La formazione di grumi di polvere particolarmente grave (come illustrato qui), i lunghi tempi di fermo per manutenzione e la stagnazione dei profitti hanno spinto un’azienda siderurgica a cercare una soluzione migliore per il proprio forno ad ossigeno di base (BOF). A causa delle condizioni pericolose e dei rischi legati alle prove fisiche, l’azienda si è rivolta ai nostri servizi di CFD per ottimizzare l’applicazione.
Produzione dell’acciaio: nozioni di base
Nel processo di produzione dell’acciaio, un forno a ossigeno (BOF) raffina la ghisa fusa e i rottami trasformandoli in acciaio. Questo processo prevede in genere diverse fasi, ma inizia con l’immissione dei rottami e della ghisa fusa in un altoforno. Questo processo genera una notevole quantità di ceneri, fuliggine e altri inquinanti, che poi entrano nella torre di raffreddamento evaporativo del BOF attraverso un condotto. Nella torre di raffreddamento evaporativo, il gas entra nella parte superiore della torre dove viene raffreddato rapidamente e con forza da uno spruzzo d’acqua.
La polvere inquinante, trascinata dal gas, cade quindi alla base della torre dove viene incenerita. Se la disposizione delle lance di nebulizzazione è errata, tuttavia, come nel caso di questo cliente, si verificano gravi fenomeni di agglomerazione della polvere. Ciò significa che l’acqua nebulizzata che entra in contatto con il gas in entrata, ma non evapora, si attacca alle pareti e raccoglie polvere, come mostrato di seguito. L’area rossa indica l’acqua che non è evaporata e che, aderendo alle pareti, raccoglie polvere.
Se questo processo continua senza interruzioni per rimuovere la polvere dalle pareti della torre, il getto continua ad accumularsi sulla polvere appiccicosa, attirando sempre più polvere. Alla fine, l’azienda è costretta a interrompere il processo per la manutenzione. Questo tempo di inattività comporta problemi di salute per i lavoratori, perdita di profitti e pratiche aziendali insostenibili.
Ottimizzazione del processo tramite CFD
Il nostro compito era progettare una disposizione ottimale degli ugelli, in modo che il getto d’acqua incontrasse il gas all’ingresso della torre ed evaporasse completamente, consentendo alla polvere di cadere sul fondo della torre dove sarebbe stata opportunamente incenerita. Dovevamo farlo tenendo conto della necessità di ridurre al minimo la bagnatura delle pareti e di operare in domini temporali e spaziali ristretti.
In questo processo, le configurazioni convenzionali degli ugelli prevedono il posizionamento di sei iniettori a intervalli regolari lungo la parete circolare della torre di raffreddamento, proprio nel punto in cui il gas entra nella torre. Anziché seguire l’approccio convenzionale, che stava chiaramente causando gravi problemi al nostro cliente, volevamo trovare risposte a domande quali: Come dovremmo disporre gli ugelli? A quale profondità dovrebbero essere inseriti per questa torre specifica? Esiste un angolo ottimale di iniezione e di spruzzo?
Per rispondere a queste domande, abbiamo innanzitutto modellato l’intera torre, i condotti di ingresso e di uscita e le lance degli ugelli. Ciò ha consentito al nostro software CFD di eseguire calcoli avanzati di meccanica dei fluidi in piccoli punti finiti in tutta l’applicazione. Abbiamo così potuto valutare sia ciò che stava accadendo durante il processo in corso, sia la disposizione degli ugelli che avrebbe ottimizzato il processo della torre di raffreddamento evaporativo.
Quando abbiamo visualizzato il pennacchio di spruzzo colorato in base ai gradienti di temperatura, mostrato di seguito, abbiamo scoperto che sei lance di ugelli situate a intervalli ravvicinati direttamente di fronte all’ingresso del gas evaporavano efficacemente lo spruzzo e impedivano la bagnatura delle pareti. Inoltre, questa disposizione degli ugelli ha ridotto significativamente la formazione di grumi di polvere in tutta la torre.
Ritorno sull’investimento e miglioramento continuo
Grazie a questi risultati, l’azienda ha beneficiato di una riduzione dei tempi di fermo per manutenzione, di una maggiore resa e di una maggiore sicurezza dei dipendenti. In contesti come questo, dove i test fisici sono impossibili, i nostri servizi CFD offrono una soluzione che nessun altro software di modellazione è in grado di eguagliare.
Il forno ad ossigeno di base è solo uno dei tanti ambiti in cui la CFD si è rivelata utile per questo cliente. Considerando gli ambienti pericolosi della maggior parte degli impianti siderurgici, implementiamo test e soluzioni CFD per i clienti in un’ampia gamma di applicazioni siderurgiche e in tutto il processo di produzione dell’acciaio.
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