ЛР металлургия / 1.Критерий Архимеда / Теория

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛОРОДНОЙ СТРУИ

С КОНВЕРТЕРНОЙ ВАННОЙ

(2 часа)

I. Цель работы.

Расчет глубины проникновения газовой струи в металл в реальном конвертере на основе результатов физического моде­лирования.

II. Теоретическое введение.

Параметры взаимодействия кислородных струй с расплав­ленной ванной оказывают определяющее влияние в первом пе­риоде продувки на соотношение скоростей окислительных про­цессов компонентов ванн и режим шлакообразования. Основ­ной характеристикой взаимодействия струй кислорода с ванной в первом периоде продувки является их заглубление в расплав. Непосредственные измерения этого параметра на кислородном конвертере чрезвычайно сложны, поэтому чаще всего его опре­деляют в лабораторных условиях на холодных физических моде­лях на веществах, находящихся при комнатной температуре в газообразном и жидком состояниях.

На характер внедрения струи газа в жидкость определяю­щее влияние оказывают силы инерции, действующие со сторо­ны газового потока, и выталкивающие силы, действующие со стороны жидкости (силы Архимеда). Силы вязкости и поверх­ностного натяжения не играют существенной роли и ими обыч­но пренебрегают. Условием правильности переноса полученных на моделях результатов на реальные процессы и объекты являются идентичность (равенство) безразмерных величин, называе­мых критериями подобия.

При моделировании процессов, в которых определяющи­ми являются инерционные и гидростатические силы, таким кри­терием является критерий Архимеда, Ar:

(1.1)

где и - удельный вес газа и жидкости соответственно, Н/м³; g - ускорение силы тяжести, м/с²; - скорость газа, м/с; l - ха­рактерный линейный размер, м.

В это уравнение входят две величины, которые трудно определить: скорость газа и характерный линейный раз­мер. Скорость газа зависит от геометрии сопла и расстояния среза сопла от уровня ванны, т.е. в процессе эксперимента мо­жет меняться в широких пределах. Неопределенным является и характерный линейный размер. Следовательно, пользоваться в работе уравнением (1.1) неудобно.

Попробуем записать этот критерий в другом виде, для чего рассмотрим схему взаимодействия струи газа с жид­костью (рис 1.1).

Из схемы видно, что легкоконтролируемыми линейными размерами являются: диаметр сопла d_c, расстояние среза фурмы до уровня жидкости А_с и глубина лунки. Кроме того, в экспери­менте всегда известны давление газа перед соплом и его расход. Поэтому критерий Архимеда желательно привести к виду, в ко­торый входили бы именно эти величины. Для этого сначала преобразуем уравнение (1.1) следующим образом:

( 1.2)

В качестве характерного линейного размера / в числите­ле примем d_c, а в знаменателе - h_c. Тогда уравнение (1.2) при­мет вид:

(1.3)

где f_c - площадь сечения сопла на выходе, м²; h_c - расстояние от среза сопла до уровня спокойной жидкости, м; - плот­ность газа и жидкости, кг/м³.

Числитель в уравнении (1.3) представляет собой импульс струи i_r:

4. 

Если пренебречь диссипацией (рассеянием) энергии струи по мере удаления газов от среза сопла, то при постоянном рас­ходе газа импульс струи будет постоянным, т.е. не будет зави­сеть от расстояния между соплом и уровнем жидкости. Это по­зволяет рассчитать импульс струи один раз на выходе газа из сопла фурмы:

(1.5)

где V_r = f_cW_r * - объемный расход газа (для многосопловой фур­мы - на одно сопло), м³/с; Wr,₀ - скорость истечения газа на срезе сопла, м/с.

Объемный расход газа измеряется расходомером. Ско­рость истечения газа на срезе сопла определяется из уравнения, описывающего истечение идеального газа при адиабатическом процессе расширения:

(1.6)

где R - газовая постоянная; R₀ - универсальная газовая посто­янная; М - молекулярная масса, кг/моль; P₂ - давление в про­странстве, из которого истекает газ, кгс/см²; T₂ - температура в пространстве, из которого истекает газ, К; P₁ - давление в про­странстве, в которое втекает газ, кгс/см²; К- показатель адиаба­тического расширения для двухатомных газов К = 1,4.

Таким образом критерий Ar, равенство значений кото­рого на модели и в образце определяет подобие процессов вза­имодействия газовых струй с жидкостью, равен:

7. 

Параметры взаимодействия газовой струи с жидкостью на физической модели могут быть использованы для количе­ственных расчетов глубины проникновения газовой струи в металл на реальном конвертере.

III. Описание лабораторной установки

Схема установки представлена на рис. 1.2. Работа выпол­няется на прозрачной модели 1 кислородного конвертера вмес­тимостью 250 т, выполненной из органического стекла в масштабе 1:50. Сжатый газ подается от баллона 7 по соединительным шлангам 9 через редуктор А. Измерение объемного расхода газа осуществляется ротаметром 6 при избыточном давлении, фиксируемом манометром 5. Положение фурмы 2 измеряется с помощью измерительной линейки 3. При выполнении лабораторной работы используются фурмы двух типов: односопловая и трехсопловая (рис 1.3).

IV. Порядок проведения работы и указания по технике безопасности.

В модель конвертера I заливают воду (моделирующая жидкость) на высоту 100 - 180 мм. Исследуемую фурму устана­вливают на определенном расстоянии от жидкости и начинают продувку. Измерения производят на 6 - 7 различных значениях расхода газа согласно указанному преподавателем варианту ин­дивидуального задания (см. приложение 1 в конце работы).

Медленно открывая редуктор, подают газ до достижения требуемого расхода, отмечаемого по шкале ротаметра, а затем плавными поворотами вентиля редуктора поддерживают расход газа на заданном значении в течение опыта. При каждом расхо­де газа замеряют глубину лунки А_л с помощью шкалы, нанесен­ной непосредственно на корпусе прозрачной, модели. Кроме того, при каждом положении фурмы и расходе газа делают каче­ственное описание зоны взаимодействия струй газа с жидкостью

(конфигурация лунки, характеристика поверхности - наличие или отсутствие пузырей на ней, появление брызг, интенсивность пульсации поверхности и т.д.).

Число сопел в модельной фурме, n	Высота сопла над уровнем спокойной жидкости, мм, hc	Расход газа, число делений шкалы ротаметра	Абсолютное давление перед соплом фурмы, P, кгс/см2	Глубина образующейся лунки, мм	Примечание. Описание взаимодействий струй с жидкостью