Stanovení teploty v odlučovači strusky pomocí počítačové simulace

Vysoké pece slouží k tavení kovů při teplotě kolem 1 500 °C. Takto vysoké teploty představují prostředí, kde je třeba brát v potaz adekvátní bezpečnostní opatření, a to jak pro ochranu pracovníků, tak pro ochranu vybavení. Jedno z potenciálních nebezpečí představuje okamžik, kdy tavenina opouští pec odpichovým otvorem a putuje skrze odlučovač, kde je oddělována struska (obr. 1). Pokud tavenina opustí pec zcela nechráněna, může vystříknout a tím představuje velké nebezpečí pro operátora i zařízení. Následkem toho může být způsobena odstávka výroby.

Pokud chceme předejít možnému vystříknutí taveniny, musíme zajistit ochranu ve formě horního krytu odlučovače strusky. Vnější plášť krytu je vyroben z litiny a jeho vnitřní obložení je z betonu. Vnitřní obložení je nezbytné, protože bez něj by tavenina mohla velice rychle vytavit díry do vnějšího litinového pláště krytu odlučovače strusky.

Betonová vložka víka odlučovače je vystavena teplotním rázům, stejně tak i korozi a erozi. Průměrná životnost horního víka odlučovače strusky je jeden měsíc. Po uplynutí této doby je zapotřebí obnovit betonovou vložku. Vzhledem k tomu, že TRB provozuje stovky vysokých pecí a každá pec může mít dva až čtyři odpichové otvory, je samozřejmě vyžadována ekonomická efektivita návrhu při zachování celkové bezpečnosti.

Návrh odlučovačů strusky byl v minulosti nepřesný, protože nebylo snadné přesně měřit, co se děje uvnitř. Firma TRB tak používala pro nalezení nejvhodnějšího typu betonu použitého na vložku horního víka a určení jeho optimální tloušťky metodu pokus – omyl. Pokud se vložka poškodila příliš rychle, pak v TRB zkusili novou kombinaci materiálů. Většina těchto rozhodnutí vycházela z teploty, které byla vložka vystavena, a ze zkušeností inženýrů. Tato metoda však měla jednu zásadní chybu, a to že inženýři v TRB neměli přesnou informaci o teplotách během celého výrobního procesu.

Obr. 2. 2D průřez odlučovačem strusky. Tavenina přichází do kontaktu s betonovou vložkou (oblast označená tmavě hnědou barvou).

S ohledem na vysoké teploty a vystavení tavenině je totiž nemožné umístit uvnitř odlučovače senzory, a proto zde také nebylo možné změřit přesné teploty. Z těchto důvodů se v TRB rozhodli pro zjištění rozložení teplot použít počítačovou simulaci s využitím programu Comsol Multiphysics. Pokud se výsledky této simulace pro vnější povrch budou shodovat s experimentálním měřením, pak je možné Comsol Multiphysics využít i jako dostatečně přesnou metodu pro zmapování rozložení teplot uvnitř odlučovače.

Za normálních provozních podmínek tavenina vstupuje do odlučovače, jehož teplota je kolem 500 °C. Proto byl v první fázi analýzy simulován předehřev plynovým hořákem na 500 °C. Na obr. 2 je znázorněna 2D geometrie průřezu odlučovače uprostřed vymezené oblasti (Cross section) z obrázku 1. Na obr. 2 jsou dva odstíny hnědé, které označují dva různé druhy betonu. První je v kontaktu s taveninou a musí odolávat proudění, korozi a teplotním rázům. V modelu je uvažována pouze vnitřní vrstva betonu. Druhý typ betonu nikdy nepřijde do kontaktu s taveninou a slouží jako nosná konstrukce. Pro výpočet předehřevu odlučovače strusky byly přijaty určité předpoklady. Prvním předpokladem je, že ke sdílení tepla dochází pouze kondukcí, a druhým, že zdrojem tepla bude plynový hořák s konstantní teplotou. Výsledky této simulace jsou výchozím bodem pro další zkoumání.

Dalším krokem je simulace odpíchnutí taveniny a vlití do odlučovače strusky. Provedením této simulace získáme rozložení teplot vzduchu pod horním víkem, které se mění spolu s rychlostním polem v závislosti na čase. Z tohoto důvodu TRB vytvořila analýzu pro zmapování děje odpíchnutí taveniny a následného odtoku do odlučovače strusky po dobu 75 minut.

Obr. 3. Výsledky simulace ukazují, že povrch betonové vložky dosáhne shodné teploty s taveninou 1 500 °C po 300 sekundách od odpíchnutí.

Do této simulace je zahrnut přestup tepla kondukcí v pevných komponentech a přestup tepla přirozenou konvekcí vzduchu. Z výsledků simulace vyplývá, že stěny odlučovače strusky dosáhnou teploty totožné s teplotou taveniny (1 500 °C) po 300 sekundách od odpíchnutí taveniny, viz obr. 3. Jakmile teplota stěn dosáhne shodné teploty s taveninou, rychlost přestupu tepla kondukcí se snižuje (obr. 3).

Je velice zajímavé, že okolo 500 sekund času je profil proudění vzduchu téměř ustálený, viz obr. 4. Simulace je zjednodušena zanedbáním pohybu vzduchu podél odlučovače strusky. Toto zanedbání zavádíme z důvodu, že uvažování podélného proudění by nepřineslo významné informace.

