Kezdőlap / Portfolio / Üvegolvasztó Kemence Falazat Kopásának CFD Szimulációja

Üvegolvasztó Kemence Falazat Kopásának CFD Szimulációja

Üvegolvasztó Kemence Falazat Kopásának CFD Szimulációja

Az elmúlt 11 év alatt sokféle kemencéhez volt szerencsém, de a legfélelmetesebb és egyben a legimpozánsabb egészen biztosan egy üvegolvasztó kádkemence látványa volt. Ezt a kemencét azért vizsgáltunk, hogy meghatározzuk a falazatának kopását befolyásoló tényezőket. Benézve a kemence gázterébe, miközben 10 méter hosszú lángnyelvek úsztak a folyékony üveg felett az jutott eszembe, hogy jó közelítéssel ilyen lehet a pokol.

Azt nem tudom, hogy a pokolban milyen falazatot használnak a kemencékben és azok milyen tartósak, de itt nálunk a tűzálló falazatok az évek során elhasználódnak és a kemence típusától függő idő után cserére szorulnak.
Egy üvegolvasztó kádkemence falazatát a fellelhető irodalom szerint 13-15 évente kell teljes mértékben kicserélni, ami jelentős előrelépés a 100 évvel ezelőtti 1-2 éves működési időtartamhoz képest.

De egy kádkemence falazatának elhasználódása még így is komoly, folyamatos felügyeletet igényel és rendszeres munkát jelent a kemencét gondozó szakemberek számára.
A kemence tűzálló falazata természetesen a kemencében folyamatosan áramló, erősen viszkózus és forró üveg miatt kopik el. A kemencében közelítőleg 1400°C az üveg hőmérséklete, amelyen a dinamikus viszkozitása 100 Pa.s. Ez százszorosa a szobahőmérsékletű víz és tízszerese a méz viszkozitásának.

Az üveg dinamikus viszkozitása Forrás: www.glassproperties.com
Az üveg dinamikus viszkozitása Forrás: www.glassproperties.com

Tíz év alatt az olvadék úgy koptatja el a tűzálló falazatot, ahogy ezer és ezer év alatt a folyók elhordják a hegyeket. Mivel a falazat folyamatosan ki van téve az eróziónak, a kemence üzemeltetőjének tudnia kell, hogy mi gyorsítja vagy lassítja a kopási folyamatot.
Az üvegolvasztó kádkemencéket 13-15 év folyamatos használatra tervezik. Egy-egy ilyen kemence felépítése óriási beruházás, és ha bármilyen üzemeltetési körülmény miatt a működési időtartam 10-12 évre csökken, akkor ez az üzemeltetőnek egy messziről is jól látható halom pénz elvesztését jelenti.

Fontos tehát tudni, hogy az üzemeltetési paraméterek, mint például a láng hőmérséklete, vagy az egyes égőnyakakon bejuttatott földgáz mennyisége hogyan befolyásolja az olvadt üveg áramlási viszonyait. Az áramlási viszonyok pedig egyértelműen meghatározzák, hogy a fal milyen koptató igénybevételnek van kitéve.

Aki főzött már lekvárt, és megfigyelte, hogy a forrásban lévő massza hogyan mozog az edényben, az elég jó képet kapott arról, mi történik az üveg olvasztása közben. Az edény közepén kialakul egy forró zóna, amelyben a lekvár az edény aljától a felszín felé halad. A felszínen a lekvár oldalra, az edény fala irányába áramlik. A falak mellett lefelé veszi az irányt, majd az edényfenék mellett újra a forró zónához érkezik. Ehhez nagyon hasonló körkörös áramlás alakul ki egy kádkemencében is, azzal a különbséggel, hogy a kádkemence egyik oldalán folyamatosan történik a megolvasztandó porkeverék beadagolása, az ezzel szemben lévő oldalon pedig az olvadt üveg elvétele.
Megolvasztandó porkeverék beadagolása Forrás: usglassmag.com
Megolvasztandó porkeverék beadagolása Forrás: usglassmag.com

Egy ilyen kádkemencében 1000 tonna olvadt üveg áramlik nagyon-nagyon kis sebességgel, a kopási folyamat is lassan történik, így az üzemeltetési paraméterekkel kísérletezni elég körülményes. Az áramlástani szimuláció alkalmazásával viszont ki tudtunk dolgozni egy olyan módszert, amely képes volt a kemence falazatának kopási viszonyait felgyorsítva modellezni.

