طراحی سیستم نوین لانس‌های دمش

    طراحی سیستم نوین لانس‌های دمش

    لانس‌های دمش در جداره کوره‌های قوس الکتریکی جهت تزریق اکسیژن و مواد پودری به طور معمول مورد استفاده قرار می‌گیرد. فاصله کم این تجهیزات تا سطح ذوب، دمای بسیار بالا در کوره‌های قوس، پاشش‌های ذوب و سرباره، وجود گاز‌های داغ، برخورد قراضه، بازگشت شعله اکسیژن و برخورد آرک در کوره‌های قوس الکتریکی باعث گردیده این تجهیزات بسیار آسیب‌پذیر باشند. هدف از انجام تحقیق حاضر دست‌یابی به تجهیز مناسب با قابلیت اعتماد بالا و عمر بالاتر از نمونه‌های حاضر در کوره های قوس الکتریکی واحد فولادسازی فولاد مبارکه است. در ابتدا انتقال حرارت در کوره به صورت جامع محاسبه گردیده و به صورت شرایط اولیه در نرم‌افزار انسیس جهت شبیه‌سازی انتقال حرارت مورد استفاده قرار گرفته‌است. در ادامه شرایط انتقال حرارت بلوک مسی محافظ لانس‌ها که در حال حاضر در کوره‌ها استفاده می‌گردد، با بلوک لانس طراحی نوین در دو حالت نرم‌افزاری و شرایط کار واقعی مورد مقایسه قرار گرفته‌است.

    شرایط انتقال حرارت مطلوب در بلوک لانس‌های نوین باعث گردیده‌است عمر کاری این تجهیزات بیشتر از دو برابر نمونه‌های حال حاضر باشد.

    شرایط انتقال حرارت مطلوب در بلوک لانس‌های نوین باعث گردیده‌است عمر کاری این تجهیزات بیشتر از دو برابر نمونه‌های حال حاضر باشد.

    ﺍﻣﺮﻭﺯﻩ ﺗﻮﻟﻴﺪ ﻓﻮﻻﺩ ﺩﺭ ﮐﻮﺭﻩ ﻫﺎﻱ ﻗﻮﺱ ﺍﻟﮑﺘﺮیکی ﺑﺨﺶ ﺑﺰﺭﮔﻲ ﺍﺯ ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻓﻮﻻﺩﺳﺎﺯﻱ ﺭﺍ ﺗﺸﮑﻴﻞ ﻣﻲﺩهند ﻭ ﺭﻭﺵ‌های نوین ﻓﻮﻻﺩﺳﺎﺯﻱ ﺩﺭ ﺣﺎﻝ ﮔﺴﺘﺮﺵ ﻣﻲ‌ﺑﺎﺷﺪ. ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﻣﺼﺮﻑ ﻧﺴﺒﺘﺎ ﺑﺎﻻﻱ ﺍﻧﺮﮊﻱ ﺍﻟﮑﺘﺮیکی ﺗﻮﺳﻂ ﮐﻮﺭﻩ‌ﻫﺎﻱ ﻗﻮﺱ ﺍﻟﮑﺘﺮیکی، ﺭﻭﺵ بهینه‌سازی ﻣﺼﺮﻑ ﺍﻧﺮﮊﻱ میﺗﻮﺍﻧﺪ ﻧﻘﻄﻪ ﺁﻏﺎﺯﻱ ﺟﻬﺖ ﺑﺮﺭﺳﻲ ﺁﻧﻬﺎ ﺩﺭ ﻋﻤﻞ ﺑﺮﺍﻱ ﻭﺍﺣﺪﻫﺎﻱ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻓﻮﻻﺩﺳﺎﺯی الکتریکی ﺑﺎﺷﺪ ﺗﺎ ﺑﺎ بکارگیری ﺁﻧﻬﺎ ﻣﺼﺮﻑ ﺍﻧﺮﮊﻱ ﮐﻮﺭﻩ ﮐﺎﻫﺶ ﻳﺎﻓﺘﻪ ﻭ ﺩﺭ ﭘﻲ ﺁﻥ ﺑﻪ ﺣﺪﺍﻗﻞ ﺭﺳﻴﺪﻥ ﻫﺰﻳﻨﻪ‌ﻫﺎﻱ تولید ﻓﺮﺍﻫﻢ ﺷﻮﺩ. امروزه استفاده از انرژی شیمیایی در کنار انرژی الکتریکی در کوره‌های قوس الکتریکی امری بی‌بدیل است.

