Как тепловое моделирование помогает продлить жизнь фурмы доменной печи

Фурма доменной печи — один из самых теплонагруженных элементов металлургического агрегата. Она подаёт в печь газовоздушную смесь и природный газ, а её рыльная часть находится в зоне экстремально высоких температур. Любая попытка изменить конструкцию или материал фурмы связана с риском перегрева, кипения охлаждающей воды и выхода фурмы из строя. Специалисты АО «МЦД» выполнили детальное термогидравлическое моделирование фурмы, чтобы сравнить два варианта материала рыльной части — традиционную медь и инновационную сталь — и оценить, как они влияют на тепловое состояние всей системы.

Фурма доменной печи — это сложная полая конструкция с внутренними каналами для воды. Внутри неё смешиваются и сгорают газы, а снаружи — раскалённые газы печи. Основные проблемы, с которыми сталкиваются эксплуатационники:

·Локальные перегревы рыльной части и обечаек, которые могут приводить к плавлению металла или образованию трещин.

·Неравномерное охлаждение из-за сложной географии потоков воды внутри фурмы — возникают застойные зоны и места с повышенной скоростью.

·Риск кипения воды в каналах охлаждения: пузырьковое кипение ещё может улучшить теплоотвод, а плёночное — резко его ухудшить и привести к аварии.

·Лучистый теплообмен от раскалённых стенок и газов, который при высоких температурах становится доминирующим механизмом передачи тепла.

Проверить новую конструкцию или материал на реальной печи — дорого, долго и опасно. Альтернатива — компьютерное моделирование, которое позволяет виртуально «обдуть» фурму горячими газами, пропустить через неё воду и увидеть каждую зону перегрева.

Специалисты АО «МЦД» построили трёхмерную геометрическую модель фурмы со всеми её деталями: рыльная часть, внутренняя и внешняя обечайки, корундовая вставка, трубы подвода и отвода воды, каналы для газа. Для расчёта создана гибридная расчётная сетка с более чем миллионом ячеек, сгущённых в пограничном слое у стенок — там, где происходит основной теплообмен.

Решались три типа задач:

1.Холодная продувка — смешение газов без горения, только за счёт конвекции и теплопроводности.

2.Холодная продувка с учётом лучистого теплообмена — чтобы учесть переизлучение тепла от нагретых стенок.

3.Горячая продувка — с моделированием горения газовоздушной смеси и выделением тепла от химической реакции.

Для каждого варианта рассмотрены два материала рыльной части: медь (исходная конструкция) и инновационная сталь (предлагаемая замена). Критериями сравнения служили перепад температур охлаждающей воды, средние и максимальные температуры деталей, а также тепловые потоки в систему охлаждения.

Особое внимание уделено настройке сетки и моделей: исследована зависимость результатов от размера ячеек, количества призматических слоёв у стенок, учёта гравитации и параметров модели лучистого переноса. Это позволило получить методику, гарантирующую точность при разумных вычислительных затратах.

Вода внутри фурмы движется неравномерно. В области наконечника формируются интенсивные вихри и спиралевидные течения, которые хорошо перемешивают теплоноситель и усиливают теплоотвод. Однако в некоторых зонах (например, в дальних углах каналов) скорость падает, что приводит к локальному росту температуры. Эти зоны хорошо видны на векторных полях и линиях тока.

В первом приближении, без учёта лучистого теплообмена, замена меди на сталь привела к ожидаемому росту температуры рыльной части — более чем на 100 °C. Перепад температур воды в системе охлаждения немного снизился (на доли процента), а температуры остальных деталей изменились незначительно. Однако уже на этом этапе стало ясно, что стальная рыльная часть будет работать в значительно более жёстких температурных условиях.

Когда в расчёт добавили излучение от раскалённых стенок и газов, картина изменилась кардинально. Оказалось, что лучистый поток тепла со стороны печи составляет подавляющую долю всей тепловой нагрузки на фурму (более 80%). Без его учёта результаты были бы катастрофически занижены.

С учётом излучения для медной рыльной части максимальные температуры на ней достигли значений, близких к температуре плавления меди. Для стальной рыльной части эти температуры превысили допустимые пределы для большинства сталей — то есть такая фурма просто расплавилась бы. При этом средние температуры внутренней и внешней обечаек выросли, но остались в рабочем диапазоне.

Моделирование горения газовоздушной смеси показало, что дополнительный разогрев от химической реакции вносит сравнительно небольшой вклад в общий нагрев фурмы — основным остаётся излучение от внешней среды. Однако горение существенно меняет поле температур и состав газов непосредственно на выходе из фурмы, что важно для оценки условий работы самой печи.

Благодаря выполненному моделированию заказчик получил ответы на ключевые вопросы без риска и затрат на натурные испытания:

·Подтверждено, что замена рыльной части на сталь приводит к критическому перегреву — максимальные температуры превышают предел плавления. От такого варианта следует отказаться.

·Выявлены зоны локального перегрева в системе охлаждения, где температура воды превышает 100 °C — это потенциальные очаги кипения. Требуется либо увеличить расход воды, либо изменить геометрию каналов.

·Показано, что учёт лучистого теплообмена обязателен — без него погрешность достигает десятков процентов. Разработанная методика может быть использована для любых аналогичных фурм.

·Поля скоростей теплоносителя визуализированы — теперь конструкторы видят, где вода движется плохо, и могут целенаправленно оптимизировать систему охлаждения (например, изменить форму подводящих трубок или установить завихрители).

Таким образом, тепловое моделирование фурмы позволяет не только выбрать подходящий материал, но и предотвратить аварии, продлить срок службы оборудования и повысить надёжность доменной плавки.

Тэги

#ТЕПЛОМАССООБМЕН #ДОМЕННОЕ_ПРОИЗВОДСТВО #ТЕРМОГИДРАВЛИКА #CFD #ОПТИМИЗАЦИЯ

Список использованных источников

1.ANSYS Fluent Documentation.

2.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972.

3.Murthy J.Y., Mathur S.R. Finite Volume Method for Radiative Heat Transfer Using Unstructured Meshes. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 1998.

4.Boyd R.D. Thermal Management Using a Hypervapotron. Summary of Controlling Parameters.