Исследование в среде ANSYS влияния конструкционных параметров на тепловые процессы в воздушной фурме доменной печи

Известно, что максимальные тепловые потери в воздушной водоохлаждаемой фурме доменной печи приходятся на дутьевой канал. Эффективным способом их снижения является установка теплоизолирующей керамической вставки. Теплоизолирующие вставки, установленные во внутренний стакан воздушных фурм для доменной печи № 5 ПАО «Северсталь», снижают тепловые потери через фурму на 30 %, а вставки, изолирующие большую часть внутренней поверхности рыльной части, дополнительно снижают тепловые потери через фурму на 26,2 %. С помощью программного комплекса ANSYS исследовано влияние конструкционных параметров на тепловые процессы в воздушной фурме доменной печи с теплоизолирующей вставкой. Для большей реалистичности моделирования в данной работе в качестве области моделирования рассматривалась вся воздушная фурма, включая контур водяного охлаждения. Выступ вставки в дутьевой канал на 2 мм улучшает перемешивание природного газа и дутья, способствует горению газа в дутьевом канале, что приводит к повышению тепловых потерь через дутьевой канал и снижению стойкости вставки. Для повышения стойкости вставки и снижения теп­ловых потерь через дутьевой канал обосновано применение удлиненной вставки переменной толщины, изменяющейся с 13 до 8 мм по направлению дутья, не выступающей в дутьевой канал и имеющей угол между нормалью к стенке внутреннего стакана и осью отверстия для подачи природного газа около 30°. Показано, что для получения максимального теплосодержания дутья, на которое влияет горение природного газа и тепловые потери с охлаждающей водой в дутьевом канале, предпочтителен вариант с удлиненной вставкой переменной толщины, изменяющейся с 10 до 8 мм по направлению дутья, и осью отверстия для подачи природного газа, перпендикулярной стенке внутреннего стакана.

1. Бородулин А.В., Васильев А.П., Глущенко Е.Л. и др. Об информативности тепловых потерь рабочего пространства доменных печей // Сборник материалов II Международной научно­практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии». Москва: МИСиС, 2002. С. 424–426.

2. Бондаренко А.А., Горбик А.С., Дышлевич Г. Г. Исследование теплонапряженности различных участков фурм // Сталь. 1983. № 7. С. 11–12.

3. Dai B., Long H.­M., Ji Y.­L., Rao J.­T., Liu Y.­C. Theoretical and practical research on relationship between blast air condition and hearth activity in large blast furnace // Metallurgical Research and Technology. 2020. Vol. 117. No. 1. Article 113. https://doi.org/10.1051/metal/2020007

4. Song L., Xiaojie L., Qing L., Xusheng Z., Yana Q. Study on the appropriate production parameters of a gas­injection blast furnace // High Temperature Materials and Processes. 2020. Vol. 39. No. 1. P. 10‒25. https://doi.org/10.1515/htmp-2020-0005

5. Пат. № 2779514 В2 2240207 А JP, С21В7/16. Фурма для доменной печи / А. Kikuo (JP). № 8960188; заявлено 13.03.89.

6. Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Сидорова Т.Ю. Моделирование теплового состояния воздушных фурм доменных печей // Известия вузов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 9. С. 622‒627. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-9-622-627

7. Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Скрипаленко М.М. Моделирование температурного поля воздушных фурм доменных печей с помощью DEFORM 2D // Металлург. 2016. № 10. С. 14‒17.

8. 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.

9. Волков Е.А., Радюк А.Г., Теребов А.Л., Титлянов А.Е. Повышение эффективности работы теплоизолирующих вставок в дутьевом канале воздушных фурм доменных печей // Металлург. 2021. № 4. С. 5–8.

10. Денисов М.А. Математическое моделирование теплофизических процессов. ANSYS и САЕ­проектирование: Учебное пособие. Екатеринбург: УрФУ, 2011. 149 с.

11. Денисов М.А. Компьютерное проектирование. ANSYS: Учебное пособие. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2014. 77 с.

12. Xu H., Sun C., Liao Z., Xu J., Kou M. Numerical simulation of temperature and stress distributions inside the furnace tuyere // Proceedings for the 8th Int. Conf. on Modeling and Simulation of Metallurgical Processes in Steelmaking, STEELSIM 2019. 2019. P. 51‒55. http://doi.org/10.33313/503/005

13. Liu X., Tang G., Okosun T., 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 Conference. Paper No. HT2017­4961, V001T02A007. 8 p. https://doi.org/10.1115/HT2017-4961

14. Zhu J., Jin Y., Luo X., Ye C., Yuan H., Ai F. Simulation of size of tuyere raceway and the tuyere blast volume distribution for blast furnace // Tezhong Zhuzao Ji Youse Hejin/Special Casting and Nonferrous Alloys. 2017. Vol. 37. No. 3. P. 253‒257. http://doi.org/10.15980/j.tzzz.2017.03.006

15. 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. Wang S., Free M., Alam S., Zhang M., Taylor P. eds. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham. P. 283‒292. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51091-0_26

16. Li Y.­L., Cheng S.­S., Chen C. Mathematical model of adjusting blast volume of blast furnace tuyeres // Dongbei Daxue Xuebao/ Journal of Northeastern University. 2016. Vol. 37. No. 3. P. 357‒362. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-3026.2016.03.012

17. Dong Z., Wang J., Zuo H., She X., Xue Q. Analysis of gas­solid flow and shaft­injected gas distribution in an oxygen blast furnace using a discrete element method and computational fluid dynamics coupled model // Particuology. 2017. Vol. 32. P. 63‒72. https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.07.008

18. Jiang J., Zhu R., Qiu S. Effect of CO2 injection into blast furnace tuyeres on the pulverized coal combustion // High Temperature Materials and Processes. 2021. Vol. 40. No. 1. P. 131‒140. https://doi.org/10.1515/htmp-2021-0018

19. 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 // Tetsu­To­Hagane/Journal of the Iron and Steel Institute of Japan. 2018. Vol. 104. No. 5. P. 243‒252. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2017-087

20. Chai Y.­F., Zhang J.­L., Shao Q.­J., Ning X.­J., Wang K.­D. Experiment research on pulverized coal combustion in the tuyere of oxygen blast furnace // High Temperature Materials and Processes. 2019. Vol. 38. P. 42‒49. https://doi.org/10.1515/htmp-2017-0141