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 عدم کارکرد همزمان مشعلهای موجود روی دیواره چپ و راست کوره است که باعث عدم دقت در اندازه گیری دمای کوره بوسیله دماسنج های نصب شده روی دیواره کوره می شود. در این شبیهسازیها تاثیر تغییرات هندسی پیشنهادی بر روی نحوه جابجایی جریان گازهای داغ خروجی از مشعلها با استفاده ار نرمافزار فلوئنت نشان داده شده است. مدلسازی تغییرات در ساختار هندسی داخل کوره نشان داد که قراردادن یک دیواره در وسط کوره تا زیر تختالها باعث توقف جریان چرخشی و ایجاد شرایط دمایی بهتر در دو طرف دیواره میشود.
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 میشوند - شارژ - 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
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 رکوپراتیو3، پریهیتینگ4، هیتینگ5، پریسواکینگ6 و سواکینگ7 نامگذاری میشوند.
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 کورهها و راندمان آنها اهمیت زیادی برای مسولان این مجتمع دارد. یکی از مشکلات موجود در این کوره عدم کارکرد همزمان مشعل های موجود روی دیواره چپ و راست کوره در بخش سواکینگ است که باعث عدم دقت در اندازه گیری دمای کوره بوسیله دماسنج های نصب شده روی دیواره کوره می شود. هدف از انجام این پروژه پیش بینی جریان گازهای داغ خروجی از مشعل ها در داخل کوره در اثر این مشکل و ارائه راهکارهایی قابل اجرا برای رفع آن است.
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.
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
با توجه به مشکل مطرح شده در کوره تنها مدل هندسی سادهای از بخش انتهایی کوره شامل بخش سواکینگ و مشعلهای موجود در دیواره جانبی آن و تختالهای موجود در این بخش مدلسازی شده است. احتراق در مشعلها به صورت پیش آمیخته مدل سازی شده است. در این مدل هوای پیش گرم و گاز طبیعی به عنوان سوخت از نازلهای طراحی شده با سرعتی در حدود 50 متر بر ثانیه خارج میشوند. در این مدل دریچه دشارژ بسته است و گازهای داغ بعد از تبادل حرارتی با تختالها از این بخش خارج میشوند. با توجه به این که در بخش سواکینگ مرحله نهایی حرارت دهی به تختالها میباشد، بنابراین دمای تختالها برابر با دمای نهایی 1200 - درجه سلسیوس - در نظر گرفته میشود. شکل 1 نمایی از کوره شبیه سازی شده را نشان میدهد که در آن مشعلهای موجود در دیواره سمت راست، قسمت خروجی گازهای داغ و تختالها نمایش داده شده است.
در گام نخست، شبیهسازی کوره در شرایطی انجام میشود که مشعلها تنها روی یک دیواره کوره قرار دارند و با توجه به این شرایط به بررسی جریان سیال و انتقال حرارت درون کوره پرداخته شده است. سپس در مراحل بعدی با ایجاد تغییراتی درون ساختار هندسی کوره به بررسی اثر این تغییرات بر عملکرد کوره پرداخته شده است. هدف از این تغییرات جلوگیری از ایجاد جریان چرخشی در عرض کوره در اثر عدم کارکرد متقارن مشعل میباشد . حرکت چرخشی گازهای احتراق در عرض کوره باعث ایجاد خطا در دماسنجهای نصب شده در دیواره مقابل مشعلها میشود.
مدلهای شبیهسازی کوره عبارتند از:
- 1 شبیهسازی بخش سواکینگ کوره با وجود مشعلها تنها روی یک دیواره آن
- 2 شبیهسازی بخش سواکینگ کوره با وجود مشعلها تنها روی یک دیواره آن و ایجاد دیواره طولی با ارتفاع کوتاه در سرتاسر این بخش
- 3 شبیهسازی بخش سواکینگ کوره با وجود مشعلها تنها روی یک دیواره آن و ایجاد دیواره طولی تا زیر تختالها در سرتاسر این بخش
شکل :1 نمای سه بعدی از قسمت شبیه سازی شده کوره
شرایط مرزی در این شبیهسازی شامل سرعت ورودی و جریان خروجی به ترتیب برای ورودی گازهای احتراق از مشعل به کوره و خروجی آنها از کوره 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 می شود.
شبیهسازی سه بعدی عملکرد کوره پیشگرم کارخانه فولاد با توجه به کارکرد مشعلها بر روی تنها یک دیواره جانبی آن در بخش سواکینگ انجام شده و راهکاری برای رفع این مشکل ارائه شده است. در اولین مدل جریان گازهای داغ و تغییرات دمایی آن با توجه به عملکرد نامتقارن مشعلها بررسی شده است. شکلهای 2 و 3 نتایج شبیهسازی در این مدل را به ترتیب برای سرعت جریان سیال و دما آن نشان میدهند.
با توجه به شکل 2 گازهای داغ خروجی از مشعلها از زیر تختال ها به سمت دیواره مقابل حرکت کرده و از روی تختالها بر میگردند. این جریان چرخشی باعث خطا در اندازه گیری دما توسط ترموکوپلهای نصب شده روی دیواره های جانبی میشود. اگر مشعلها در دو دیواره همزمان عمل کنند جریان گازهای خروجی از دو طرف با برخورد به یکدیگر به سمت دریچه شارژ حرکت کرده و حالت چرخشی جریان به دور تختالها ایجاد نمیشود.
شکل :2 بردارهای سرعت جریان در کوره شبیهسازی شده مدل اول
در مدل دوم شرایط مشابه مدل اول است با این تفاوت که برای جلوگیری از چرخش گازهای داغ به دور تختالها یک دیواره در راستای طول کوره و در وسط آن ایجاد می شود. ارتفاع این دیواره تا نیم متری زیر تختالها بالا آمده است. شکلهای 4 و 5 نتایج شبیهسازی در این مدل را به ترتیب برای سرعت جریان سیال و دما آن نشان میدهند.
شکل :3 کانتور دما در کوره شبیهسازی شده مدل اول
نتایج شبیه سازی این مدل با توجه به این شکلها نشان میدهد که این دیواره توانسته است تا حدودی از چرخش جریان جلوگیری کند و جریان خروجی از مشعلها را به سمت قسمت شارژ منحرف کند ولی مقداری از جریان گازهای داغ با عبور از فضای بالای دیواره به حرکت چرخشی دور تختالها ادامه میدهند. همچنین با توجه به شکل 5 ایجاد این دیواره باعث به وجود آمدن اختلاف دمایی در حدود 100 درجه سلسیوس بین جریان گازهای داغ دو طرف این دیواره میشود.
شکل :4 بردارهای سرعت جریان در کوره شبیهسازی شده مدل دوم
شکل :5 کانتوردما در کوره شبیهسازی شده مدل دوم
مدل سوم مشابه با مدل دوم است با این تفاوت که ارتفاع دیواره وسط کوره تا زیر تختالها بالا آمده است. سرعت جریان سیال و دما آن در این مدل به ترتیب در شکلهای 6 و 7 نشان داده شده است.
