Jak nowoczesne analizy numeryczne MES i CFD pomogły w opracowywaniu inteligentnego układu chłodzenia wielkiego pieca hutniczego?

W dobie rosnących wymagań dotyczących ograniczania zużycia energii, wody oraz emisji CO2, projektowanie inteligentnych układów chłodzenia agregatów hutniczych stało się jednym z kluczowych wyzwań branży metalurgicznej.

Zadaniem zespołu CIM‑mes Projekt było wykonanie prac badawczo‑rozwojowych w projekcie: „Opracowanie i demonstracja inteligentnego układu chłodzenia agregatu hutniczego poprzez zamknięcie i integrację obiegów wodnych przy zwiększeniu niezawodności eksploatacji procesu metalurgicznego oraz poprawie efektywności wykorzystania przemysłowej wody chłodzącej”, realizowanym w ramach Działania 1.1 „Projekty B+R przedsiębiorstw” Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014–2020, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

Głównym celem układu chłodzenia jest odprowadzanie ciepła generowanego przez bardzo wysokie temperatury procesu wielkopiecowego, aby zapobiec przegrzewaniu i uszkodzeniom konstrukcji pieca, co mogłoby prowadzić do krzepnięcia surówki i awarii.

Wykorzystując metody obliczeniowe (MES i CFD), przygotowano symulacje pokazujące, jak poszczególne komponenty układu chłodzenia zachowują się w różnych scenariuszach pracy i konfiguracjach połączeń — zarówno pod kątem termicznym, jak i wytrzymałościowym. Ze względu na charakter badań prace realizowano w ścisłej współpracy z klientem.

Źródło

Etap 1. Model cieplny i analiza danych

Na początku opracowano model cieplny agregatu hutniczego. Najpierw przeprowadzono przegląd literatury i prac badawczych dotyczących modelowania wielkich pieców, a następnie przeanalizowano i przetworzono dane pomiarowe z układu monitorowania pieca.

Ze względu na dużą liczbę danych przygotowano model typu „black box” z zastosowaniem sztucznych sieci neuronowych ANN (Artificial Neural Network). Model ten posłużył do generowania obciążeń cieplnych płyt chłodzących analizowanych w dalszej części projektu.

Etap 2. Modele CFD i MES pojedynczych płyt

W kolejnych etapach opracowano modele numeryczne: cieplno‑przepływowe (CFD) oraz wytrzymałościowe (MES) pojedynczych płyt chłodzących. Szczegółowe analizy pozwoliły dokładnie zobrazować ich zachowanie i wskazać możliwości optymalizacji pod kątem wydłużenia żywotności.

Dzięki symulacjom CFD możliwe było szybkie i precyzyjne określenie rozkładów temperatur w różnych częściach płyty dla różnych konfiguracji i stopni zużycia. W analizach cieplno‑wytrzymałościowych MES odwzorowano specyficzny efekt „odwrotnego” paczenia się płyt, co pozwoliło ocenić, czy i jak modyfikacje mogą wpłynąć na wydłużenie czasu pracy.

Etap 3. Model zasilania i oprogramowanie do topologii

Ostatnim etapem było opracowanie modelu zasilania i odprowadzania wody z płyt chłodzących. Wykorzystuje on modele zredukowane płyt przygotowane na podstawie wcześniejszych symulacji cieplno‑przepływowych.

Aby w pełni wykorzystać potencjał modelu, przygotowano dedykowane oprogramowanie do sprawdzania i optymalizacji topologii układu chłodzenia. Narzędzie wykorzystano także w pracach rozwojowych — do oceny poprawności działania nowego systemu chłodzenia agregatu hutniczego na podstawie wyników z instalacji demonstracyjnej.

Podsumowanie

Zaawansowane analizy CFD i MES w tym projekcie B+R umożliwiły wnikliwą ocenę elementów układu chłodzenia oraz dostarczyły rzetelnych danych do świadomego podejmowania decyzji projektowych. Uzyskane wyniki posłużyły do opracowania aplikacji weryfikującej różne topologie układu chłodzenia.

Istotnym czynnikiem powodzenia okazało się doświadczenie zespołu CIM‑mes Projekt w realizacji projektów dofinansowanych, co przełożyło się na sprawne i elastyczne reagowanie na zmiany i wyzwania.

Zachęcamy producentów do korzystania z nowoczesnych narzędzi analitycznych CIM‑mes Projekt. Zapewniamy wsparcie na każdym etapie projektowania i optymalizacji wyrobów, w tym w pracach badawczo‑rozwojowych.