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
Fін
Fгс
–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.