CC BY
93
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. №12
УДК 532.526:669.18
Жук В.И.*
АНАЛИЗ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Проведено математическое моделирование тепловых процессов, происходящих в рыльной части фурмы в обычных и критических условиях. Рассмотрен механизм прогара фурмы при попадании чугуна на ее поверхность. Проанализированы пути улучшения тепловой работы фурм и возможности экономии материалов при их изготовлении.
Проблема повышения стойкости доменных фурм является одной из актуальных задач современного процесса производства чугуна. Воздушные фурмы, согласно [1], работают в наиболее тяжелых условиях: находясь в зоне максимальных температур, они подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов и периодическому попаданию на охлаждаемую поверхность продуктов плавки с температурой более 1400°С (рис. 1). Отечественная практика показывает [2], что существующие конструкции воздушных фурм по своим техническим возможностям при нормальных условиях способны обеспечить непрерывную работу в течение длительного времени, достигающего на отдельных заводах 1,5 года. Основными причинами выхода из строя фурм в соответствии с [1], считаются:
1) постоянно действующий абразивный износ фурмы движущейся шихтой, протекающий в условиях высоких температур;
2) периодическое попадание на фурму жидких продуктов плавки, вызывающее проплавление (прогар) стенки;
3) недостаточная эффективность отвода тепла фурмой из-за нерациональных способов подвода воды в охлаждающую полость;
4) низкое качество охлаждающей воды, вызывающее ухудшение теплообмена при образовании накипи на стенках фурмы. Два последних фактора играют немаловажную роль в прогорании материала фурмы. Согласно зарубежным исследованиям [3], воздушные фурмы доменных печей, выходят из строя главным образом из-за прогара стенок при попадании на их поверхность жидкого чугуна (рис. 2) - в среднем 70-75% от общего числа изношенных фурм. Для повышения стойкости фурм был предложен ряд конструкций, увеличение срока службы которых предполагалось достигнуть интенсификацией охлаждения носка, его утолщения или применения в этой части огнеупорной набивки. Наряду с созданием новых конструкций воздушных фурм проводится работа по изысканию материалов, способных заменить дефицитную медь. Нанесение покрытий из этих
* ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
Рис. 1. - Температурный режим работы
воздушных фурм [1]: 1 — холодильники печи; 2 — гарниссаж; 3 — воздушная фурма; 4 — фурменный холодильник; 5 — амбразура; 6— сопло; 7 — кладка горна
материалов на наиболее ответственные участки фурм повышает устойчивость против истирающего действия шихты, но, как оказалось, длительность работы фурм лимитируется не
механической прочностью материала, а стойкостью фурмы, связанной с прогаром при попадании на стенку жидкого чугуна. В работе [1] отмечено многообразие изобретений и патентов последних лет, касающихся повышения стойкости фурм. Однако большинство конструктивных параметров определяется без детального изучения тепловых условий их работы, подкрепляемого теоретическими и лабораторными экспериментами.
Существующие и разрабатываемые
конструкции фурм требуют осуществления предварительного теплотехнического анализа
Рис. 2.-Воздушная фурма с прогаром рыльной части при воздействии
жидкого чугуна
1 1 с целью повышения их стойкости, улучшения
характеристик, возможности экономии материалов фурмы при изготовлении. Цель настоящей работы - создание математической модели тепловых процессов, происходящих при эксплуатации фурмы в обычных и критических условиях.
Математическая модель основана на решении нестационарного уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах (рис. 3) при граничных условиях третьего рода на стенках фурмы. Поставленную задачу следует отнести, согласно классификации [4], к сопряженным задачам тепломассопереноса, решение которых даже в настоящее время при наличии мощной вычислительной техники довольно затруднительно. Поэтому ее решение в дальнейшем проводится в несопряженной постановке, а коэффициенты теплоотдачи сжигаемого газа, охлаждающей воды и расплавленного чугуна задавали из теоретических и экспериментальных данных, широко приведенных в [5].
Для описания процесса теплопроводности в фурме в соответствии с выбранной системой координат используется дифференциальное уравнение (1) с начальными (2) и граничными условиями на поверхности Г охлаждаемой части Фурмы (3):
dt ~дГ
= а(
б 2 i
д г 2
-я*
дг
1 т - о
- а
i г
- t
dt
' t ~г
)
(1)
(2)
\г
г *с<*~*с> .
