» » Аэродинамика кислородной струи
15.01.2015

Как указывалось ранее, кислород в ходе процесса подают через специальную водоохлаждаемую фурму. Использование водяного охлаждения фурмы для обеспечения безопасной работы требует располагать ее на некотором расстоянии от поверхности спокойной ванны. Такое положение фурмы требует высокой скорости истечения кислородной струи, что достигается при использовании сопел, представляющих собой короткие насадки постоянного или переменного сечений. Сопло может быть цилиндрическим, сужающимся или комбинированным: сужающимся, а затем расширяющимся.
Кислород проходит сопло фурмы за тысячные доли секунды, поэтому процесс его расширения считают адиабатическим, идущим без теплообмена с окружающей средой. Скорость его истечения из сопла определяют по формуле,
Аэродинамика кислородной струи

где К - показатель адиабаты (для кислорода К=1,4);
R - универсальная газовая постоянная;
P1, T1 - давление и температура кислорода перед соплом;
P2 - давление газовой фазы в конвертере (0,1 МПа);
φ - коэффициент, учитывающий трение и отклонение от идеальности (φ≤1).
В фурмах с цилиндрическими и суживающимися соплами уравнение справедливо для P2/P1≤0,528; при Р2/Р1=0,528 достигается критическая (звуковая) скорость истечения (для кислородной струи Wкр=298 м/с). Дальнейшее повышение давления P1 увеличивает только плотность выходящей струи, что приводит к ее пульсациям, в результате чего значительная часть механической энергии переходит в тепловую и «дальнобойность» струи уменьшается.
В настоящее время применяют фурмы с соплами Лаваля. Особенностью таких сопел является наличие сужения (конфузора), цилиндрического участка и диффузора с углом раскрытия 5-8° (рис. 3.3).
При использовании сопел Лаваля быстро достигаются сверхзвуковые скорости (рис. 3.6).
При работе сопла Лаваля в расчетном режиме давление на срезе сопла P3 должно быть равно внешнему давлению (рис.3.3). Отклонения от расчетного режима ухудшают условия работы фурмы. При Р3≥P2 струя недорасширена и пульсирует, рассеивая свою энергию; при P3≤P2 возможен отрыв струи от стенок сопла, что приводит к подсосу в сопло частиц шлака и металла, способных вызвать его разрушение.
Аэродинамика кислородной струи

В практике конвертерного производства используют сопла, рассчитанные на некоторую степень недорасширения струи. Это делается для случая возможного колебания давления кислорода в магистрали, так как подсосы в сопло недопустимы. Степень нерасчетности определяется как Р3/Р2=1,1-1,2.
По выходе из сопла кислородная струя взаимодействует с газовой средой конвертера. В этом случае к ней подмешиваются CO и азот, т.е. газы, малорастворимые в металле. Струя теряет кинетическую энергию и скорость. Вследствие нарастания массы струя приобретает коническую форму. На рис. 3.7 показан характер распределения скоростей в объеме струи. В каждом поперечном сечении струи скорости движения газа распределяются по некоторой кривой; на границе струи Wi=0, по оси струи она максимальна. По мере удаления от сопла осевые скорости также уменьшаются (Wi ≥ W2 ≥ W3 ≥...≥ Wn).
Вследствие подсоса окружающего вещества масса струи растет, а так как количество движения mω должно сохраняться, неизбежно снижение скоростей на всех участках.
Кислородная струя захватывает не только газ, но и пыль, капли металла и шлака. Попавший в струю CO сгорает с выделением большого количества тепла. По данным Г.А.Соколова, температура струи на расстоянии 35-40 калибров может достигать 2000°С, по существу она представляет собой факел, в котором горит CO и капли металла.
Особенности аэродинамики многосопловых фурм. Целью создания многосопловых фурм было «смягчение» режима продувки. Диаметры сопел в них определяются по формуле:
Аэродинамика кислородной струи

где do - расчетный диаметр сопла односопловой фурмы; n - число сопел в фурме.
Углы отклонения осей сопел от вертикальной оси должны быть достаточно большими, чтобы избежать слияния струй, иначе эффект рассредоточения не будет достигнут. Чрезмерно большие углы наклона опасно приближают реакционные зоны к поверхности футеровки конвертера. Величина угла отклонения α зависит от числа сопел n и вместимости конвертера
Аэродинамика кислородной струи

На рис. 3.7, б показано распределение скоростей в струях, выходящих из двух сопел, расположенных под углом 2 α. Ha малых расстояниях от сопел струи идут раздельно, на больших - такая фурма приближается по распределению скоростей к односопловой при значительно сниженном динамическом напоре. Слиянию струй способствует также их дополнительное расширение при нагреве.