بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به بررسی نتایج حاصل از شبیه سازی عملکرد کوره پیشگرم مجتمع فولاد مبارکه اصفهان میپردازد. یکی از مشکلات موجود در این کوره ها باز ماندن دریچه شارژ کوره است که منجر به کاهش راندمان کوره می شود. برای بررسی و رفع این مشکل شبیه سازی هایی انجام و در آنها تاثیر تغییرات هندسی پیشنهادی در ساختار کوره بر روی انرژی جذب شده توسط تختال ها و کارآیی کوره با استفاده ار نرم افزار فلوئنت نشان داده شده است.
تغییرات هندسی شامل کاهش ارتفاع سقف کوره در ناحیه رکوپراتیو، ایجاد بافل یا دیواره در مسیر جریان گازهای داغ در این ناحیه و گسترش دریچه شارژ به شکل مستقیم و شیبدار می باشد. نتایج بدست آمده نشان می دهد که ایجاد بافل ها در ناحیه رکوپراتیو می تواند حرارت جذب شده توسط تختال ها را از 20 درصد در حالت معمولی به 24 درصد افزایش دهد. همچنین گسترش کوره می تواند میزان حرارت جذب شده در ناحیه رکوپراتیو را از 20 درصد به 22 درصد افزایش دهد.
شرح سیستم صنعتی
یکی از محصولات مجتمع فولاد مبارکه اصفهان ورق های فولادی میباشد. این ورق ها با انجام عملیات نورد گرم بر روی تختالهای فولادی تولید میشود. وظیفه کوره پیشگرم در این مجتمع انجام عملیات حرارتی بر روی تختال1 فولادی به منظور رساندن آنها به دمای مورد نظر برای عملیات نورد است. در این کورهها تختالها با دمای بیست درجه سلسیوس وارد کوره میشوند و بعد از عبور از بخش2های مختلف با دمایی در حدود 1200 درجه سلسیوس از کوره خارج میشوند. بخشهای مختلف کوره از سمت ورود تختالها به کوره به ترتیب بخش رکوپراتیو 3، پریهیتینگ4، هیتینگ5، پریسواکینگ6 و سواکینگ7 نامگذاری میشوند.
کوره پیشگرم دارای طولی در حدود چهل متر میباشد که مشعل هایی روی دیوارههای جانبی و سقف آن برای عملیات حرارتی تعبیه شده است. این مشعلها با تعداد معین در بخشهای مختلف کوره به غیر از بخش رکوپراتیو وجود دارد. تختالها در فواصل زمانی مشخص وارد کوره - شارژ - میشوند و توسط تیرها و بازوهای ثابت و متحرک در داخل کوره حرکت می کنند تا از کوره خارج شوند - دشارژ - . گازهای داغ حاصل از احتراق در مشعل های بخش سواکینگ با عبور از تختالهای فولادی و تبادل حرارتی با آنها به سمت ورودی دودکش های موجود در دو طرف دیواره کوره در بخش رکوپراتیو حرکت میکند. ابعاد هندسی کوره پیشگرم شماره 3 و4 مجتمع فولاد مبارکه و تختالها در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول :1 ابعاد هندسی کوره های 3 و 4 و تخالهای آن بر حسب میلیمتر
طرح مسئله و موضوع پژوهشی
کوره های پیشگرم مجتمع فولاد مبارکه نقش بسزایی در میزان تولید ورق های فولادی دارد. به همین دلیل عملکرد این کوره ها و راندمان آنها اهمیت زیادی برای مسولان این مجتمع دارد. یکی از مشکلاتی که در کوره های شماره 3 و4 این مجتمع وجود دارد عدم بسته شدن دریچه شارژ در این کورهها پس از وارد شدن تختال به داخل کوره است. باز ماندن دریچه شارژ باعث نفوذ هوای محیط به داخل کوره و نیز تشعشع از داخل به خارج و در نتیجه منجر به اتلاف حرارتی میشود.
مطالعات و بررسیهای گوناگونی بر روی عملکرد کورههای پیشگرم انجام شده است. این مطالعات نشان میدهد که عواملی مانند نوع سوخت، موقعیت تختال، خواص گرمایی تختال و هندسه سیستم نگهدارنده و جابجا کننده تختال ها درون کوره بر بازده گرمایی کوره موثر است. همچنین تشعشع از گازهای داغ به تختال ها نقش عمده در گرمایش آنها را ایفا میکند
ژانگ و همکاران با استفاده از یک مدل ساده به بررسی عملکرد گرمایی کوره پیشگرم پرداختند. آنها کوره را به صورت یک محفظه مکعب مستطیل شکل با تختالی به طول بینهایت و با سرعت ثابت مدلسازی کردند.[2] بررسی جریان مغشوش و انتقال حرارت تشعشعی در کوره پیشگرم توسط کیم و هو انجام شده است.[3] آنها کوره را همراه با بازوهای متحرک مدل سازی کردند و نرخ انتقال حرارت پایدار به تختال ها را با توجه به توزیع دمای آنها محاسبه کردند.
هانگ و همکاران با مدلسازی تختال به عنوان جریان آرام با لزجت بسیار زیاد به محاسبه دمای تختال در شرایط پایا پرداختند.[4] در سال 2010 شبیهسازی عددی انتقال حرارت درکوره پیشگرم به صورت گذرا توسط هان و همکاران انجام شده است.[5] نتایج آنها نشان داد که افزایش دمای تختال در بخش پریهیتینگ بسیار بیشتر از بخش سواکینگ است و بیش از 96 درصد حرارت منتقل شده به تختالها از طریق تشعشع صورت میگیرد.
