Hans-Jurgen Odenthal и Norbert Vogl, SMS Demag AG (Германия),
Mark Pelzer, ANSYS Fluent (Германия)
CFD позволяет инженерам заглянуть внутрь металлургического конвертера, где из-за высоких температур и неблагоприятных условий невозможно выполнение практических измерений.
При литье стали частично обработанное железо из доменной печи транспортируется в главную кислородную печь (кислородный конвертер) для производства жидкой стали. Конвертер представляет собой стальной резервуар с огнеупорной облицовкой, вмещающий до 400 тонн расплавленного металла с температурой свыше 1600 °C. В конвертере имеется несколько кислородных форсунок, которые подают кислород на поверхность металла, а последующий процесс окисления помогает удалить нежелательные вторичные элементы, такие как углерод, марганец, кремний, фосфор и сера.
Эффективному смешиванию расплавов способствует дополнительная подача газов, таких как азот или аргон, — поступая с днища конвертера, они в виде пузырьков поднимаются на поверхность. Оптимизация процесса продувки в конвертере зависит от нескольких переменных, но эксплуатационные испытания и исследование параметров на водных моделях не могут быть реалистично выполнены при использовании только экспериментальных методов. С целью оптимизации качества конечного продукта сталелитейщики вместе с производителями сталелитейного оборудования решили использовать технологии численного моделирования процессов в конвертере.
Конструктивная схема кислородного конвертера
Компания SMS Demag AG (Дюссельдорф) является ведущим производителем оборудования для сталелитейного производства и производства цветных металлов. Наряду с отдельными узлами компания SMS Demag проектирует и строит комплектные производственные линии и целые производства «под ключ». В SMS Demag успешно работает группа из ста специалистов, которые изучают взаимосвязи отдельных параметров технологического процесса с помощью программного обеспечения Fluent и используют эти результаты в различных практических приложениях. Диапазон их исследований простирается от долговременных проектов до отдельных заказов по анализу неисправностей на уже работающих установках.
С помощью CFD можно визуализировать структуру течения в конвертере, детально изучить процессы теплообмена в расплаве и в результате значительно облегчить понимание технологического процесса. Для улучшения пространственной визуализации использовались трехмерные проекции, а для особо важных проектов применялась система СAVE (виртуальная среда), разработанная Aachen University.
Основной целью исследования было моделирование процесса вдува кислорода в конвертер и вызванных этим процессом последующих явлений.
Кислород поставляется в конвертер посредством специальной трубки (фурмы), продолжением которой является фитинг с несколькими соплами Лаваля. На выходе из сопла скорость струи газа приблизительно равна удвоенной местной скорости звука.
Свободные поверхности расплавленного металла (желтый цвет) и шлака (красный) через 0,5; 1,5; 2,5 и 3,5 секунды работы конвертера соответственно
Эти струи глубоко внедряются в расплав и создают колеблющиеся (непостоянные) полости с большими реакционными поверхностями. Верхняя фурма сконструирована таким образом, чтобы избежать некоторых нежелательных эффектов, например обратного разбрызгивания металла, увеличивающего износ.
Трубопровод подвода газа (на днище резервуара) имеет конструкцию, препятствующую его закупориванию. Таким образом, в расплав постоянно поступает достаточное количество газа для обеспечения требуемого перемешивания.
Моделируемый поток является многофазным и имеет высокую температуру; течение турбулентное.
Расчетная сетка была сгенерирована в ICEM CFD и состояла из 500 тыс. ячеек.
Помимо моделей турбулентности и теплообмена использовались также модель VOF для моделирования течения со свободной поверхностью (расплав и шлак) и модель дискретных частиц (Лагранжа) для расчета траекторий движения пузырьков инертного газа.
Кластер Linux, включающий не менее 10 компьютеров, использовался в течение двух недель для моделирования процесса вдува газа длительностью 20 минут.
Большой объем вычислений был связан не с размерами расчетной сетки, а со сложностью моделируемых процессов.
Для учета дополнительных эффектов, например изменения лобового сопротивления пузырьков (при их росте), использовались специальные пользовательские функции (UDF).
Полученные результаты помогли улучшить конструкцию сопел, увеличить глубину проникновения струй, а следовательно, улучшить процессы теплообмена и перемешивания в конвертере.
Несмотря на относительно небольшой масштаб проблемы, полученные в настоящее время результаты способствовали принятию четких решений, касающихся основных последовательностей в процессе плавки и внедрения мероприятий по оптимизации. Таким образом, каждый конвертер может быть адаптирован в соответствии с индивидуальными требованиями заказчика.
