CC BY
13
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип. №17
УДК 669.18.244
Балаба А.П.1, Сущенко А.В .2
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ В СВОДОВЫХ КИСЛОРОДНЫХ ФУРМАХ МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧЕЙ
На основе данных численного моделирования с использованием пакета прикладных программ FlowVision проведен анализ влияния конструктивных особенностей систем охлаждения сводовых кислородных фурм мартеновских печей на гидродинамику охладителя в наконечнике и концевой части ствола фурмы
Для продувки расплава кислородом в сталеплавильных агрегатах (конвертерах, мартеновских, электросталеплавильных печах и др.) наибольшее распространение получили водоохлаждаемые фурмы верхнего дутья с медными многосопловыми наконечниками. При этом наиболее тяжелые условия эксплуатации кислородных фурм имеют место в мартеновских и двухванных печах, в которых наконечники во время длительной продувки расплава кислородом находятся на границе "шлак-металл" в непосредственной близости от реакционной зоны и подвержены значительным тепловым потокам - до 6 9 МВт/м2 [1, 2]. Поэтому, несмотря на проводимую в настоящее время замену мартеновского производства более современным - электросталеплавильным или конвертерным, результаты, полученные на мартеновских печах в области повышения срока службы наконечников кислородных фурм, могут быть успешно использованы и на других сталеплавильных агрегатах.
В процессе длительного совершенствования кислородных мартеновских фурм на металлургических предприятиях был выработан ряд общих принципов их конструирования: 1) применение центрального подвода охлаждающей воды; 2) выполнение 4-6 водяных перепускных каналов в наконечнике с оптимизированными конструктивными параметрами; 3) изготовление наконечника путем механической обработки кованой медной заготовки либо литьем (принято считать [1 и др.], что наконечники из литой меди имеют меньшую стойкость по причине размывания расплавленным металлом из-за их рыхлой структуры и значительного количества примесей).
Одним из распространенных недостатков систем охлаждения кислородных фурм существующих конструкций является неоптимальное распределение потока воды в наконечнике. Это зачастую приводит к формированию "застойных" зон охладителя в наиболее теплонапряженных областях наконечника, что значительно снижает коэффициент теплоотдачи к воде и повышает вероятность прогара при пиковых тепловых нагрузках.
Целью настоящей работы являлось проведение аналитического исследования влияния конструктивных особенностей систем охлаждения сводовых кислородных фурм мартеновских печей на гидродинамику охладителя и оценка эффективности разработанных ранее технических решений по оптимизации профиля скорости воды в наиболее теплонапряженных областях фурмы [3].
Для точено-сварной конструкции наконечника при наличии сварного шва на его торцевой части (рис. 1) ликвидация "застойных" зон охладителя имеет особое значение. Поэтому в настоящей работе в качестве базовой рассматривалась кислородная фурма указанной конструкции, имеющая наружный диаметр ~ 150 мм, пятисопловой продувочный блок, профилированную центральную заглушку, расход охлаждающей воды ~ 30 м3/ч и используемая на промышленных мартеновских печах садкой 200 900 т.
1 ГТГТУ, аспирант
2 ГТГТУ, канд. техн. наук, доц., нач. лаборатории ЭРСМП
Анализ гидродинамической работы различных вариантов системы охлаждения наконечника фурмы проводили с использованием программного комплекса Р1о\уУ18ЮП (разработчик ООО «Тесис», РФ). Он основан на численном решении уравнений Навье-Стокса, энергии и неразрывности течения с соответствующими начальными и граничными условиями, на базе стандартной к-с модели турбулентности.
