CC BY
16
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2009 р. Вип. № 19
УДК 669.184.244
Сущенко A.B.1, Балаба А.П.2
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В НАКОНЕЧНИКАХ КИСЛОРОДНЫХ ФУРМ LD-KOHBEPTEPOB
Приведены результаты математического моделирования и выполнен анализ температурного поля в медных наконечниках водоохлаждаемых кислородных фурм для верхней продувки расплава в конвертерах. Исследовано влияние ряда производственных факторов на тепловую работу наконечников.
Получение достоверной информация о температурных полях в медных наконечниках и стволах кислородно-конвертерных фурм является важным условием для разработки надежной конструкции, правильного выбора материалов, оптимизации режимов эксплуатации дутьевого оборудования. В то же время в технической литературе мало работ, посвященных указанному вопросу, что связано как с имеющимися трудностями математического описания, так и со сложностью проведения натурных экспериментов на действующих конвертерах. В работах [1, 2] представлены математические модели тепловой работы фурменного наконечника, основанные на численном решении трехмерной нелинейной задачи нестационарной теплопроводности. При этом не учитываются возможность возникновения и развития режимов кипения охлаждающей воды и отрыва потока кислорода в соплах, а также лучистый тепловой поток от полости конвертера на внутреннюю поверхность сопла. Адиабатная температура стенки диффузора сопла рассчитывается только по параметрам кислорода в его выходном сечении. Как справедливо отмечают авторы [2], в работе [1] не приводятся результаты расчета пространственного температурного поля. В то же время физичность результатов, полученных в работе [2], вызывает сомнение. При приведенных значениях температуры (500 °С и более) поверхности наконечника, контактирующей с охладителем, однозначно произойдет изменение граничных условий теплообмена с переходом к кипению воды и существенному изменению температурного поля в наконечнике [3].
Цель настоящей работы - устранение указанных выше недостатков математических моделей тепловой работы фурмы, моделирование температурного поля в наконечниках типовых конструкций, а также исследование влияния на него ряда производственных факторов.
Математическая модель разработана на основе следующих положений. Учитывая симметричность рассматриваемой задачи (относительно оси фурмы), в качестве расчетной области была выделена часть наконечника, включающая одно основное (периферийное или центральное) продувочное сопло и прилегающую к нему торцевую часть головки. При этом рассматривалась двумерная задача нестационарной теплопроводности в цилиндрических координатах Т (г; z; т) с началом координат в центре выходного сечения данного сопла и осью z, совпадающей с его осью (см. рис. 1):
дТ / дт = div (-X grad Т), (1)
где X - теплопроводность меди, как функция от температуры; т- время.
Граничные условия III рода уравнения (1) со стороны охлаждающей воды (внутренняя поверхность торцевой части наконечника и наружная поверхность стенки сопла) описывают теплообмен вынужденной конвекцией при заданных параметрах охладителя (скорость we, температура Тв, давление рв) с учетом реальной шероховатости поверхности, возможности
существования различных режимов кипения и наличия слоя накипи по методике [3]. Граничные условия III рода со стороны сверхзвукового потока кислорода описывают
ПГТУ. канд. техн. наук, доц., нач. лаб. энерго-ресурсосбережения металлург, пр-ва
2ПГТУ, аспирант
теплообмен вынужденной конвекцией к внутренней поверхности диффузора сопла при заданных температуре торможения Т0к и расходе кислорода через сопло тк. При этом коэффициент теплоотдачи ак определялся с использованием критериального уравнения [4], как функция от числа Маха потока MK(z) и температуры стенки сопла Tc(z). Принимали, что при наличии отрыва потока кислорода в сопле (при заданной величине глубины отрыва homp) в области 0 < z < homp охлаждающий эффект кислорода отсутствует. Граничные условия III рода со стороны полости конвертера характеризуют сложный теплообмен в системе «поверхность наконечника (сопла) - реакционная зона - металлический и шлаковый расплав - отходящие газы и области их дожигания». При их описании ввели понятие эффективной температуры Тэф условной поверхности Fm находящейся в непосредственной близости от торца наконечника и имеющей степень черноты, равную единице. Величина Тэф определяет фактическую плотность лучистого теплового потока q„tJl от полости конвертера на поверхность наконечника и сопла (через лучепрозрачный кислород). При этом дополнительно учитывали конвективную теплоотдачу от газо-шлако-металлической эмульсии к наконечнику посредством задания коэффициента теплоотдачи ап. Граничные условия со стороны поверхностей Fi и F2 (см. рис. 1) представляют собой: дТ / дг = 0 и дТ / dz = 0 соответственно.
