автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование струйных течений в сталеплавильных конвертерах

. с/) йб.м.93 - /821

V /

, л?

С4

(-'

а

российская академия наук

сибирское отделение

институт вычислительных технологий

президиум ВАК России

(решениеот —■

присудил Ученую степень,

На правах рукописи

лошевич

Начальник уп|

/А> _ I

ПИРОВ АНИЕ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ КОНВЕРТЕРАХ

05.13.16 — применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (в области технических наук)

диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

и*

1 \Г

Научные консультанты

академик, д.ф.-м.н. Ю.И.Шокин профессор, д.т.н. А.Д.Рычков

Новосибирск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................................5

ВВЕДЕНИЕ.........................................................7

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОДНОФАЗНЫХ

И ДВУХФАЗНЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ................15

1.1. Однофазные турбулентные течения........................16

1.2. Двухфазные турбулентные течения.........................22

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕЧЕНИЙ.......................................27

2.1. Феноменологические модели движения газовзвесей ........29

2.2. Некоторые способы замыкания осредненной

системы уравнений.............................................39

2.3. Лагранжево - эйлерово описание движения

газовзвеси.......................................................43

Выводы ........................................................46

3. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ РАСЧЕТА

ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ....................................47

3.1. Модифицированный метод конечного объема...............48

3.1.1. Интегро-дифференциальные уравнения ................51

3.1.2. Конечно-разностные аппроксимации ...................53

3.1.3. Дискретные аналоги транспортных уравнений ........61

3.2. Алгоритм SIMPLE .........................................63

3.2.1. Некоторые модификации метода SIMPLE..............70

3.3. Решение систем линейных алгебраических уравнений .....73

3.3.1. Метод неполной факторизации Булеева................74

3.3.2. Вариационная оптимизация метода Булеева ...........77

3.4. Метод пристенных функций при расчетах турбулентных течений..........................................79

3.4.1. Реализация метода пристенных функций ..............83

3.5. Численное решение уравнений движения частиц

и параболизованных уравнений.................................85

Выводы.........................................................92

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕЧЕНИЙ

В КАНАЛАХ И СТРУЯХ.........................................94

4.1. Ламинарное течение газовзвеси в каналах .................95

4.2. Численное исследование турбулентного движения газовзвеси в канале............................................100

4.3. Расчет турбулентного двухфазного течения

с использованием модели Кондратьева........................106

4.4. Численное моделирование натекания турбулентной двухфазной струи на плоскую преграду.......................111

4.4.1. Континуальная модель................................113

4.4.2. Лагранжево-эйлеров подход ...........................120

Выводы .......................................................126

5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТРУЙНОГО ТОРКРЕТИРОВАНИЯ ...........................128

5.1. Раздельная схема подачи торкретмассы ...................131

5.1.1. Математическая модель ..............................132

5.1.2. Результаты расчетов .................................136

5.2. Коаксиальная схема торкретузла .........................139

5.3. Взаимодействие струи со стенкой конвертера.............153

5.3.1. Модель осаждения частиц ............................157

5.3.2. Алгоритм решения....................................159

5.3.3. Некоторые результаты расчетов ......................160

5.4. О применении плазменных технологий....................163

Выводы .......................................................172

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДОЖИГАНИЯ МНООКСИДА УГЛЕРОДА ПРИ ВЕРХНЕЙ ПРОДУВКЕ КОНВЕРТЕРА...................................................174

6.1. Технологическая схема процесса..........................174

6.2. Физическая модель ........................................177

6.3. Математические модели...................................181

6.3.1. Основные уравнения ..................................184

6.3.2. Учет процесса диспергирования частиц металла с поверхности раздела фаз ....................................187

6.4. Методика расчета взаимодействия струи с поверхностью металла.........................................189

6.5. Некоторые результаты расчетов .........................М95

6.6. Пакет прикладных программ STREAM для численного моделирования струйных течений в сталеплавильных

конвертерах....................................................198

Выводы .......................................................202

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................203

ЛИТЕРАТУРА ..................................................205

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ь — время

х,у — продольная и поперечная координаты цилиндрической

системы координат ОХ и ОУ —*

II — вектор скорости и,у — составляющие вектора скорости

р — плотность р — давление Т — температура с — удельная теплоемкость Н — энтальпия к — пульсационная энергия е — диссипация энергии турбулентности

Ь — пространственный макромасштаб турбулентности / — длина пути смешения т — масса частицы п — счетная концентрация ча-

стр1ц —*

^ — сила межфазного взаимодействия

(5 — межфазный тепловой поток

¡л — коэффициент динамической вязкости

V — коэффициент кинематической вязкости

— истинная плотность с— объемная доля г-той фракции

(3 — величина, обратная времени динамической релаксации частицы

© — величина, обратная времени тепловой релаксации частицы Числа подобия рг — число Фруда Кп — число Кнудсена М — число Маха N11 — число Нуссельта Рг — число Прандтля Не — число Рейнольдса 5с — число Шмидта БЬк — число Стокса

Индексы

г — величина относится к параметрам частиц р — величина относится к истинным параметрам частиц ' — пульсационная составляющая величины при временном осреднении

ги — параметр на стенке канала

Ъх — параметр во входном сечении канала

О — угловые скобки - пространственное осреднение —*

аЬ — диадное умножение

ВВЕДЕНИЕ

Струйные течения находят самое широкое применение в различных технологических процессах. Это, например, нанесение защитных покрытий путем газодинамического напыления порошков металлов на различные поверхности с помощью двухфазных струй с целью создания антикоррозийных покрытий или повышения изностойкости трущихся поверхностей, интенсификация процессов тепло-массопереноса в технологических процессах химического производства и многое другое.