    استفاده از لانس‌های دمش در جداره كناری كوره نقش مهمی را در كاهش برق مصرفی در واحد زمان، بهبود بهره‌وری و بازده و همچنین كاهش مصرف انرژی ایفا می‌كند. به‌منظور مصرف كمتر انرژی الكتریكی، برای یك ماده اولیه ورودی مشخص، ورودی انرژی شیمیایی مؤثر، مهمترین عامل تاثیرگذار روی عملیات كوره از ذوب كردن و همگن‌سازی تا تصفیه سریع می‌باشد.


    در كوره‌‌های قوس، فرآیند ذوب می‌تواند تشدید شود و به واسطه مسلح بودن به یك عملیات سوخت‌پاشی موثر، برای تمامی مواد اولیه ورودی، یك مذاب همگن حاصل می‌شود. در مرحله تصفیه، برای دكربورایز كردن (كربن‌زدایی) مذاب به دمش گاز اكسیژن نیاز داریم كه این دمش انرژی مضاعفی را ایجاد كرده، موجب هم زدن حمام مذاب و همگن‌سازی آن می‌شود. برای تولید یك كف سرباره مناسب كه برای ورود انرژی الكتریكی كارآمد ضروری است، وجود مسیرهایی برای پاشش كربن لازم است. مزیت تكنولوژی تزریق اكسیژن، استفاده كارآمد از انرژی شیمیایی در طی مراحل ذوب و تصفیه مذاب، برای دستیابی به یك كوره عملیاتی با بهره‌وری بالا است. در کوره‌های طرح توسعه واحد فولادسازی فولاد مبارکه اصفهان هفت عدد لانس دمش در جدار کناری کوره قرار دارد که شامل چهار لانس دمش اکسیژن و دو لانس تزریق کربن و دو لانس تزریق آهک می‌باشد. لانس دمش اکسیژن در این کوره‌ها علاوه بر توانایی دمش اکسیژن به صورت فراصوت قادر به دمش هم‌زمان متان نیز می‌باشد. در شکل زیر چگونگی قرارگیری این تجهیزات نشان داده شده‌است.

     


    فاصله کم این تجهیزات تا سطح ذوب، دمای بسیار بالا در کوره‌های قوس، پاشش‌های ذوب و سرباره، وجود گازهای داغ، برخورد قراضه، بازگشت شعله اکسیژن و برخورد آرک در کوره‌های قوس الکتریکی باعث گردیده این تجهیزات بسیار آسیب‌پذیر باشند. در حال حاضر در شرکت فولاد مبارکه اصفهان از تجهیزات دمش با طراحی یک شرکت اروپایی استفاده می‌گردد. هر کدام از تجهیزات دمش شامل یک لانس از جنس فولاد زنگ نزن و پوسته خنک‌کن از جنس مس با وزن تقریبی ۷۰ کیلوگرم و یک بلوک محافظ از جنس مس با وزن تقریبی ۴۰۰ کیلوگرم می‌باشد. شمایی از بلوک محافظ در شکل زیر آورده شده‌است.

     


    تجهیزات دمش ساخت کشورهای اروپایی در شرایط کاری این کوره‌ها به طور میانگین ۳۰۰۰ ذوب کارایی دارند. به دلیل پیچیدگی‌های ساخت این تجهیزات، نمونه‌های ساخت داخل این تجهیز عمری به مراتب کمتر از نمونه‌های خارجی دارند. در شکل زیر مسیر لوله آبگرد داخل بلوک مسی نشان داده شده‌است.


    در پروسه ساخت این تجهیز، لوله‌های داخلی با سیالی مخصوص، باید به گونه‌ای خنک گردد که در طول عملیات ریخته‌گری تمامی سطح خارجی لوله با مس ریخته شده در تماس قرار گیرد و همچنین لوله‌ها سوراخ نشده و ذوب به داخل آنها نفوذ نکند. این در حالی است که اکسیژن‌زدایی از این ذوب در شرایط کارگاهی به طور کامل امکان‌پذیر نیست.در طراحی جدید این تجهیزات که توسط محققان داخل کشور انجام گردیده است، به جای استفاده از دو قطعه مجزا، از یک لانس خود محافظ استفاده می‌شود. این لانس با وزن تقریبی ۲۲۰ کیلوگرم به طور کامل با عملیات ماشین‌کاری تولید شده و علاوه بر وزن کم آن، با قابلیت اطمینان بالا می‌تواند بیش از دو برابر تجهیز اروپایی کارایی داشته‌باشد.یکی از دلایل کارایی تجهیز نوین نسبت به طراحی نوع اروپایی آن قدرت سرد شدن آن در شرایط یکسان آب در گردش است .در این مقاله تفاوت انتقال حرارت و توان سرد شدن هر دو نمونه از این تجهیزات مورد مطالعه قرار گرفته‌است.