Полученную таким образом систему нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений решали с использованием известных численных методов [5, 6] и с применением вычислительных программных комплексов типа Matlab, Femlab и др. При этом для обеспечения сходимости итерационного процесса при условии перехода от режима однофазной конвекции к поверхностному кипению охлаждающей воды [3] была введена специальная сглаживающая функция к — /{Тпов\ где к- вероятность возникновения поверхностного кипения, Тпов -
температура внутренней поверхности наконечника.
В качестве объекта исследования рассматривали типовые конструкции наконечников кислородных фурм 130-180 т и 250-400 т конвертеров. При этом конструктивные и режимные
параметры работы фурм были взяты по производственным данным (см. рис. 1): = 30
(47) мм, С(350)= 40 (67) мм, С/50)= 66 (115) мм, <5с160(350)= 10 (1 1) мм, ¿£°(350)= 12 (13) мм,
Т0к = 20 °С ти*60(350) = 80 (240) нм3/мин, Тв = 30 °С. Здесь и далее верхний индекс параметров
указывает на садку конвертера.
На рис. 1 представлены температурные поля (изотермы) в расчетных областях 5 - сопловых наконечников фурм для 160-т (а - литой) и 350-т (б - сварной, ковано-паяной конструкции) агрегатов - в сечении вертикальной плоскостью, проходящей через оси фурмы и сопла, полученные при базовых условиях: Тэф = 2200 °С (соответствующая величина qn>Jl =
1,7 МВт/м2), скорость воды w:60(350) = 2 (5) м/с, материал наконечника - медь МО, работа фурмы без заметалливания наконечника, без отрыва кислородного потока в соплах.
Рис. 1 - Результаты моделирования температурных полей в наконечниках фурм 160-т (а) и 350-т (б) конвертеров
Y
наступления квазистационарного режима теплообмена в системе (при г > тр).
Максимальная температура наконечника (см. рис. 1) достигается на кромке сопла:
Т
160(350)_
С. Положение точки N
5 10
Время, с
Рис. 2 - Изменение характерных температур Та и Тн наконечника фурмы 350-т конвертера во времени
А = 207 (182) определяется соотношением охлаждающих эффектов со стороны воды и стороны кислородного потока: 7^60(350)= 157 (1 11) °С.
Величина ак монотонно уменьшается по длине сопла (см. рис. 3) с небольшим увеличением на выходном участке, что связано с его более интенсивным нагревом. Плотности тепловых потоков к воде (от торца наконечника) и к кислороду (на выходном участке сопла) для 160-т (350-т) конвертера при базовых условиях
соответственно равны 1,6 (1,8)МВт/м2 и
2
0,4 (0,3) МВт/м .
В месте сопряжения сопла с торцевой частью наконечника (рис. 1, точка В) имеют место максимальный градиент температуры и, как следствие, максимальные температурные напряжения в материале - см. рис. 4. Для сварных конструкций это является одной из причин разрушения швов сопел с нижней тарелкой наконечника.