A módszer egyik eleme az olvadt üveggel érintkező fal geometrián mérési felületek kialakítása volt. A szakirodalomból származó képek alapján tudtuk, hogy a legnagyobb mértékű kopásra az üveg felszínéhez közel számíthatunk. A kopott falazat alakja a bal oldali képen jól látható. Így itt a mérési felületek nagysága sokkal kisebb, sűrűbben helyezkednek el, mint a kemencefenékhez közelebb. Ez az összesen 8 felületből álló felbontás látható az alábbi kép jobb oldalán.

A falazat kopásának alakja a szakirodalom alapján; Forrás: RWTH Aachen University
A falazat kopásának alakja a szakirodalom alapján; Forrás: RWTH Aachen University
A kopásmentes fal egyik 1.5m hosszú elemén felvett eltérő magasságú mérési felületek
A kopásmentes fal egyik 1.5m hosszú elemén felvett eltérő magasságú mérési felületek

 

Úgy döntöttünk, hogy a szimulációban a fal felületeire ható erő komponenseit mérjük. Az SC/Tetra egyébként tud fali csúsztatófeszültséget (wall shear stress) és fali súrlódási sebességet (wall friction velocity) is számolni, amelyek még alkalmasak lehetnek kopási folyamatok elemzésére. Ezek közül utóbbit a hengerfej öntvény vákuumos tisztításának szimulációja során használtuk a légáram tisztítási teljesítményének méréséhez.

A falazatot nemcsak függőlegesen, hanem a kemence hossza mentén is szegmensekre osztottuk. Egy hosszirányú szegmens 1.5 méter hosszú volt és több, mint 20 szegmens adta ki a kemence teljes hosszát. Ez azt eredményezte, hogy a kemence hosszabb oldalán közel 200 felületen mérhettük az áramlásból származó erőket.

A kemence éppen aktuális működési paramétereit az üzemeltető szolgáltatta, ezeket felhasználva készítettük el az első szimulációt teljesen új, kopásmentes falazattal. A fal mérőcelláira ható erő mindhárom komponensét egy szövegfile-ba írja ki a szoftver, ezt a közel 600 erő adatot dolgoztuk fel úgy, hogy a falazatból elkopott anyagot meghatározhassuk.

A 600-ból rögtön 400 adat lett, mivel a falra merőleges (y-irányú) erő komponensek elhanyagolhatóan kicsik voltak az x- és z-irányú komponensekhez képest. Az x-irány a kemence hossztengelyével párhuzamos, a z-irány pedig függőlegesen a kemencefenéktől az üveg felszíne irányába volt pozitív, ahogy azt a jobb oldali ábra is mutatja. Ha az x-irányú komponens negatív volt, az azt jelentette, hogy az üveg az adott mérőcella mellett az üveg elvételének oldala irányába áramlik. Ha pedig a z-irányú komponens volt negatív, akkor ez függőlegesen fentről lefelé haladó áramlást jelzett.
A szimulációhoz használt koordináta rendszer a kemence vázlatán szemléltetve
A szimulációhoz használt koordináta rendszer a kemence vázlatán szemléltetve

Az alábbi képek e két erő komponens felületegységre vetített grafikonos ábrázolását mutatják a 1.5 m hosszú fal elemeken lévő 8 db mérőcella esetén. Egy szín egy fal elemet jelent a kemence hossza mentén. Az ábrák a 8. és a 24. falelem közötti kemenceszakaszt mutatják be. A felületegységre történő vonatkoztatásra azért volt szükség, mert a mérőfelületek területe jelentősen eltért egymástól, az erők értékeléshez közös alapra kellett hozni őket.