В металлургической промышленности струи находят самое широкое применение в связи с переходом на конвертерный способ производства стали. Наиболее ярким примером является сравнительно новая технология нанесения дополнительного огнеупорного покрытия на стенки сталеплавильных конвертеров с помощью двухфазных струй. Эта технология, известная как струйное (или факельное) торкретирование, является практически полностью автоматизированной и ее применение позволяет значительно сократить простои конвертеров между плавками и более чем вдвое увеличить количество плавок на одном конвертере без замены его основной огнеупорной кладки.

Сам процесс торкретирования изучен еще крайне недостаточно в силу сложности протекающих при этом физико-химических явлений и трудной их доступности для измерений в силу высоких температур и наличия второй фазы высокой концентрации, представляющей собой мелкодисперсную смесь горящих частиц кокса и огнеупорного материала (магнезита). Поэтому численное моделирование процесса струйного торкретирования на основе современных математических моделей, достаточно адекватно описывающих турбулентные двухфаз-

ные течения с учетом горения частиц, позволяет существенно продвинуться в понимании сути процесса торкретирования и целенаправленно проводить мероприятия по наиболее эффективной его организации и оптимизации.

Математическое моделирование процесса струйного торкретирования стенок сталеплавильных конвертеров сводится к рассмотрению задачи о взаимодействии двухфазной турбулентной струи (протяженностью порядка 100-200 калибров), истекающей из специального устройства, со стенкой конвертера. Вторая фаза (торкретмасса) представляет собой мелкодисперсную смесь частиц кокса и магнезита, причем частицы магнезита при подлете их к стенке должны иметь температуру, достаточную для их размягчения и скорость, обеспечивающую их налипание на стенку конвертера. Достижение нужной температуры частиц магнезита осуществляется за счет выделения тепла от сгорания частиц кокса, для сжигания которых в струю вводится кислород. Истечение такой струи происходит в затопленное пространство с высокой температурой. Экономический анализ ряда технологических схем торкретирования, выполненный при участии автора [138], показал, что торкретирование позволяет существенно повысить эффективность эксплуатации сталеплавильных конвертеров за счет снижения простоев между плавками и уменьшения частоты ремонта их огнеупорного покрытия. Экспериментального и теоретического материала по изучению процесса торкретирования в настоящее время накоплено сравнительно немного ввиду сложности протекающих физико-химических превращений. Автором была предпринята попытка построить приближенную (инженерную) газодинамическую модель этого процесса [138] на основе инженерной методики расчета течений в турбулентных струях. При этом течение несущего

газа в струе заменялось на течение от точечного источника и предполагалось, что движение частиц происходит с их постоянным запаздыванием по скорости относительно несущего газа [104]. Задача в такой приближенной постановке решается аналитически, а ряд свободных параметров, имеющихся в нашем распоряжении, позволяет добиваться согласования с экспериментом по таким основным параметрам, как например, скорость роста защитного покрытия. Однако область применения предложенной методики оказалась достаточно ограниченной и по-видимому здесь более целесообразно численное решение задачи в точной постановке.

Другим интересным примером использования струй является организация верхней и донной продувок ванны жидкого металла (чугуна) в конвертере с помощью струй кислорода и инертного газа, а также способ дожигания окиси углерода, образующейся при верхней продувке, в полости каверны с помощью дополнительных струй, что для условий России и стран СНГ, не оборудованных специальными устройствами для улавливания газов, имеет важное практическое значение. Большие трудности в проведении измерений в натурных условиях и ненадежность переноса результатов лабораторных экспериментов на промышленное производство заставляют и здесь обращаться к математическому моделированию, как к реальному средству, позволяющему определять пути и направления совершенствования таких новых технологий.

Основные цели работы:

- разработка методики расчета осесимметричных двухфазных турбулентных струйных течений для моделирования газодинамических процессов в сталеплавильных конвертерах;

- разработка и создание комплекса программ для расчета таких те-

чений;

- моделирование двухфазных течений в трубах как основных компонентах технологических установок;

- проведение численного моделирования процесса струйного торкретирования (нанесения дополнительного огнеупорного покрытия) стенок конвертера;

- моделирование процесса верхней продувки ванны металла сверхзвуковыми струями кислорода с целью исследования газодинамики каверны, образующейся в толще жидкого металла и особенностей дожигания моноокиси углерода, являющуюся основным газообразным продуктом выгорания углерода в металле;

- выдача рекомендаций практического характера по наиболее рациональному подбору состава торкретирующей массы, выбора режимов торкретирования и совершенствования технологии верхней продувки с целю более полного дожигания СО.