_ 4.0
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 Относительная длина диффузора 1диф^вых
Рис. 3 - Изменение коэффициента теплоотдачи ак Рис. 4 - Изолинии градиента темпера-по длине диффузора сопел фурм 160-т и туры в околосопловой области
350-т конвертеров при базовых условиях наконечника фурмы 350-т
конвертера при базовых условиях, °С/мм
Определенные в результате моделирования значения температуры наконечников фурм хорошо согласуются с имеющимися немногочисленными экспериментальными данными, полученными в производственных условиях. Так, например, в работе [7] при скорости воды 5-6 м/с в наконечнике фурмы 350-т конвертера температура внутренней поверхности нижней тарелки (на расстоянии 35 мм от сопла) увеличивалась в процессе плавки до 120 - 150 °С. Моделирование этих условий (по уровню тепловых потоков на наконечник, соответствующих температуре Тэф = 2300 - 2400 °С) дает результаты близкие к экспериментальным значениям
(см. рис. 5, линия 7^50). Это подтверждает адекватность разработанной модели. При хорошо организованном охлаждении Г81 и отсутствии заметалливания наконечника имеют место
относительно невысокие значения температур, не приводящие к его оплавлению и разрушению. Это также подтверждается результатами экспериментов на лабораторном конвертере [9].
На рис. 6 представлены результаты моделирования влияния скорости воды м?6 на тепловую работу литого наконечника фурмы 160-т конвертера (рассматривается случай затрудненной организации высокоскоростных потоков охлаждающей воды в межсопловом пространстве наконечника [8]). При снижении менее 1,5 м/с соответствующее уменьшение коэффициента теплоотдачи к воде в режиме однофазной конвекции акот приводит к перегреву внутренней поверхности наконечника относительно температуры насыщения охлаждающей воды (при давлении рв) и возникновению поверхностного кипения [3]. В результате увеличения
суммарного коэффициента теплоотдачи к воде аъ = (а"ои + к • ос"<т^) , где ашт - коэффициент
при развитом пузырьковом кипении, п = 2 [10], рост температуры наконечника существенно замедляется. Однако работа наконечника в таком режиме является крайне нежелательной в связи с активизацией выпадения солей жесткости в виде накипи на его внутренней поверхности. При этом ухудшается охлаждение и увеличивается вероятность возникновения пленочного режима кипения с последующим прогаром наконечника.
2100 2200 Температура Тэф,
0.5 1 1.5
Скорость воды, м/с
Рис. 5 - Зависимости температур ТА и Тн рис. 6 - Зависимости параметров
от величины Тэф для наконечников фурм 160-т и 350-т конвертеров
а
а,
коне ' Е'
Та и 7д' от скорости охлаждающей воды в наконечнике фурмы 160-т конвертера при базовых условиях
При возникновении отрыва кислорода в соплах фурмы 160-т конвертера (Ъотр = Ю мм) температура на кромке сопла ТА увеличивается незначительно: с 207 °С (базовый вариант) до 218 °С. С учетом дополнительного воздействия на торец наконечника конвективного теплового потока ап коне, от запыленных газов и газо-шлако-металлической эмульсии (при увеличении ап до
0,5 кВт/(м -К)) величина ТА составила 271 появлении отрыва потока она увеличилась
С при безотрывном течении в соплах. При до 283 °С и 305 °С без учета и с учетом
конвективного потока в области 0 < z < Иотр соответственно.
Ухудшение качества меди (уменьшение коэффициента теплопроводности на 20 % и 30 % относительно чистой меди) приводит к росту температуры Та с 207 °С (базовый вариант) до 225 °С и 238 °С соответственно. Влияние Я на температуру Тдг проявляется в гораздо меньшей степени. Так величина для вышеуказанных условий составила: 157 °С (базовый вариант), 158 °С и 159 °С.