A kemence hossztengelyével párhuzamos irányú erők (vízszintes tengely) a falazat magassága mentén (függőleges tengely)
A kemence hossztengelyével párhuzamos irányú erők (vízszintes tengely) a falazat magassága mentén (függőleges tengely)
A falazat magasságával párhuzamos irányú erők (vízszintes tengely) a falazat magassága mentén (függőleges tengely)
A falazat magasságával párhuzamos irányú erők (vízszintes tengely) a falazat magassága mentén (függőleges tengely)

 

A vízszintes tengelyen tehát az erő nagyságát (a képeken csak az előjelük és egymáshoz viszonyított nagyságuk látszik), a függőleges tengelyen viszont az egyes mérőcelláknak a kemence oldalfalán elfoglalt helyzetét, azaz a kemencefenéktől számított sorrendjét ábrázoltuk. Az ábrán legalul lévő 8. számú mérőcellák voltak a kemencefenékhez legközelebb, az ábrán legfelül lévő 1. számú mérőcellák pedig közvetlenül az üveg felszínével érintkeztek.

Ez az ábrázolás azért is nagyon szemléletes, mert megmutatja, hogy a bal oldali px ábrán a legnagyobb erők az üvegfürdő felszínéhez közel találhatók, itt lehet a legnagyobb mértékű kopásra számítani. Ez megegyezett a szakirodalmi adatokkal és az üzemeltető tapasztalatával.

Ettől azonban még érdekesebb, hogy kijelenthető: az üvegfürdő magasságának döntő részében az üveg a beadagolástól a kiadagolás irányába áramlik. Akkor ezek szerint a kemencefenékhez közel pedig pont ellentétes a hossztengellyel párhuzamos irányú áramlás, mivel a px pozitív? Lehetséges ez? Persze, de erről egy kicsit később.

Nézzük a függőleges pz komponenst is. Itt az látszik, hogy az alul lévő mérőcellák mellett az olvadék fentről lefelé (negatív pz), míg az üveg felszínéhez közelebb lentről felfelé áramlik (pozitív pz). Ez tehát a teljesen sima falazat esetén kialakuló áramlási kép.

Meghatároztuk az erőket az új falazat esetén, van egy eléggé összetett áramlási képünk, amely a kemence hossztengelye és a falazat magassága mentén is változik. Hogyan lesz ebből erózió?

Korábban már említettem, hogy a falazat teljes elhasználódása jobb esetben 13-15 év alatt, tehát viszonylag lassan következik be. Ezt a lassú folyamatot véges sok, egymás után lefuttatott szimulációval akkor tudjuk modellezni, ha az egyes szimulációk végén a maximális erőkhöz – szakirodalmi adat vagy üzemeltetői tapasztalat hiányában – mi magunk rendeljük hozzá a kopás maximális értékét.

Tegyük fel, hogy a friss falazat szimulációja után a maximális kopási mértéket 25mm-re vesszük fel. A 25mm-t arányosan fel kell osztanunk a maximális px és maximális pz között. Tartozzon ekkor a legnagyobb px-hez 20mm, a legnagyobb pz-hez pedig 5mm. Így, ha a legnagyobb px és legnagyobb pz is ugyanazon a mérőcellán keletkezne, a maximális kopás azon a cellán is csak 25mm lenne.

Ezek után egy Excel táblázat segítségével már könnyen meghatározhatjuk az egyes mérőcellákon mért erőknek a maximumhoz viszonyított arányát, amit megszorozva a maximális px-hez, illetve pz-hez tartozó kopási értékkel megkapjuk az adott cellán az x-irányú és a z-irányú erők okozta kopást. A két irány kopási mértékeit összeadva pedig előáll az az erózió, amennyit az adott cella vastagságából le kell venni a CAD szoftverben. Az alábbi képek az első szimulációs lépésben elkoptatott falazat két eltérő kopási mértékkel rendelkező elemét mutatják be. A piros nyilak a legnagyobb mértékű kopás helyét jelölik.