г 7 (3)
где т - время, t - температура, г - расстояние до оси фурмы, R - внешний радиус фурмы, ас-коэффициент теплоотдачи от стенки фурмы в окружающую среду, t0 - начальная температура
фурмы, tc - температура среды, контактирующей с фурмой, А - коэффициент
теплопроводности, а=Х/ср0— коэффициент температуропроводности материала фурмы,
значения которых соответствуют табличным константам и не меняются в зависимости от температуры и условий эксплуатации. Систему уравнений (1-3) можно привести к безразмерному виду, удобному для анализа, для чего вводится безразмерная температура t-t г & --—, время Fo=ai/R2, относительный радиус Г = — и координата I = , критерий Био
t -t m о
bíc=z£.
А
R
д& 1 д , д2&
-= -—(г-) + —г
dFo г дг дг dz~
(5)
д® I л -
IГ=В*се IГ (6)
Для получения численного решения этих уравнений (4-6) используют явные конечно-разностные схемы второго порядка аппроксимации. Численную реализацию разработанных программ осуществляли на компьютерной модели, позволяющей задавать тепловое воздействие на любых этапах работы фурмы. Программирование выполнено на базе OS Windows 98 с помощью алгоритмического языка Borland С++ Builder 5.0. Для работы необходима машина, имеющая возможности не ниже, чем 486 DX с 8Мб RAM.
0
газ
Ri
R
стенка фурмы,
вода
футеровка печи
рыльная часть
чугун
Для проведения расчетов предварительно был установлен диапазон параметров, соответствующий экспериментальным
значениям температуры на внешней и внутренней поверхности фурмы, полученным в работе [6]. В дальнейшем эти параметры не менялись, что позволило провести сравнение результатов различных расчетов. В качестве расчетных приняли размеры R=150 ММ, Ш=75 мм, размеры R2 и R3 и глубина полости варьировались в пределах, соответствующих минимальному и максимально возможному объему полости. Численными исследованиями установили, что теплообмен в стенках фурмы не является определяющим. Как правило, наружная стенка фурмы не подвержена воздействию жидкого чугуна, а на внутреннюю стенку чугун не попадает. Поэтому расчеты в основ-
Рис.З. - Схема расчетной области, ном проводили для рыльной части фурмы, выдвинутой в горн печи за пределы огнеупорной кладки. Результаты расчетов стационарного теплового поля рыльной части фурмы представлены в виде картин расположения изотерм для случая обычного режима работы (рис.4, а) и в критическом режиме локального воздействия при попадании жидкого чугуна на нижнюю часть носка фурмы (рис.4, б), и на боковую часть (рис.4, в). В узловых точках фурмы приведена температура в градусах Цельсия. Аналогичные картины получены при полном погружении носка фурмы в чугун. Рассмотрим основные результаты для различных режимов тепловой работы фурмы.
а) Обычный стационарный режим. При любом объеме водоохлаждаемой полости температура внешней поверхности рыльной части фурмы ^ далека от температуры плавления меди (1083С), а температура внутренней поверхности 1:в - от температуры кипения воды. В предельных случаях, если толщину стенки рыла принять ~3 мм, расчеты дают величину
=83°С", 1;В=550С. Для сплошной рыльной части - ^ =795°С, ^=6 ГС. С увеличением объема полости температура внутренней поверхности стенок фурмы уменьшается, что свидетельствует об улучшении теплоотвода. Таким образом, при устойчивой тепловой работе выбор толщины стенок рыльной части определяется стойкостью воздушных фурм против истирания, что расширяет возможности экономии дорогостоящей меди.
б) Воздействие жидкого чугуна в нижней части носка фурмы. При длительном локальном воздействии чугуна в нижней части носка фурмы решающую роль играет его толщина. С ее уменьшением температура нижней внутренней поверхности становится выше температуры кипения воды, что приводит к кризису кипения [5] и ухудшению теплоотвода. Соответственно, температура внешней поверхности рыльной части растет, достигает
402
1500
674 609 748 1104 1500 1123 860 940 1231
69 40 41 75 72 41 41 78 71 41 45 105
352
1500
566 707 1072
1500
212
1065 796 869 1173
73 67 41 44 104
ЕЮ
1
Р 1
1500
220 461 674
41 67 65 41
1500
697 386 42 69 65 41
264
1500
605
Рис. 4 - Тепловое поле в рыльной части фурмы в зависимости от размеров охлаждающей полости: а - установившееся поле, б - воздействие чугуна снизу, в - воздействие чугуна сбоку. Цифры в узловых точках фурмы - температура в градусах Цельсия. Масштаб - 1:2.
