4 Аерогідродинаміка взаємодії газових

СТРУМЕНІВ З РІДИНОЮ ПРИ ПРОДУВЦІ ЗВЕРХУ

Ціль роботи: вивчити форму і визначити параметри реакційної зони в період киснево-конвертерної плавки при продувці через фурми різних конструкцій.

Теоретичне введення

Фурма для подачі кисню в конвертер звичайно виконується з трьох суцільнотягнутих сталевих труб [1, с. 125-137], що концентрично входять одна в іншу. По центральній трубі подається кисень, дві зовнішні призначені для охолоджування. Головку фурми виготовляють з міді і пригвинчують, або приварюють до неї.

Фурму встановлюють вертикально по осі конвертера. Тиск води, що охолоджує фурму, звичайно 0,6 – 0,8 Мн/м² (6 – 8 ат) і повинен бути достатнім, щоб температура води, що відходить, не перевищувала 40 ^оС. Загальна витрата води для охолоджування залежить від місткості конвертера і розмірів фурми; питома витрата 0,5 – 1,0 кг/(т∙с).

Тиск кисню безпосередньо перед соплом фурми менше, ніж в киснепроводі, і складає звичайно 0,4 – 0,8 Мн/м² (4 – 8 ат). Інтенсивність продувки, визначувана витратою кисню за хвилину на тону садки, складає звичайно 2,2 – 3,5 м³/( т∙хв.).

Розміри головки фурми і її вихідного отвору (отворів) визначаються загальною хвилинною витратою кисню і конструкцією фурми.

Характер витікання кисню з отворів фурми, хід плавки і її основні показники в значній мірі залежать від конструкції сопел і головки фурми. На практиці застосовуються різні типи головок фурм: одноструменеві (з циліндричними і конічними соплами, соплами Лаваля і ін.) і багатоструменеві, звичайно з соплами Лаваля.

Процес розширення газу у соплі близький до адіабатичного, тобто відбувається майже без теплообміну з навколишнім середовищем. Тому, швидкість витікання кисню з сопла визначається співвідношенням

м/с, (4.1)

де – показник адіабати (для кисню та інших двохатомних газів

= 1,4);

–газова стала (у розрахунку на 1 моль газу вона дорівнює

260 Дж/(кг∙град) [848 кг∙м/(моль∙град)], або на 1 кг кисню

= 26,5 кг∙м/кг∙град);

і – відповідно тиск та температура у просторі

(киснепроводі), з якого витікає газ;

–тиск у середовищі, яке оточує сопло (у конвертері

близький до 0,1 Мн/м² (1 ат));

–коефіцієнт, який враховує тертя і відхилення від

адіабатичного процесу (звичайно близький до 1).

Струмінь, що витікає з сопла, має конічну форму (рис.4.1). Діаметр його в місці зустрічі з поверхнею ванни визначається співвідношенням

м, (4.2)

де – відстань від сопла до поверхні рідини;

–стала величина, що дорівнює для малов'язких рідин 40;

–діаметр сопла.

d₀

F_ін

F_гс

–діаметр сопла; – висота розташування сопла над рівнем спокійної рідини;– глибина лунки;– інерційні сили газового струменя;– гідростатичні сили

Рисунок 4.1  Схема взаємодії газового струменю з рідиною

У міру просування струменя газу вглиб ванни і зменшення його динамічного тиску посилюється вплив на рух газу архімедових (виштовхуючих) сил, що заважають проникненню струменя.

Співвідношення цих сил з інерційними силами струменя, що обумовлюють проникнення струменя у ванну, відображається критерієм Архімеда:

,

де – швидкість газу на осі потоку при зустрічі його

з поверхнею рідини;

і – відповідно щільність газу (на горизонті зустрічі з

рідиною) та щільність рідини;

–прискорення сили ваги.

Глибина проникнення газового струменя в рідину залежить від густини фаз, швидкості струменя, його діаметра, тобто від чинників, що визначають величину критерію Архімеда і сил, діючих на струмінь

, (4.3)

де – коефіцієнт проникнення, також є функцією критерію

Архімеда.

При коефіцієнт проникнення складе

(4.4)

З рівнянь (4.3) і (4.4) знаходимо вираз, зручний для розрахунків:

Дещо більш точне рівняння зв'язку з визначальними параметрами наступне:

Приведеними вище рівняннями не завжди зручно користуватися, оскільки в них входять величини (), визначення яких вимагає звичайно складних вимірів і розрахунків.

У зв'язку з цим для орієнтовних розрахунків глибини проникнення може бути рекомендована також наближена емпірична формула:

м, (4.5)

де – тиск дуття перед соплом, Мн/м² (ат);

–діаметр сопла, м;

–відстань від фурми до поверхні ванни;

–деяка стала величина, що дорівнює для малов'язких

рідин 40;

–коефіцієнт, що дорівнює 40 (залежить від розмірності

величин).

У разі продування із зануренням фурми у ванну досягається максимальна глибина проникнення струменя

З приведених вище рівнянь видно, що глибина проникнення струменя у ванну залежить від висоти підйому фурми, тиска дуття, розмірів

сопел, їх форми і ін. У конвертерів місткістю 100 т глибина складає 0,35 – 0,4 м для фурм з 3 – 4 соплами і 0,6 – 0,7 м для фурм з одним соплом.

У разі вживання сопел Лаваля досягається дещо більша глибина, ніж при циліндричних соплах (у зв'язку із збільшенням і ). Перехід від одноструменевих фурм до багатоструменевих при даному положенні фурми супроводжується деяким зменшенням у зв'язку із зменшенням і збільшенням шляху струменя до ванни в калібрах /, що обумовлює зниження . Введення пилоподібних матеріалів в струмінь (вапна, руди) призводить до збільшення глибини проникнення його у ванну унаслідок збільшення середньої густини струменя.