A beadagolási oldalhoz közelebbi fal elemen a két erő komponens olyan eróziós profilt eredményezett, amelyikben a legnagyobb mértékű kopás a fal magasságának közepén keletkezik. Ezt az alakot a porkeverékből folyamatosan beolvadó friss üveg keltette áramlási viszonyok okozzák. Ettől eltérő a kemence végén a kiadagoláshoz közelebb lévő fal elem eróziós profilja, mert itt a legnagyobb mértékű kopást az üveg felszínéhez közel figyelhetjük meg.

A beadagolási oldalhoz közel lévő fal elem kopási alakja az első szimuláció után
A beadagolási oldalhoz közel lévő fal elem kopási alakja az első szimuláció után
A kiadagolási oldalhoz közel lévő fal elem kopási alakja az első szimuláció után
A kiadagolási oldalhoz közel lévő fal elem kopási alakja az első szimuláció után

Ha az első lépésben kiszámolt kopásokkal ellátott kemence modellen lefuttatunk egy azonos peremfeltétel rendszerrel ellátott szimulációt, az erő maximumok változásának függvényében növeljük vagy csökkentjük az erő komponens maximumához tartozó maximális kopási mértéket. Így jól szemléltethetővé válik, hogy változatlan üzemeltetési paraméterek mellett a már megindult kopás az idővel hogyan változik. Lassulhat, gyorsulhat vagy éppen stagnál az áramlási viszonyok változásának függvényében és ez a tendencia a CAD modellen nagyon látványosan bemutatható.

1. kopási szint
1. kopási
szint
2. kopási szint
2. kopási
szint
3. kopási szint
3. kopási
szint
4. kopási szint
4. kopási
szint
5. kopási szint
5. kopási
szint

Ha változnak az üzemelési paraméterek, egy ugyanilyen, például 5 kopási szintet megjelenítő szimulációs sorozat lefuttatásával képet kaphatunk az adott paraméter által a fal eróziójára kifejtett hatásról. Ha az üzemi paraméter változása a modell szerint a kopás gyorsulását vetíti előre, akkor az üzemeltetőnek érdemes elgondolkoznia azon, hogy ezt a változást milyen módon tudja megszüntetni, vagy ellensúlyozni, mert különben az üzemidő rövidülésével kell számolnia.

Visszatérve a nagy kérdésre, hogy lehetséges-e a kemencefenékhez közel a fő áramlási iránnyal ellentétes áramlási irány, a projektet lezáró prezentáció után érkezett válasz. A főmérnök megmutatott egy képet, amin az előző, azonos méretű, kialakítású és üzemi paraméterekkel működtetett kemence falazatának kopása volt látható. Gyönyörűen kirajzolódott, ahogy a kemence kiadagoláshoz közelebbi részein a falazat alsó harmadának vonalában megfordul a kopás formájában megőrzött áramlási irány. Édes volt a siker íze. Könyörögtem, hogy adják ide azt a fotót, de titoktartási okok miatt nem lehetett.

Mindenesetre elmondhatom, hogy e munka során sok mindent megtudtunk az üvegolvasztó kádkemence működéséről, és sikerült egy olyan eljárást találni, amelynek alkalmazásával modellezni tudtuk a falazat erózióját az üzemi paraméterek változásának függvényében. Most, hogy ezt a cikket megírtam, remélem a pokolból nem fordulnak hozzánk e módszer alkalmazása ügyében, mert nem tudom mivel járna a felkérés visszautasítása. Szerencsére az eljárás nemcsak kemencéknél, hanem más, hosszan tartó eróziós folyamatoknak kitett berendezéseknél is alkalmazható.

Dr Dúl Róbert

Top