    روش تحقیق

    انتقال حرارت در کوره‌های قوس الکترکی پدیده‌ای بسیار پیچیده است. با استناد به تحقیقات جامع لوگار در سال ۲۰۱۱ [۱] و ترجو در سال ۲۰۱۲ [۲] معادلات گسسته انتقال حرارت بین قسمت‌های مختلف کوره آورده شده‌است. مهمترین عامل انتقال حرارت در کوره‌های قوس الکتریکی، انتقال حرارت تشعشعی است که بین آرک الکترودها، سرباره مذاب و جامد، قراضه مذاب و جامد، پانل‌های آبگرد دیواره و سقف، شعله احتراق لانس‌های دمش و … اتفاق می‌افتد. انتقال حرارت همرفتی در گازهای داغ با برخورد به پانل‌های آبگرد و انتقال حرارت هدایتی در تجهیزات آبگرد و مواد جامد و مذاب صورت می‌گیرد. در شکل زیر شماتیک انتقال حرارت در کوره‌های قوس نشان داده شده‌است.


    در کوره‌های طرح توسعه فولاد مبارکه در قسمت پانل‌های آبگرد دو ردیف پانل مسی و فولادی وجود دارد، همچنین قسمت سقف کوره از دو ردیف پانل سقف و رینگ تشکیل شده که این قسمت‌ها از یکدیگر متمایز شده‌است. معادلات در نظر گرفته شده جهت محاسبه انتقال حرارت در جدول زیر آورده شده‌است.

     


     نتایج و بحث

    در فرآیند ساخت بلوک‌های محافظ مسی ابتدا لوله‌های مسی (باقطر خارجی ۳۸ میلیمتر و ضخامت جداره ۶ میلیمتر، از جنس Cu99.9) با عملیات خم‌کاری آماده می‌شود. سپس لوله‌های مسی را در داخل قالب از قبل آماده شده قرار داده و با عملیات ریخته‌گری، سطوح خارجی لوله‌ها را تا بدنه قالب، با مس ریخته‌گری (هوازدایی شده با فسفر) پر می‌کنند. بیشترین عیوبی که در حین ساخت این قطعه به وجود می‌آید به شرح زیر است:

    • عدم هوازدایی مناسب در حین عملیات ریخته‌گری

    استفاده از فلز مس در ساخت تجهیزات خنک‌کاری به دلیل ضریب انتقال حرارت هدایتی این فلز نسبت به سایر فلزات نظیر فولاد‌ها می‌باشد. قابل ذکر است وجود ناخالصی‌ها و مک‌های گازی در فلز مس، ضریب انتقال حرارت هدایتی آن را به طور قابل توجهی پایین می‌آورد.در لوله‌های مسی و قطعات پیش‌ساخته که در کارخانه‌های بزرگ صنایع مس تولید می‌شود، ذوب در قالب‌هایی تحت فشار بالا ریخته‌گری می‌شود.

    • عدم خنک‌کاری مناسب لوله‌های داخلی

    لوله‌های مسی که در داخل قالب ریخته‌گری قرار می‌گیرند، باید تحت عملیات دقیق و محاسبه شده خنک‌کاری گردد. اگر میزان خنک‌کاری کمتر از حد لازم باشد، باعث سوراخ شدن لوله و نفوذ ذوب داخل لوله می‌گردد. گرفتگی لوله باعث کاهش دبی آب ورودی شده و راندمان خنک‌کاری را پایین می‌آورد. این اتفاق باعث می‌گردد دمای سطوح خارجی بلوک حین کار بالا رود و باعث فرسایش زود هنگام قطعه گردد. در صورتی که خنک‌کاری بیش از مقدار لازم باشد سبب می‌گردد ذوب به طور کامل اطراف لوله را نپوشاند و در حین عملیات کاری قطعه، باعث بالا رفتن موضعی دما در ناحیه معیوب شده و عمر کاری قطعه را پایین می‌آورد.


    شکل زیر کانتور دمای سطح خارجی بلوک خنک کننده را در حالت ایده‌آل نشان می‌دهد.

     

    در این حالت جنس مس خالص در نظر گرفته شده و ضریب انتقال حرارت هدایتی آن ۴۰۵ (وات بر متر-درجه کلوین) در نظر گرفته شده‌است. وجود مک‌های گازی و آخال که باعث کاهش ضریب انتقال حرارت هدایتی می‌گردد، لحاظ نشده‌است. در این حالت گرفتگی احتمالی لوله و عدم پوشش کامل لوله نیز لحاظ نشده‌است.در منطقه ابتدایی بلوک نزدیک به نازل به دلیل اینکه نزدیک‌ترین نقطه به ذوب می‌باشد و به صورت مستقیم در معرض تشعشع است، بالاترین شدت حرارتی را تحمل می‌کند و دمای آن از تمامی نقاط دیگر بلوک بالاتر است. به طور کلی نقاطی که در معرض دید مذاب قرار می‌گیرند و به مذاب نزدیکترند، بیشترین ورود حرارت را دارند


    شکل زیر دمای فلز در سطح داخلی لوله را نشان می‌دهد. دمای سطوح داخلی لوله در ناحیه ابتدایی بلوک بسیار بالاتر از نواحی دیگر است که دلایل زیر آن را توجیه می‌کند.


