Введение к работе
Актуальность темы. Нанесение защитных покрытий с помощью двухфазных струй широко используется в технике как самостоятельно, так и в качестве составной части многих технологических процессов в самых различных отраслях промышленности. Это, например, газодинамическое напыление порошков металлов на различные поверхности с целью создания антикорро- . зийных покрытий, или повышения изностойкосги трущихся поверхностей, для создания композитных материалов с заданными свойствами и многое другое. В последнее время этот способ начинает широко применяться в металлургической промышленности при нанесении огнеупорных покрытий на стенки сталеплавильных конвертеров. Пело в том, что переход процесса выплавки стали на конвертерное производство требует значительного повышения ресурсов конвертеров, в частности, увеличение стойкости их огнеупорной футеровки. Одним из эффективных способов достижения этой цели является использование струйного торкретирования — нанесение дополнительного защитного огнеупорного покрытия на стенки конвертеров с помощью двухфаз- . ных струй, что позволяет значительно сократить простои конвертеров между плавками и более чем вдвое увеличить количество плавок на одном конвертере без замены основной огнеупор-ной кладки.
Сам процесс торкретирования изучен еще крайне недостаточ-
но в силу сложности протекающих при этом физико-химических
явлений и трудной их доступности для измерений в силу высо
ких температур и наличия второй фазы высокой концентрации..
представляющей собой мелкодисперсную смесь горящих частиц .
кокса и огнеупорного материала (магнезита). Поэтому числен
ное моделирование процесса струйного торкретирования на осно
ве современных математических моделей, достаточно адекватно
описывающих турбулентные двухфазные течения с учетом го
рения частиц, позволяет существенно продвинуться в понима
нии сути процесса торкретирования и целенаправленно прово
дить мероприятия по наиболее эффективной его организации и
оптимизации. '
Математическое моделирование процесса струйного торкре-
тирования стенок сталеплавильных конвертеров сводится к рас-. смотрению 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 [1] 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.
Целью диссертационной работы являлась разработка методики расчета огесимметричных двухфазных турбулентных течений в дозвуковых и сверхзвуковых двухфазных струях с учетом горения частиц, разработка и создание комплекса программ для расчета таких течений и проведение численного моделирования процесса струйного торкретирования с целью исследования специфики и особенностей протекающих при этом процессов, а также выдача рекомендаций практического характера по наиболее, рациональному подбору состава торкретирующей массы и выбора режимов торкретирования.
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 для численного модели-
рования газодинамики процесса торкретирования в целом — в сопловом насадке, на неизобарическом и изобарическом участках струи, а также при натекания двухфазной струи на стенку конвертера.
-
На основе подхода с использованием взаимопроникающих континуумов и траєкторного метода пробных частиц разработаны методики расчета образования экранирующего слоя отраженных частиц, возникающего при взаимодействии падающих частиц со стенкой конвертера.
-
С помощью 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. Изучены особенности образования экранирующего слоя частиц и его влияние на эффективность процесса торкретирования.
Практическая ценность работы. 1. Разработан комплекс программ для численного моделирования газодинамических процессов струйного торкретирования, который может быть использован для прогнозирования мероприятий по повышению стойкости футеровок конвертеров и других металлургических агрегатов. Его отдельные компоненты й'огут использоваться, например, для расчета горения в пылеугольном факеле котельных установок тепловых электростанций.
2. 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 два акта о внедрений с годовым экономическим эффектом 1 млрд. 268 млн. руб. и 690.5 млн. руб. соответственно в ценах 1994 года.
Достоверность полученных результатов подтверждается апро-бированностью используемых математических моделей и численных методов, внутренними методическими исследованиями, сопоставлением с результатами расчетов других авторов и с результатами экспериментов.
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.), на международной школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 1994г.), на первой Азиатской конференции по вычислительной гидродинамике (Гонконг, 1995г.), на семинаре под руководством академика Ю.И.Шокина (Институт вычислительных технологий СО РАН. г.Новосибирск), на семинаре под руководством член-корреспондента В.М.Фомина (Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, г.Новосибирск), на семинаре под руководством профессора В.П.Ильина (Вычислительный центр 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 семи печатных работах и одном отчете [1-8].
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 142 наименований. Полный объем диссертации 130 стр., включая 63 рисунка и одну таблицу.