Yeni Tasarlanmış Bir Ark Ocağında Enerji Veriminin CFD Analizi İle Geliştirilmesi

Abstract

ÖZET Tamamlanan projede, ısı ve enerji kaybını azaltarak verimi artırmak amacıyla ergitmeyi durdurmadan sürekli hurda şarjı yapılabilen yeni tasarım bir elektrik ark ocağında (EAO), enjektör konum parametreleri optimize edilmeye ve EAO’nın enerji verimi iyileştirilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla, ANSYS hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı kullanılarak, EAO’ndaki yanma, ısı ve kütle geçişi gibi çok karmaşık süreçlerin sayısal bir modeli kurulmuştur. Bu sayısal model ile yapılan simülasyonlardan; EAO’daki yanma ve elektrik arkı ile enerji üretimi, eriyiğe, yan duvarlara ve üst kapağa, iletim, taşınım ve ışınımla olan ısı geçişleri ve bacadan olan ısı kayıpları sürekli rejim şartlarında hesaplanmıştır. Öncelikle kurulan sayısal model ve yapılan kabuller, klasik EAO modelinden elde edilen sonuçlar literatürde mevcut sonuçlarla karşılaştırılarak, doğrulanmıştır. Ele alınan enjektör konum parametreleri, enjektörlerin merkez açısı (EMA: 40°-110°), enjektörlerin püskürtme açısı (20°-50°) ve enjektörlerin uzunluğu (200-700 mm) geniş bir aralıkta değişmektedir. Bu nedenle, nihai optimizasyon çalışmasından önce yapılan parametrik analizlerde, ele alınan enjektör konum parametreleri için aralıklar daraltılmıştır (EMA: 60°-80°, püskürtme açısı: 35°- 45°, enjektör uzunluğu: 250-400 mm). İkinci aşamada ise yazılımda mevcut olan Response Surface Optimizasyon (RSO) yöntemi kullanılarak, ele alınan parametrelerin optimum değerleri belirlenmiştir. Optimizasyonda, doğrudan yazılım ile hesaplanabilen, eriyik yüzeyininin ortalama sıcaklığının ve eriyiğe giren kütle miktarının maksimum olması hedeflenmiştir. Nihai optimizasyon çalışmasında elde edilen optimum enjektör konum parametreleri EMA için 80°, püskürtme açısı için 35° ve enjektör uzunluğu için 400 mm olarak belirlenmiştir. Elde edilen optimum enjektör konum parametreleri ile klasik EAO’nda kullanılan standart enjektör konum parametreleri (EMA: 70°, püskürtme açısı: 45°, enjektör uzunluğu, 300 mm) için yapılan sayısal çözümlerin sonuçlarına göre; sistemdeki toplam enerjinin %9.5’i yanma reaksiyonlarından sağlanırken %18’i ışınım ve taşınım yoluyla eriyiğe geçtiği belirlenmiştir. Yapılan optimizasyon çalışması neticesinde yeni tasarım EAO’nda yanma ile ortaya çıkan enerjide yaklaşık %30’luk bir artış, eriğe geçen ısı miktarında ise yaklaşık % 10’luk bir iyileşme olmuştur.

ABSTRACT In the completed project, the injector location parameters were optimized and the energy efficiency of EAF was improved in a newly designed electric arc furnace (EAF) which can be continuously scraped without stopping the melting in order to increase the efficiency of EAF by decreasing the heat and energy losses. For this, a numerical model of very complex processes in EAF such as the combustion and the heat and mass transfer was set by using ANSYS computational fluid dynamics (CFD) software. Energy production by combustion and electric arc in EAF, heat transfer to the melt surface, side walls and top cover by conduction, convection and radiation and heat losses from the flue were calculated under continuous regime conditions with simulations made by using this numerical model. Firstly, the numerical model and the assumptions were verified by comparing the results obtained from the classical EAF model with the results in the literature. The discussed injector position parameters, the center angle of the injectors (CAI: 40°-110°), the spray angle of the injectors (20°-50°) and the length of the injectors (200-700 mm) vary in a wide range. Therefore, the intervals for the injector position parameters were narrowed (CAI: 60°-80°, spray angle: 35°-45°, length of injectors: 250-400 mm) by the parametric analysis performed before the final optimization study. In the second stage, the optimum values of the parameters considered were determined by using Response Surface Optimization (RSO) method in the software. In optimization, it is aimed that the average temperature of the melt surface and the amount of mass entering the melt, which are calculated directly by the software, are the maximum. The optimum injector position parameters obtained in the final optimization were 80° for the EMA, 35° for the spray angle and 400 mm for the injector length, respectively. Results of the numerical solutions for the conventional EAF with the injector position parameters (CAI: 70°, spray angle: 45°, length of injectors: 300 mm) were obtained as 9.5% of total energy production provided by combustion, and %18 of the energy passing through the melt by radiation and convection. As a result of the optimization study, the new design has shown about 30% increase in the energy generated by combustion in EAO, and an improvement of about 10% in the amount of heat passing through the melt.