При проведении дальнейших исследований по рассматриваемому вопросу необходимо выполнить анализ тепловой работы наконечника фурмы в критических условиях ее эксплуатации: при интенсивном заметалливании и зашлаковывании наконечника, эжекции и горении в зоне отрыва потока кислорода в соплах конвертерных газов и газо-шлако-металлической эмульсии, образовании слоя накипи на внутренней поверхности наконечника, ухудшении качества сварных швов, ухудшении механических свойств меди и др. Для этого планируется усовершенствовать разработанные физическую и математическую модели с добавлением соответствующих расчетных блоков.
Выводы
1. Разработана математическая модель тепловой работы наконечника водоохлаждаемой конвертерной фурмы, позволяющая учитывать различные режимы кипения охлаждающей воды, изменение коэффициента теплоотдачи к кислороду по длине сопла, отрыв потока дутья в диффузорах сопел, а также лучистый и конвективный тепловые потоки на их внутреннюю поверхность.
2. Время релаксации (достижения квазистационарного состояния) температурного поля в наконечнике фурмы составляет порядка 10-15 с. Поэтому при исследовании тепловой работы наконечников в случаях, не связанных с быстрым изменением внешних факторов (время действия фактора менее тр, например, локальное попадание на наконечник объема металлического расплава, кратковременный отрыв потока в соплах с эжекцией шлака и т.п.), с достаточной для практики степенью точности можно использовать стационарную модель температурного поля.
3. В условиях нормальной работы фурмы (отсутствие заметалливания наконечника и глубокого отрыва потока кислорода в соплах) даже при относительно невысоких скоростях воды температуры наконечника существенно ниже температуры плавления меди. При этом максимальная температура наружной поверхности наконечника достигается на кромке сопла, а координаты изотермы с максимальной температурой внутренней поверхности наконечника определяются соотношением охлаждающих эффектов со стороны воды и со стороны кислородного потока. Зона максимального градиента температуры расположена в месте сопряжения сопла с торцевой частью наконечника.
Перечень ссылок
1. Жульковский O.A. Математическая модель тепловой работы наконечника верхней кислородной фурмы / O.A. Жульковский II Изв. вузов. Черная металлургия. - 2000. - № 4. -С. 8- 12.
2. Мокринский A.B. Численное моделирование температурных полей в цельноточенном наконечнике верхней кислородной фурмы / A.B. Мокринский, Е.В. Протопопов,
A.Г. Чернятевич II Металл и литье Украины. - 2005. - № 3 - 4. - С. 70 - 71.
3. Сущенко A.B. К вопросу о теплообмене в системе охлаждения кислородных фурм конвертеров верхнего дутья / A.B. Сущенко, В.Н. Евченко, А.П. Балаба II Изв. вузов. Черная металлургия. - 2007. - № 1. - С. 19-23.
4. Болгарский A.B. Термодинамика и теплопередача / A.B. Болгарский, Г.А. Мухачев,
B.К. Щукин. - M.: Высшая школа, 1975. - 495 с.
5. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена I Д. Ши. - M.: Мир, 1988. - 544 с.
6. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости /
C. Патанкар. - M.: Энергоатомиздат, 1984. - 150 с.
7. Исследование тепловой работы наконечника кислородной фурмы / Р.В. Старое, Г.В. Рыбалов, К.П. Кравцов, В.И. Ганошенко II Технология производства конвертерной и мартеновской стали массового назначения: Сб. науч. тр. ИЧМ. - M.: Металлургия, 1981. -С. 11 - 15.
8. Сущенко A.B. Анализ эффективности гидродинамической работы систем охлаждения наконечников кислородно-конвертерных фурм / A.B. Сущенко, А.П. Балаба II Вюник Приаз. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2008. - Вип. 18. - С. 121 - 125.
9. Баптизманский В.И. Исследование теплопередачи в наконечниках кислородных фурм / В.И. Баптизманский, В.Б. Охотский, A.B. Шибко //Изв. вузов. Черная металлургия. - 1987. -№ 11.-С. 47-50.
10. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие / С.С. Кутателадзе. - M.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.
Рецензент: В.А. Маслов
д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 25.12.2008