Научная новизна:

1. Для решения уравнения теплопроводности с конвективным членом предложена разностная схема второго порядка точности, эффективно работающая на реальных (грубых) разностных сетках.

2. Разработана методика расчета струйных двухфазных течений с учетом горения частиц кокса и фазовых переходов в частицах магнезита для численного моделирования газодинамики процесса торкретирования в целом — в сопловом насадке, на неизобарическом и изобарическом участках струи, а также при натекания двухфазной струи на стенку конвертера.

3. На основе численного моделирования получены новые результаты по структуре течения в двухфазных струях, применяемых в процессе торкретирования, конфигурации зон горения частиц кокса, полноты

его сгорания и зон размягчения частиц магнезита в зависимости от режимов подачи кислорода и торкретирующей массы.

4. Предложена модель закрепления размягченных частиц магнезита на стенке конвертера и впервые решена сопряженная задача о взаимодействии струи таких частиц со стенкой конвертера. Исследована специфика образования экранирующего слоя отраженных частиц, возникающего при взаимодействии частиц со стенкой конвертера и динамика образования огнеупорного (торкретирующего) слоя частиц на стенке конвертера.

5. Впервые в точной постановке получено численное решение задачи о взаимодействии сверхзвуковой струи кислорода с ванной жидкого металла (чугуна) в сталеплавильном конвертере. Исследованы особенности образования каверны в толще жидкого металла, предложена модель генерирования мелкодисперсных частиц металла (корольков), приходящих в полость каверны с гидродинамически неустойчивой поверхности раздела фаз.

6. Предложена новая технология торкретирования, основанная на использовании струи низкотемпературной плазмы в качестве регулируемого источника тепла для нагрева частиц магнезита. Проведено математическое моделирование такой технологии для простейшей схемы блока смешения. Показана существенная роль радиационного теплообмена для получения равномерной степени проплавленности частиц магнезита и перспективность в целом предложенной технологии.

Практическая ценность работы:

1. Разработан комплекс программ для численного моделирования газодинамических процессов струйного торкретирования, который может быть использован для прогнозирования мероприятий по повыше-

нию стойкости футеровок конвертеров и других металлургических агрегатов. Его отдельные компоненты могут использоваться например, для расчета горения в пылеугольном факеле котельных установок тепловых электростанций.

2. Предложено использовать подачу водяного пара в полость каверны при верхней продувке ванны металла в конвертере, что может обеспечить более полное сгорание моноокиси углерода в отходящих газах.

3. На основе результатов численного моделирования разработаны практические рекомендации по рациональной организации процесса торкретирования, которые используются в АО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" и АО "Магнитогорский металлургический комбинат". Имеются четыре акта о внедрении этих рекомендаций с суммарным годовым экономическим эффектом 12 млн. 730 тыс. руб. в ценах 1998 года (после деноминации).

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались: на 8 Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1994г.); на второй Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии (Новосибирск, 1994г.); on the First Asian Computational Fluid Dynamics Conference, (Hong-Kong, 1995); на Международной конференции "Численные методы и модели механики сплошной среды", (Новосибирск, 1996); на XVI Международной школе-семинаре по численным методам on 5th Japan-Russia Symposium on CFD, (Новосибирск, 1996); on the 5th Conference of the CFD Soce-ty of Canada (CFD-97)., ( Canada, 1997); on the 4th European Conference on Industrial Furnace and Boilers, ( Portugal, 1997); on 3rd Intern. Confer, on Multiphase Flow, ( France, Lyon, 1998); on the Sixth Japan-Russia Symposium on CFD, (Nagoya, Japan, 1998); on

4th European CFD Conference, (Athens, Greece, 1998); на Третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98) (Новосибирск, 1998); на XVI Международной школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 198); на семинарах под руководством академика Ю.И.Шокина (ИВТ СО РАН, г.Новосибирск), на семинаре под руководством член-корр. В.М.Фомина (ИТПМ СО РАН, г.Новосибирск), на семинаре под руководством профессора В.П.Ильина (ВЦ СО РАН, г.Новосибирск), на научно-технических семинарах и советах Сибирского металлургического института и филиала Инженерной академии (г.Новокузнецк).

Публикации :

Основные результаты диссертации опубликованы в двадцати шести печатных работах и в одном отчете [91, 92, 93, 94, 95, 182, 184, 183, 61, 62, 64, 65, 63, 164, 165, 158, 159, 160, 161, 162, 163, 185, 186, 96, 187, 76, 138].

Работа выполнена в лаборатории численного анализа Института вычислительных технологий в рамках госбюджетной темы "Математическое моделирование многофазных течений с физико-химическими превращениями" (№ гос.регистрации 01960011630).

Последняя глава работы выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 97-01-00858.

В результатах исследований, полученных совместно с Рычковым А.Д. соискателю принадлежат физические и частично математические постановки задач, разработка численных методик расчета и их реализация, совместное обсуждение и осмысливание полученных результатов.

Автор выражает глубокую благодарность своим научным консультантам академ