При сравнительном анализе рассматривали картину течения охладителя в трех характерных сечениях наконечника горизонтальными плоскостями а, (3 и у, проходящими соответственно через нижние точки входных сечений водяных перепускных каналов, верхние точки выходных сечений последних и наружный боковой сварной шов на стыке "медь-сталь". При этом в качестве сравнительных параметров были приняты размеры областей (участков) системы охлаждения со скоростью воды менее 3 м/с [4]: /а -доля площади теп л оот дающей поверхности в сечении плоскостью а; 1а - часть длины окружности сварного шва между наконечником и центральной заглушкой; 1р,1у ~ части длин окружностей контакта охлаждающей
воды с теплоотдающей поверхностью соответственно в сечениях плоскостями (3 и у.
В результате математического моделирования получено, что течение охлаждающей воды в базовом наконечнике, представленном на рис. 1, характеризуется наличием ярко выраженных "застойных" зон охладителя
Рис. 1 - Наконечник сводовой кислородной фурмы базовой конструкции
1 - перепускные водяные каналы;
2 - кислородные сопла;
3 - заглушка
в сечении горизонтальной плоскостью а (рис. 2). При
этом величины и 1а составили соответственно 0,11 и 0,41, что указывает на недостаточную эффективность охлаждения наиболее теплонапряженных участков наконечника и высокую вероятность возникновения пленочного режима кипения [4]. Величина составила 0,41, а 1у —
0,24. В целом можно также отметить недостаточно эффективное охлаждение наконечника в районе выходных сечений кислородных продувочных сопел и наружного бокового сварного шва на стыке "медь-сталь".
а)
Цвет | Скорость, м/с
3 2,7
2.4
2.1 1 Я
1.0 1.5
1-2
0.9
0.6
0.3
0
Рис. 2 - Гидродинамическая картина течения охлаждающей воды в сечении наконечника базовой конструкции плоскостью а (а, б - соответственно топография и векторное поле скорости)
Увеличение количества перепускных водяных каналов и кислородных сопел до шести качественно не изменило гидродинамическую картину течения охладителя в наконечнике. При этом величины /аЛаЛр и 1у составили соответственно 0,09; 0,37; 0,48; 0,30.
Выполнение перепускных каналов с той же площадью проходного сечения в форме эллипса, большая ось которого находится в горизонтальной плоскости, позволило несколько уменьшить застойные зоны в районе сварного шва между наконечником и центральной заглушкой (/а = 0,08; 1а = 0,32; 1р = 0,40; 1у = 0,27).
С целью уменьшения области "застойных" зон охлаждающей воды в районе сварного шва "медь-сталь" наконечника с наружной трубой ствола фурмы более рационально располагать перепускные каналы тангенциально к отводящему водяному тракту фурмы, что позволяет закрутить поток охладителя в наружном кольцевом канале (рис. 3, 4). При этом в результате численного моделирования получено, что величины /а , 1а , и 1у составили соответственно 0,11; 0,41; 0,28; 0,19.
1 Цвет | Скорость, м/с
II 3
1.5
ПГ2 0.9
0.Б
0.3
0
Рис. 3 - Наконечник Рис. 4 - Гидродинамическая картина течения
фурмы с тангенциальным охлаждающей воды в сечении плоскостью у наконечника с
расположением водяных тангенциальным расположением водяных перепускных
перепускных каналов каналов Обозначения см. рис. 1
Наибольшее распространение в мартеновских фурмах получил центральный подвод охлаждающего агента, что обеспечивает подачу холодной воды непосредственно к торцевой части наконечника. При изменении направления течения охлаждающей воды в стволе фурмы (при подаче по наружному кольцевому каналу и отводе - по центральной трубе) кардинального изменения в гидродинамической картине центральной части наконечника базовой конструкции не наблюдали (/а = 0,21; 1а = 0,52; = 0,65). При этом получено некоторое снижение
размеров областей с чрезмерно низкими скоростями охладителя (менее 0,5 м/с). В сечении наружного кольцевого канала наконечника горизонтальной плоскостью у имело место более равномерное течение охлаждающей воды со скоростью 1,8 2,0 м/с во всем живом сечении.