در این مقاله با شبیه سازی کوره پیشگرم به بررسی عملکرد این کوره پرداخته شده است. همچنین با ارائه راهکارهایی برای بهبود این مشکل نتایج حاصل از این شبیه سازی ها مورد مقایسه قرار گرفته شده است. این راهکارها شامل تغییراتی در ساختار هندسی درون کوره می باشد که علاوه بر بهبود راندمان کوره از نظر فنی نیز قابلیت اجرایی دارند.
مراحل کار و پژوهش پیشنهادی
در گام نخست با شبیهسازی کوره در شرایط کارکرد فعلی آن به بررسی جریان سیال و انتقال حرارت درون کوره پرداخته شده است. سپس در مراحل بعدی با ایجاد تغییراتی درون ساختار هندسی کوره و شرایط کارکرد آن به بررسی اثر این تغییرات بر عملکرد کوره پرداخته شده است. این تغییرات شامل قرار دادن دیواره به ارتفاع یک متر در کف بخش رکوپراتیو و در کنار مجاری ورود گازهای داغ به دودکشها، کاهش ارتفاع سقف بخش رکوپراتیو، ایجاد دیواره - بافل - در مسیر جریان گازهای داغ درون بخش رکوپراتیو و گسترش دریچه شارژ در امتداد طول کوره به طرف بیرون میباشد.
با توجه به ابعاد قابل توجه کوره شبیهسازی کلیه بخشهای آن احتیاج به حافظه کامپیوتری بالا و زمان طولانی برای تحلیل مسئله دارد. با توجه به محدودیتهای موجود تنها مدل هندسی سادهای از دو بخش نخست ورودی کوره شامل بخشهای رکوپراتیو و پریهیتیگ مدلسازی شده است. شکل 1 نمایی از کوره شبیهسازی شده را نشان میدهد که در آن ورودی گازهای داغ به کوره در قسمت انتهایی، دو دودکش راست و چپ در دیوارههای جانبی، دریچه شارژ و اسلبها نمایش داده شده است.
شکل :1 نمای سه بعدی از قسمتهای اصلی کوره شبیهسازی شده
مدلهای شبیهسازی کوره عبارتند از:
- 1 شبیهسازی با وجود دیواره در کف کورههای 3 و 4 - شرایط کارکرد فعلی -
- 2 شبیهسازی با وجود دیواره در کف کورههای 3 و 4 و بستن دریچه شارژ
- 3 شبیهسازی کوره با وجود دیواره - بافل - در کف بخش رکوپراتیو و بستن دریچه شارژ
- 4 شبیهسازی کوره با وجود دیواره - بافل - در سقف و کف بخش رکوپراتیو و بستن دریچه شارژ
- 5 شبیهسازی با گسترش دریچه شارژ به شکل مستقیم در کورههای 3 و 4 و بستن دریچه شارژ
- 6 شبیهسازی کوره با گسترش دریچه شارژ به شکل شیب دار در کورههای 3 و 4 و بستن دریچه شارژ
جدول2 نتایج شبیهسازی سه بعدی این مدلها را برای نرخ انتقال حرارت در بخش رکوپراتیو و دودکش ها در کوره های 3 و 4 نشان میدهد. کوره در اولین مدل که به عنوان مدل اصلی میباشد بر اساس شرایط کاری موجود در کارخانه شبیهسازی شده است. در داخل کوره دیوارهای به ارتفاع یک متر در کف کوره و در راستای عرض آن قرار گرفته است به طوری که فاصله آن از دهانه دودکش در حدود دو متر است.
جدول :2 نرخ انتقال حرارت در بخش رکوپراتیو و دودکش بر حسب مگاوات
شرایط مرزی در این شبیهسازی شامل دبی جرمی ورودی و جریان خروجی به ترتیب برای ورودی گازهای داغ به کوره و خروجی آنها از دودکش در نظر گرفته شده است. همچنین دیوارههای کوره عایق و سطح تختالها دارای دمای ثابت میباشد. از روش حجم محدود و الگوریتم سیمپل برای حل عددی معادلات و برای مدلسازی جریان مغشوش از مدل اغتشاشی k- استفاده میشود. معادلات حاکم بر جریان سیال و معادلات به کار رفته برای مدل اغتشاشی k- عبارتند از:
پیوستگی:
مومنتوم:
انرژی جنبشی اغتشاشی:
نرخ اتلافات اغتشاشی:
تختالها با دبی 15/2 کیلوگرم بر ثانیه به طرف دودکشها کشیده میشوند.
شکل :2 بردارهای سرعت جریان در کوره شبیهسازی شده مدل اول
شکل :3 کانتور دما در کوره شبیهسازی شده مدل اول
با توجه به شکل 3 هوای سرد تا نزدیکی دهانه دودکش در فاصله دو متری از دهانه دریچه شارژ به داخل کوره نفوذ کرده و به تدریج گرم میشود.
در مدل دوم شرایط مشابه مدل اول است با این تفاوت که دریچه شارژ به طور کامل بسته شده است به طوری که هوای بیرون قادر به نفوذ به داخل کوره نیست. شکلهای 4 و 5 نتایج شبیهسازی در این مدل را به ترتیب برای سرعت جریان سیال و دما آن نشان میدهند.