    • نزدیک بودن به منطقه ابتدایی بلوک، جایی که بیشترین ورود حرارت انجام می‌گیرد.
    • گردش ۱۸۰ درجه آب که باعث تولید ورتکس‌های برگشتی در مسیر دوم لوله می‌گردد.

    البته شعاع برگشت آب در این طراحی بالا در نظر گرفته شده ولی در هر صورت نقطه ضعف خنک کاری قطعه در بحرانی‌ترین منطقه قطعه می‌باشد.

    • ضخمات مس، که در ناحیه ابتدایی این قطعه از تمامی نقاط آن بیشتر است.

    شکل زیر کانتور سرعت آب در طول مسیر را نشان می‌دهد. در ناحیه برگشتی آب، کمترین سرعت در صفحات بیرونی و البته سرعت بیشینه در صفحات درونی مشاهده می‌گردد.


    نمودار ۱ تغییرات ماکزیمم دمای بلوک با کاهش ضریب هدایت حرارتی مس را نشان می‌دهد. از آنجایی که در واقعیت به دلیل عدم گاززدایی مناسب در حین ساخت قطعه، ضریب انتقال حرارت هدایتی مس به شدت کاهش می‌یابد. لذا محاسبات انجام شده برای رنج ۴۰۰ تا ۲۴۰ (وات بر متر-درجه کوین) در نظر گرفته شده‌است. اکسیژن موجود در مس ریخته‌گری حتی به میزان بسیار کم، با هیدروژن نفوذ کرده در مس در محیط کوره در دمای بالای ۳۰۰ درجه سانتیگراد واکنش داده و باعث حفره‌های متعدد در بلوک مسی می‌گردد.

    اتفاقی که در حین ریخته‌گری بلوک‌ها بسیار رخ می‌دهد، سوراخ شدن لوله‌های داخل می‌باشد. این مسئله باعث گرفتگی موضعی لوله‌ها می‌گردد. در نمودارهای ۲ و ۳ به ترتیب میزان دبی آّب ورودی و دمای ماکزیمم بلوک بر حسب درصد گرفتگی لوله نشان داده شده‌است.


    نمونه‌هایی از بلوک‌های خنک کننده لانس‌های کوره قوس الکتریکی که در حین کار در کوره دچار خرابی زودرس شده‌است، در شکل زیر نشان داده شده‌است.

    با توجه به معایب بلوک‌های محافظ لانس‌های دمش که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرد، طراحی نوع خاصی از لانس‌ها صورت گرفته‌است که توانایی کار در محیط خشن کوره را داراست. مزایای لانس‌های خود محافظ نوین به قرار زیر است:

    • طراحی سیستم آبگرد با راندمان بسیار بالاتر به گونه‌ای که دمای تجهیزات ۲۰۰ درجه سانتیگراد کمتر از نمونه‌های پیشین است. این مزیت باعث شده تنش‌های حرارتی آسیب کمتری به تجهیزات بزند.
    • توانایی ساخت تجهیز به صورت کاملا ماشین‌کاری به جای استفاده از روش ریخته‌گری کارگاهی.
    • وزن کمتر، قیمت پایین‌تر و قابلیت تعویض بسیار سریع حتی در محل گرم.

    در شکل زیر کانتور دمای سطح خارجی بلوک لانس نوین نشان داده شده‌است.مقدار بیشینه دما ۲۰۰ درجه سانتیگراد از نمونه پیشین پایین‌تر است.


     در شکل زیر کانتور دما در صفحات برش خورده عرضی آورده شده‌است.

     


    نتیجه‌گیری

    تاکنون ۱۵ عدد از بلوک لانس‌های نوین در کوره‌های متعدد واحد فولادسازی فولاد مبارکه اصفهان نصب شده‌است و تمامی آنها عمر کاری بالاتر از ۵۰۰۰ ذوب را ثبت کرده‌اند. در شکل زیر تصویر ترموگرافی از لحظه کارکرد هر دو طرح در کنار همدیگر در کوره شماره هفت واحد فولادسازی آورده شده‌است.

    اختلاف دمایی، همانطور که در تحلیل‌های حرارتی آورده شده‌است، گویای برتری در انتقال حرارت طرح نوین است.


     

     

    دیدگاهتان را بنویسید

    نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *