Влияние керамической вставки с завихрителем на газодинамику и теплооб-мен в воздушной фурме доменной печи

Применение природного газа позволяет снизить количество кокса, необходимое для получения чугуна. В обычной фурме природный газ прижимается к поверхности дутьевого канала потоком горячего дутья и плохо смешивается с ним, что приводит к неполному сжиганию природного газа и его пиролизу. Одним из способов улучшения перемешивания природного газа и горячего дутья является установка завихрителя в дутьевом канале. Однако интенсификация горения природного газа внутри фурмы в этих случаях может привести к прогару внутреннего стакана.

Для решения проблемы перемешивания природного газа и горячего дутья в дутьевом канале воздушной фурмы проведено моделирование газодинамики и ее теплового состояния в среде Ansys Fluent 18.2 при использовании теплоизолирующей вставки с завихрителем, выполненном в виде кольцевого выступа в разных местах по длине вставки.

Были приняты упрощающие допущения, в числе которых область моделирования включала в себя не только текучую среду внутри дутьевого канала, но и теплоизолирующую вставку, т.е. решали сопряженную задачу теплообмена, а процессы передачи теплоты воде системы охлаждения учитываются в расширенных граничных условиях.

Упрощенная схема расчетной области была создана в приложении DesignModeler, а расчетная сетка – в приложении AnsysMeshing.

Были заданы граничные условия для дутья, природного газа, а также для границы вставки с воздушным зазором, отделяющим ее от внутреннего стакана, и текучей среды с рыльной частью.

Учитывая симметрию расчетной области, расчеты проводили для половины фурмы.

Установлено, что перемешивание природного газа и горячего дутья улучшается по мере смещения завихрителя по длине вставки к выходу из дутьевого канала. При этом диаметр дутьевого канала в месте завихрителя не меньше, чем на выходе из фурмы. Смещение завихрителя к выходу из дутьевого канала приводит к уменьшению тепловой нагрузки на вставку, что способствует повышению ресурса ее работы.

1. Филатов С.В., Курунов И.Ф., Тихонов Д. Резервы повышения эф-фективности доменного процесса. Известия 7-х Европейских коксохимиче-ских и металлургических предприятий. –ECIC, 2016, с. 184–191

2. Береснев Н.Г., Курунов И.Ф. / Влияние эффективности использова-ния природного газа на показатели работы доменной печи // Металлург. –№5. –2009. –С.34–35.

3. Филатов С.В., Курунов И.Ф., Грачёв С.Н. и др. / Доменное произ-водство НЛМК: традиции, инновации, развитие // Черная металлургия: БНТиЭИ. –2014. –№10. –С.30–34.

4. Стефанович М.А. / Анализ хода доменного процесса. // Свердловск: Металлургиздат, 2010. – 285 с.

5. Лялюк В.П., Донсков Е.Г., Орёл Г.И. и др. / Повышение эффектив-ности использования природного газа в современных условиях доменной плавки // Металлургические процессы и оборудование. –2006. –№4(6). –С.48-50.

6. Пат. 2191830 РФ, С21В7/16. Воздушная фурма доменной печи / Ло-гинов В.Н., Нетронин В.И., Шатлов В.А. и др. (РФ). – №2001129265/02; заяв-лено 30.10.01; опубл. 27.10.02 – Бюл.№30.

7. Пат. 2222602 РФ, С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи / Капо-рулин В.В., Алевохин В.У., Григорьев В.Н. и др. (РФ). – №2002113963/02; за-явлено 28.05.02; опубл. 21.01.04 – Бюл.№3.

8. Пат. 2064505 РФ, С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи / Зай-цев Ю.С., Филипьев О.В., Савойский П.С. и др. (РФ). – №9393033428/02; за-явлено 28.06.93; опубл. 20.06.00 – Бюл.№17.

9. Влияние способа подачи природного газа на газодинамику и тепло-обмен в воздушной фурме доменной печи / И.А. Левицкий, А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов, Т.Ю. Сидорова // Изв. ВУЗов. Чёрная металлургия. –2018. –Т.61. –№5. –С.357–363.

10. Пат. 2164949 РФ, С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи / Ур-банович Г.И., Урбанович Е.Г., Буслаев Л.П. и др. (РФ). – №99125943/02; за-явлено 07.12.99; опубл. 10.04.01 – Бюл.№10.

11. Пат. 2245373 РФ, С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи / Ло-гинов В.Н., Суханов М.Ю., Ухов А.Д. и др. (РФ). – №2003111093/02; заявле-но 17.04.03; опубл. 27.01.05 – Бюл.№3.

12. Пат. 2294377 РФ, С21В7/16. Способ подачи природного газа в до-менную печь / Плешков В.И., Фещенко С.А., Шищук И.Н. и др. (РФ). – №2005130579/02; заявлено 03.10.05; опубл. 27.02.07 – Бюл.№6.

13. Пат. 2449022 РФ, С21В7/16. Способ охлаждения фурмы воздуш-ного дутья и подачи природного газа в доменную печь и устройство для его осуществления / Зайнуллин Л.А., Филатов С.В., Кушнарев А.В. и др. (РФ). – №2010123224/02; заявлено 07.06.10; опубл. 20.12.11 – Бюл.№35.

14. Пат. 2058399 РФ, С21В7/16. Фурма для подачи горячего дутья в доменную печь / Зайцев Ю.С., Филипьев О.В., Зайцева Н.Н. и др. (РФ). – №93031012/02; заявлено 27.05.93; опубл. 20.04.96 – Бюл.№11.

15. Пат. 2280698 РФ, С21В7/16. Воздушная фурма доменной печи / Мокринский А.В., Шатлов В.А., Юрьев А.Б. и др. (РФ). – №2005104595/02; заявлено 21.02.05; опубл. 27.07.06 – Бюл.№21.

16. Чигарев А.В. / ANSYS для инженеров // М.: Машиностроение, 2004. – 512 с.

17. Н. Реза Сафави, Т. Андерс, И. Торд Лаге Ингемар. Математическая модель поведения твердого потока в доменной печи реального размера / ISIJ INTERNATIONAL 2013, Vol.53, №6, С. 979-987.

18. Чжан Хайган, Инь Исинь, Чжан Сен улучшенный алгоритм ELM для измерения температуры горячего металла в доменной печи / НЕЙРО-КОМПЬЮТИНГ 2016. Том.174, Си, часть А, С. 232–237.

19. G. K. Mandal, D. C. Sau, S. K. Das стационарная модель теплового и материального баланса для доменной печи для производства чугуна и ее валидация с эксплуатационными данными / транзакции Индийского институ-та металлов 2014, Vol.67, №2, Р.209-221

20. Х. Ма, Л. Чен, Я. Сюй. Механическая модель и расчет сухой клад-ки кирпичной футеровки доменного пода / ISIJ INTERNATIONAL 2018, Vol.58, №7, Р.1191-1197.

21. Снегирёв А.Ю. / Высокопроизводительные вычисления в техниче-ской физике. Численное моделирование турбулентных течений: Учебное по-собие. // СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2009. – 143 с.

22. И.А. Левицкий, А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов и др. / Моделирование газодинамики и теплообмена в воздушной фурме доменной печи // Сталь. –2016. –№7. –С.8–12.

23. Левицкий И.А., Тарасов Ю.С., Радюк А.Г. и др. / Моделирование теплообмена в воздушной фурме доменной печи // Сталь. –2017. –№3. –С.9–12.

24. Кутателадзе С.С. Боришанский В.М. / Справочник по теплопере-даче // М.: Книга по требованию, 2012. – 415 с.

25. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. / Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.