Pokud se podíváme na studii prvního odpichu taveniny, zjistíme, že nebude-li uvažován čas pro zahřívání celého odlučovače strusky, nebudeme mít k dispozici potřebné výsledky pro ověření experimentálním měřením, což bylo původním záměrem. Pro přiblížení simulace k reálnému provozu vysokých pecí byla provedena další simulace zahrnující průtok taveniny skrz celý odlučovač strusky po dobu 75 minut a následně byl odlučovač strusky po dobu 75 minut prázdný. Tento cyklus byl simulován pro dobu sedmi dnů. Jak bylo zmíněno výše, simulace neobsahuje přestup tepla pomocí volné konvekce, a tak teplota vnitřních stěn (kde dochází ke kontaktu se vzduchem) byla nastavena na základě předchozí simulace.

Obr. 4. Proudění ve vzduchové mezeře mezi taveninou a horním víkem se ustálí po 500 sekundách po odpíchnutí taveniny.

Nicméně model bylo nezbytné dále zdokonalit tak, aby eliminoval zjednodušení, které může významně ovlivnit výsledky. Konkrétně předchozí model uvažoval teplotu na rozhraní vzduchu a stěny vložky jako konstantní, s hodnotou 500 °C. Avšak jakmile tavenina přestane proudit, nedojde ke skokové změně teploty z 1 500 °C na 500 °C, jak bylo při zjednodušení uvažováno. Z tohoto důvodu byla provedena další simulace podobná té předchozí, kdy byla v odlučovači strusky uvažována přítomnost taveniny a teplota na rozhraní tekutina-vložka byla nastavena na 1 500 °C. Avšak na rozdíl od předchozí simulace byla pro dobu, kdy v odlučovači strusky není přítomna tavenina, simulována tepelná izolace tohoto rozhraní namísto nastavení teploty 500 °C.

Výsledky vypočteného modelu pro 24hodinový cyklus odpichování a technologických přestávek můžeme vidět na obrázku 5. Křivka 6 zobrazuje teplotu vzduchu na rozhraní s taveninou, kde teplota dosahuje až 1 500 °C. Teplota samotného vzduchu bez přítomnosti taveniny klesá do doby, než dosáhne hodnoty okolo 750 °C (spodní čárkovaná křivka). Můžeme tedy říct, že teplota je mnohem vyšší než předpokládaných 500 °C z předchozí studie. Křivka 7 zobrazuje teplotu vzduchu na rozhraní s horní vnitřní vložkou. Teplota se začíná ustalovat na hodnotě okolo 430 °C po 24 hodinách.

Obr. 5. Výsledky simulace 24hodinového cyklu. Křivky 6 a 7 zobrazují průběh teploty na povrchu taveniny a na vnitřním povrchu horního víka.

Po rozšíření simulace na celý týden můžeme pozorovat teplotu, jakou dosáhne vnější litinový obal. Pro zjednodušení výpočetní náročnosti simulace a získání výsledků v rozumném časovém horizontu je zapotřebí zjednodušit nastavení teploty vzduchu tím, že použijeme poslední hodnotu z předchozí simulace. To je možné díky tomu, že vnitřní teplota je přibližně stabilní (viz obr. 5). Podobně lze nastavit teplotu taveniny na kontaktních hranicích. Po šesti dnech odpichování a technologických přestávek teplota vnějšího pláště dosahovala teploty okolo 80 °C.

Obr. 6. Termogram horního víka odlučovače strusky

K ověření výsledků simulace byla použita termovize, měření pořízená touto metodou jsou zobrazena na obr. 6. Teplota naměřená termovizí je 76 °C a odpovídá výsledkům simulace. Pomocí stejné experimentální metody byly pořízeny snímky vnitřní stěny horního víka, viz obr. 7. Měřením bylo zjištěno, že pokud dojde k otevření horního víka, teplota uvnitř odlučovače strusky velice rychle poklesne (vnitřní teplota během procesu tedy musí být vyšší než po otevření víka). Na obr. 7 je vidět, že maximální teplota horního víka je 300 °C, což je v dostatečné shodě s výsledkem simulace 430 °C (křivka 7 na obr. 5), pokles teploty po otevření víka je tedy okolo 100 °C. Firma TRB před použitím počítačové simulace neměla tušení, jakých hodnot dosahují teploty uvnitř odlučovače strusky během procesu. Po analýze simulovaného modelu odlučovače strusky bylo možné určit vnitřní teplotu s přesností do 10 °C. Díky simulaci v programu Comsol Multiphysics tak inženýři z TRB získali potřebné informace o dění uvnitř odlučovače strusky a na horním víku.

Obr. 7. Termogram vnitřního povrchu horního víka (obrázek nahoře) a fotografie stejného dílu ve stejné pozici (obrázek dole).

Výsledky simulací byly překvapivé – teploty na vnitřní stěně dosahují hodnot pouze 400 °C až 500 °C. Inženýři v TRB před použitím simulace předpokládali, že v těchto místech budou vyšší teploty a na základě tohoto předpokladu volili silnou vrstvu betonu vložky horního víka. Počítačová simulace prokázala, že vložka byla předimenzována, a umožnila tedy výrazně ztenčit vnitřní vrstvu víka. Toto ztenčení přináší kromě úspory materiálu také snížení hmotnosti, které umožní snadnější manipulaci s horním víkem. V konečném výsledku firma TRB výrazně sníží výrobní náklady.

Pavel Ludvík

Humusoft

ludvik@humusoft.cz
www.humusoft.cz