При использовании наконечника с тангенциально ориентированными перепускными каналами и изменении направлении течения охладителя в фурме возникает интенсивное вращение потока охлаждающей воды в центральной части наконечника. При этом в сечении горизонтальной плоскостью а "застойные" зоны воды практически исчезают (рис. 5), а в сечениях плоскостями Р и у течение охладителя идентично использованию наконечника базовой конструкции.
Основной недостаток изменения направления потока охладителя в фурме путем его подвода к наконечнику по наружному кольцевому каналу заключается в подаче уже нагретой воды в наиболее теплонапряженную часть конструкции. В случаях нагрева охлаждающего агента в стволе фурмы больше 25 30 °С заметно уменьшится разница между температурой кипения воды при заданном давлении и ее фактической температурой по сравнению с общепринятым центральным подводом охладителя, что при прочих равных условиях по данным [4] повышает вероятность возникновения пленочного режима кипения.
При использовании наконечника фурмы с тангенциальным расположением водяных перепускных каналов и центральным подводом охладителя возможна его дополнительная закрутка перед наконечником путем применения
специального закручивающего устройства в подводящем тракте ствола фурмы (например, ленточного или шнекового завихрителя). При этом с целью повышения эффективности использования закрученного потока воды в районе центрального сварного шва более рациональным является применение плоской заглушки. Как показали численные эксперименты, в зависимости от конструкции концевой части закручивающего устройства наряду с возникновением макровихревого течения в центральной части наконечника могут формироваться несимметричные
(относительно оси фурмы) "застойные" зоны охлаждающей воды. Кроме того, предварительная
закрутка потока требует дополнительного повышения давления охладителя на входе в фурму.
Выводы
1. Разработан алгоритм, позволяющий с использованием данных численного моделирования гидродинамики течения охладителя, проводить сравнительный анализ эффективности работы систем охлаждения наконечников кислородных фурм различных конструкций.
2. Установлено, что при обычно используемом на практике числе перепускных водяных каналов в наконечнике кислородной фурмы, равным 4-7 шт., оптимизация формы этих каналов оказывает большее влияние на гидродинамику течения охладителя по сравнению с изменением их количества.
3. Показано, что выполнение систем охлаждения наконечников фурм с псрспускными водяными каналами, тангенциально ориентированными к водяным трактам фурмы, является более рациональным по сравнению с традиционно используемыми ко н стру к ц и я м и. как при прямой, так и обратной подаче охладителя (при подводе или отводе воды через центральный канал фурмы).
Перечень ссылок
1. Нал т тмански и В. И. Фурмы для продувки мартеновской ванны и их работа / В.И. Баптизманский, А.Г. Величко, A.B. Шибко // Черная металлургия: Бюл. НТИ / Черметинформация. - 1990. - Вып. 5. - С. 24-33.
2. Решетников Е.К. Факторы, влияющие на срок службы кислородных фурм мартеновских печей / Е.К. Решетников, Н.М. Пстченко, В.Н. Стрснико II Сталь. - 1983. - №3. - С. 29-30.
3. Сущенко A.B. Способ интенсификации теплообмена в системах охлаждения наконечников кислородных фурм сталеплавильных агрегатов / A.B. Сущенко, А.П. Балаба / XIII региональная научно-техническая конференция: Тез. докл. / ПГТУ. - Мариуполь, 2006. -Т. II.-С. 34-35.
4. Сущенко A.B. Анализ процессов теплообмена в системе охлаждения наконечников фурм кислородных конвертеров / A.B. Сущенко, В.Н. Евченко, А.П. Балаба // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. 2006. - Вип. 16. - С. 35-40.
Рецензент: В.А.Маслов
д-р техн. наук, проф.. ПГТУ
Статья поступила 27.12.2006
Цвет Скорость, м/с
3
2.7
2 А
2.1
1.8
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
0
а)
Рис. 5 - Гидродинамическая картина течения охлаждающей воды в наконечнике с тангенциально ориентированными
псрспускными каналами и изменении направления течения