(^'гк»ди.срели~ ^ 00. В^угугои-азя— I . I ||угу1|а,ГИЗИ~ 1500 С. 1|юды Ю С).
температуры плавления меди и фурма начинает плавиться. Происходит процесс, именуемый прогаром фурмы, длительность которого составляет величину -20-30 секунд. Увеличение объема полости способствует уменьшению температуры внутренней поверхности стенок фурмы, но не устраняет ее прогар. Как только воздействие прекращается, через 1,5-2 минуты восстанавливается обычный тепловой режим (при условии, что фурма не прогорела). При полном погружении нижней части носка фурмы в чугун для сплошного pbuiatB=73°C.
в) Воздействие жидкого чугуна в боковой части носка фурмы. В этом случае возрастает вероятность прогара той стенки, на которую попал чугун, в угловых точках и точках, наиболее близких к месту попадания чугуна. Как правило, температура внутренней боковой поверхности tB выше, чем в случае (б), то есть боковые прогары более вероятны. В отличие от (б), увеличение объема полости не всегда способствует уменьшению температуры внутренней поверхности стенок фурмы. При полном погружении боковой части носка фурмы в чугун для сплошного pbuiatB=88°C.
Полученные данные показывают, что на долговечность работы фурмы оказывают влияние, в первую очередь, внешние факторы: стабильность тепловой работы доменной печи, отсутствие теплового воздействия, даже кратковременного и локального, со стороны жидкой ванны. Непосредственной причиной прогара является попадание расплавленного чугуна на нижнюю или боковую поверхность рыльной части фурмы. С другой стороны, даже в критических условиях имеется возможность избежать выхода их строя фурмы, улучшив условия теплоотвода. На основании моделирования установлено, что увеличение скорости воды в рыльной части фурмы в 3-4 раза в критическом режиме при толщине стенки 15 мм не приводит к ее прогару. Улучшение охлаждения фурмы можно добиться также, снижая температуру воды, однако, эффект здесь незначителен в сравнении с увеличением ее скорости.
Выводы.
Разработана математическая модель теплообмена доменной фурмы при граничных условиях третьего рода. В расчетах моделировали тепловое поле внутри и на поверхности рыльной части медной фурмы в обычных и критических условиях воздействия высоких температур. Установлено, что прямой причиной прогара воздушных фурм следует считать попадание чугуна на ее поверхность в процессе эксплуатации. Косвенная причина заключается в том, что скорость движения и температура охлаждающей воды оказывается недостаточной для осуществления необходимого теплоотвода. Увеличение толщины стенок фурмы не всегда способствует улучшению ее тепловой работы, что создает возможность экономии дорогостоящей меди при их изготовлении.
Перечень ссылок.
1. Андонъев СМ., Филипъев О.В., Кудинов P.A. Охлаждение доменных печей. - М.: Металлургия, 1972. - 368с.
2. Оптимальные параметры воздушных фурм. Логинов В.И., Мусиенко К.А., Гончаров А.Д. Воронков Д.В., Романенко КВ. II Сталь. - 1988. №5. - С.7-14.
3. Бехман Г., Бернер К., Эсфелъд Г. Причины повреждений фурм доменной печи. // Черные металлы (Stahl Und Eisen). - 1970. №10. - С.81-56.
4. Никитенко Н.И. Сопряженные и обратные задачи тепломассопереноса. - Киев: Наукова думка, 1988. - 240 с.
5. Исаченко В. П., Осипов а В. А., Сукомел A.C. Теплопередача. -М.: Энергоиздат, 1981. -418 с.
6. Рагин Б.И., Сапко А.И. Экспериментальное определение температурного поля воздушной фурмы доменной печи. // Сталь. - 1970. №12. - С. 1077.
Жук Виктор Иванович. Канд. техн. наук, доцент кафедры физики ПГТУ, окончил Донецкий государственный университет в 1972 году. Основные направления научных исследований - математическое и физическое моделирование естественной и вынужденной конвекции в жидкостях и газах, анализ тепломассообменных процессов при нагревании, плавлении и кристаллизации металлов.
Статья поступила 28.12.2001.
