air tuyeres. Metallurgist. 2018;62(3-4):322–325. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0663-5Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Сидорова Т.Ю. Влияние шликерного покрытия на стойкость теплоизолирующей вставки в воздушной фурме доменной печи. Металлург. 2019;(11):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;63(11–12):1153–1159. https://doi.org/10.1007/s11015-020-00935-8Fu D., Tang G., Zhao Y., D’Alessio J., Zhou C.Q. Integration of tuyere, raceway and shaft models for predicting blast furnace process. JOM. 2018;70(6):951–957. https://doi.org/10.1007/s11837-017-2614-1Fu D., Tang G., Zhao Y., D’Alessio J., Zhou C.Q. Integration of tuyere, raceway and shaft models for predicting blast furnace process. JOM. 2018;70(6):951–957. https://doi.org/10.1007/s11837-017-2614-1Dong Z., Wang J., Zuo H., She X., Xue Q. Analysis of gas-solid flow and shaft-injected gas distribution in an oxygen blast furnace using a discrete element method and computational fluid dynamics coupled model. Particuology. 2017;32:63–72. https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.07.008Dong Z., Wang J., Zuo H., She X., Xue Q. Analysis of gas-solid flow and shaft-injected gas distribution in an oxygen blast furnace using a discrete element method and computational fluid dynamics coupled model. Particuology. 2017;32:63–72. https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.07.008Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Sidorova T.Y. Thermal state of air tuyeres in blast furnaces. Steel in Translation. 2016;46(9):624–628. https://doi.org/10.3103/S0967091216090084Radyuk A.G., Titlyanov A.E., Sidorova T.Y. Thermal state of air tuyeres in blast furnaces. Steel in Translation. 2016;46(9): 624–628. https://doi.org/10.3103/S0967091216090084Yeh C.P., Du S.W., Tsai C.H., Yang R.J. Numerical analysis of flow and combustion behavior in tuyere and raceway of blast furnace fueled with pulverized coal and recycled top gas. Proceedings of the ICE – Energy. 2012;42(1):233–240. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.03.065Yeh C.P., Du S.W., Tsai C.H., Yang R.J. Numerical analysis of flow and combustion behavior in tuyere and raceway of blast furnace fueled with pulverized coal and recycled top gas. Proceedings of the ICE – Energy. 2012;42(1):233–240. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.03.065Chen Y., Fu D., Zhou C.Q. Numerical simulation of the co-injection of natural gas and pulverized coal in blast furnace. Proceedings of the AISTech 2013. 2013;573–580. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2948.2967Chen Y., Fu D., Zhou C.Q. Numerical simulation of the co-injection of natural gas and pulverized coal in blast furnace. Proceedings of the AISTech 2013. 2013;573–580. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2948.2967

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