Порядок проведення розрахунків

 

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 ¾ 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.

 

Порядок проведення роботи

 

Перед проведенням лабораторної роботи студент зобов'язаний вивчити закономірності аерогідродинаміки взаємодії газових струменів з рідиною при продувці зверху, бути готовим відповісти на контрольні питання і вивчити пристрій установки, керуючись рисунком 4.2.

Рисунок 4.2 — Схема установки

Установка складається з 2-х скляних судин (1), що імітують реальні кисневі конвертери, фурм зі змінними голівками (2), штатива (3), що дозволяє установлювати фурми на заданій висоті по шкалі лінійки (4), манометрів (5), компресора (6) з редуктором і сполучними шлангами (7).

Моделі конвертера і фурм виконані з дотриманням геометричної подоби в масштабі 1:15 за зразком 130-т кисневого конвертера.

Для виконання роботи необхідно вивчити конструкцію фурм, керуючись рисунком 4.3.

 

Рисунок 4.3 — Ескізи одно- (а), трьох- (б), чотирьох- (в) і

                     шестисоплової (г) фурм

 

Порядок проведення роботи

 

1. Заповнити моделі конвертерів водою до мітки.

2. Установити змінні голівки у фурмах.

3. Установити задану відстань фурм від рівня спокійної рідини.

4. Ввести паперову масу для фіксації напрямків циркуляційних потоків у рідині.

5. Включити компресор і установити за допомогою регулятора тиску заданий викладачем режим дуття.

6. Зафіксувати параметри реакційної зони і поводження рідини.

7. Результати вимірів і візуальних спостережень занести в таблицю 4.1.

 

Таблиця 4.1 — Результати вимірів і візуальних спостережень

Номер дослідження

Тип фурми

Режим дуття

Параметри реакційної зони

Поводження рідини

Інтенсивність бризковиносу

Тиск повітря перед

соплом, Р₁, Мн/м²

Відстань фурми від рівня спокійної рідини, x₁, мм

Візуально встановлена

глибина «лунки», h_л, мм

Візуально встановлений діаметр лунки у верхній

її частині, d_л, мм

Вид «лунки» збоку (ескіз)

Вид «лунки» зверху (ескіз)

Розташування пухирів

в об¢ємі рідини

Середній розмір

пухирів, мм

Циркуляційні потоки

в рідині

 

У графі 11 необхідно вказати напрямок основних циркуляційних потоків, що установилися в рідині.

У графі 12 необхідно зафіксувати порівняльну інтенсивність бризковиносу (дуже сильний, сильний, середній, слабкий, відсутній).

 

 

1. Для кожного режиму дуття визначити швидкість повітря на зрізі циліндричного сопла (для односоплової фурми) по формулі (4.1).

2. Діаметр струменя при зустрічі з рідиною рекомендовано розраховувати по формулі (4.2).

3. За наближеною емпіричною формулою (4.3) визначити глибину занурення струменя в рідину.

4. Результати обчислень заносяться до таблиці 4.2.

 

Таблиця 4.2 — Результати обчислень

Номер дослідження

Тиск повітря перед соплом, Р₁, Мн/м²

Швидкість повітря на зрізі сопла, W₀, м/с

Розрахований діаметр струменя при зустрічі з рідиною, d_x1

Візуально встановлений діаметр лунки у верхній її частині, d_л, мм

Розрахункова глибина занурення струменя повітря, h, м

Візуально встановлена глибина «лунки», h_л , м