Кислородный конвертер — сердце современного сталеплавильного производства. От того, насколько эффективно организована продувка расплава, зависят скорость плавки, расход металла и качество стали. Специалисты АО «МЦД» выполнили детальное CFD-моделирование процессов в конвертере для одного из ведущих металлургических комбинатов. Исследование позволило увидеть нестационарную картину течения, оценить влияние нижней продувки аргоном и дать рекомендации по повышению эффективности.
В чём сложность
В кислородном конвертере сверху через многосопловую фурму подаётся кислород, который проникает в расплав, образуя характерную каверну (воронку). Одновременно снизу через донные фурмы может подаваться аргон для дополнительного перемешивания. Взаимодействие сверхзвуковых струй кислорода с жидкой сталью и шлаком — это крайне нестационарный процесс. Каверна пульсирует, на её поверхности возникают волны, расплав разбрызгивается, а в объёме конвертера формируются сложные вихревые течения.
От правильности этих процессов напрямую зависят:
·скорость обезуглероживания и рафинирования;
·угар железа (потери металла);
·стойкость футеровки;
·однородность ванны и качество готовой стали.
Натурные эксперименты на реальном конвертере практически невозможны из-за высоких температур, агрессивной среды и масштабов оборудования. Единственный способ заглянуть внутрь процесса — компьютерное моделирование многофазных течений с учётом сжимаемости газов и свободной поверхности.
Как мы проводили исследование
Специалисты АО «МЦД» построили трёхмерную модель конвертера с полной геометрией — корпус, слой шлака и расплава, кислородная фурма с шестью соплами, донные фурмы для аргона. Расчётная сетка содержала более миллиона ячеек, сгущённых в областях струй и вблизи границ раздела сред. Моделирование выполнялось в нестационарной постановке с использованием методов, хорошо зарекомендовавших себя для многофазных металлургических систем.
Поскольку характерное время процессов разное (струи аргона устанавливаются за десятки секунд, а образование каверны — за доли секунды), задача решалась в два этапа. Сначала рассчитывалось перемешивание расплава аргоном до достижения стационарного режима. Затем в полученную картину течения «включалась» сверхзвуковая кислородная струя, и моделировалось образование и пульсации каверны.
Рассмотрены три режима:
·только верхняя кислородная продувка;
·комбинированная продувка с малым расходом аргона;
·комбинированная продувка с повышенным расходом аргона.
Также отдельно была решена задача о взаимодействии шести струй кислорода между собой — это позволило точно воспроизвести изгиб струй и распределение давления на поверхности ванны.
Что показало моделирование
Образование и пульсации каверны
Под действием сверхзвуковых струй кислорода на поверхности расплава формируется глубокая каверна. В первые моменты её глубина максимальна, затем из-за вязкого взаимодействия каверна начинает «растекаться» — глубина уменьшается, а диаметр растёт. На поверхности каверны возникают волны, которые движутся от центра к периферии. Эти волны способствуют разбрызгиванию металла и интенсифицируют массообмен.
Важно, что процесс носит периодический характер: каверна пульсирует с характерным периодом в несколько секунд. Волны на поверхности расплава и колебания глубины повторяются, создавая устойчивую нестационарную картину. Максимальные скорости расплава достигаются именно в волнах на кромке каверны.
Влияние аргона на перемешивание
Нижняя продувка аргоном создаёт в расплаве торообразные вихри, которые поднимаются к поверхности и взаимодействуют с течением, вызванным кислородной струёй. При малом расходе аргона картина течения заметно усложняется — появляются дополнительные вихри, но средняя по объёму скорость расплава практически не меняется. Другими словами, интенсивность перемешивания остаётся на том же уровне, что и без аргона.
При повышенном расходе аргона ситуация иная: средняя скорость расплава возрастает, а зоны застоя (области у дна и в углах конвертера) уменьшаются. Интенсивность перемешивания увеличивается на величину, которую можно считать значимой для технологического процесса.
Напряжения на стенках и зоны застоя
Анализ касательных напряжений на футеровке показал, что максимальные значения достигаются вблизи донных фурм (под действием аргона) и на границе раздела расплава со шлаком (под действием кислородной струи). При этом повышенный расход аргона приводит к росту касательных напряжений на боковых стенках, что необходимо учитывать при оценке износа футеровки.
Области с наименьшей скоростью (застойные зоны) расположены у днища конвертера и в местах сопряжения днища с боковыми стенками. Добавление аргона уменьшает размер этих зон, способствуя более равномерному перемешиванию.
Итоги для заказчика
Благодаря выполненному моделированию компания получила уникальные данные о внутренней гидродинамике конвертера, которые невозможно измерить на реальном оборудовании. Основные результаты:
·Визуализирован процесс образования каверны и её пульсаций — это позволяет понять механизм диспергирования расплава и массообмена.
·Количественно оценена эффективность нижней продувки аргоном — показано, при каком расходе аргон действительно увеличивает перемешивание, а при каком лишь усложняет течение без технологического выигрыша.
·Выявлены зоны застоя и области повышенных касательных напряжений — это даёт информацию для оптимизации конструкции конвертера и режимов продувки с целью продления стойкости футеровки.
·Создана верифицированная методика, которая может быть использована для подбора параметров продувки (угол наклона сопел, расход кислорода, расход аргона) под конкретные задачи: сокращение времени обработки, снижение угара железа или улучшение качества металла.
Таким образом, CFD-моделирование кислородного конвертера позволяет металлургическим предприятиям принимать обоснованные инженерные решения, сокращать производственные издержки и повышать конкурентоспособность продукции.
Тэги
#МЕТАЛЛУРГИЯ #МНОГОФАЗНЫЕ_ТЕЧЕНИЯ #КИСЛОРОДНЫЙ_КОНВЕРТЕР #CFD #ОПТИМИЗАЦИЯ
Список использованных источников
1.Smith, G. Multiple jet oxygen lances — Theoretical analysis and correlation with practice. JOM, 1966.
2.Odenthal, H.-J. et al. CFD simulation of multiphase melt flows in steelmaking converters. ECCOMAS CFD, 2006.
3.Alam, M. et al. Computational fluid dynamics simulation of supersonic oxygen jet behavior at steelmaking temperature. Metallurgical and Materials Transactions B, 2010.
4.Li, Q. et al. Computational study on the behaviours of supersonic jets and their impingement onto molten liquid free surface in BOF steelmaking. Canadian Metallurgical Quarterly, 2014.
5.Карпенко Г.А. Оценка перемешивания сталеплавильной ванны на основе физического моделирования. Современные проблемы науки и образования, 2006.
6.Протопопов Е.В. и др. Вклад кафедры черных металлов в развитие теории и техники высокотемпературного моделирования продувки конвертерной ванны. Известия вузов. Чёрная металлургия, 2015.