» » Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)
15.01.2015

Характер взаимодействия кислородной струи с металлической ванной зависит от динамического напора струи. Место встречи кислородной струи с поверхностью ванны (реакционная зона) характеризуется интенсивным перемешиванием этих фаз, бурным протеканием окислительных процессов, высокими температурами и обильным дымообразованием.
Состояние ванны. Конвертерная ванна во время продувки отличается сложной многофазной структурой (рис. 3.8).
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

В.И. Баптизманский и В.Б. Охотский предложили следующую схему строения конвертерной ванны. Бурное газовыделение, характерное для большей части продувки, вызывает интенсивное перемешивание ванны. При продувке сверху кислородные струи 1 внедряются в ванну 2, формируя первичную реакционную зону 3 с границами нисходящего струйного участка. Скорость потоков в первичной реакционной зоне составляет 10-100 м/с. Во вторичной реакционной зоне 4 выделяются газовые пузыри 5, состоящие из оксидов углерода. Пузыри, всплывая в объеме ванны, выталкивают жидкий металл. Это создает потоки металла во вторичной зоне, движущиеся со скоростью 10 м/с. При значительных размерах ванны конвертера образуются два потока, один из которых находится ближе к реакционной зоне, второй - к стенке конвертера. Наиболее вероятная скорость потоков в периферийной зоне ~ 1 м/с.
Газовые пузыри, разрываясь, образуют всплески металла 6. Вспененный шлак 7 уменьшает высоту всплесков и они обычно не могут выйти за пределы шлакового слоя. Разрушаясь в шлаковой фазе, всплески дробятся на капли 8, размер которых составляет 0,1-10 мм. Капли оседают в шлаке, коагулируют или сливаются с новыми всплесками. Чем выше скорость выгорания углерода, тем больше капель в шлаке. В разные периоды продувки металлические капли (корольки) составляют 15-100 % массы шлака. Шлак с взвешенными в нем корольками образует шлакометаллическую эмульсию. Фактически в конвертере основной объем занимает газошлакометаллическая эмульсия. После прекращения продувки пузырьки газа всплывают, большая часть корольков оседает из шлака в ванну. Чем меньше вязкость шлака, тем быстрее происходит оседание корольков. Потери металла в виде корольков при промежуточном скачивании шлака из конвертера достигают 1 %, а с конечным шлаком - до 0,5 % от садки.
Поверхность контакта корольков со шлаком значительна, так как их много и они имеют небольшие размеры. На этой поверхности происходит реакция окисления углерода, растворенного в металле: [С] + (FeO) = {CO} + [Fe]. Оксид углерода в этом случае образует пузыри размером 0,1-10 мм. Пузыри 9, возникая в зоне шлака, вызывают вспенивание ванны. Продолжительность пребывания пузырей в шлаке определяется их размерами, вязкостью и поверхностными свойствами шлака. Особенно интенсивно вспениваются шлаки с основностью В=2. В отдельные периоды продувки слой вспененного шлака в 30-50 раз превышает толщину шлака в спокойном состоянии, а его уровень достигает 6 м от поверхности спокойной ванны. При этом вспененная газошлакометаллическая эмульсия подходит к горловине конвертера 10. Если уровень шлакометаллической эмульсии близок к горловине, то отдельные всплески выбрасываются через горловину. В отдельных случаях эмульсия переливается через горловину, это происходит в связи со значительным объемом газа, образующегося при резком и спонтанном увеличении скорости выгорания углерода. Выбросы и всплески представляют опасность для обслуживающего персонала, поэтому находиться рядом с конвертером во время продувки запрещено.
Важное значение для регулирования хода продувки имеет изменение глубины погружения струи в жидкую ванну. Из гидродинамики известно, что глубина проникновения струи в жидкость зависит от скоростного или динамического напора ее в месте соприкосновения с поверхностью ванны.
Скорость, а также динамический напор струи зависят также от расстояния головки фурмы до ванны.
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

где Wo - скорость на оси струи при выходе из фурмы;
do - диаметр струи при выходе из фурмы;
х - расстояние между головкой фурмы и ванной;
В - коэффициент.
В соответствии с этим уравнением при увеличении расстояния от фурмы до ванны скорость струи уменьшается. Следовательно, при подъеме фурмы глубина проникновения струи в ванну будет уменьшаться, а при приближении фурмы к ванне - увеличиваться.
На рис. 3.9 представлена картина взаимодействия продувочного газа с жидкостью, полученная при изучении процессов на холодных моделях.
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

Данные рисунка свидетельствуют о том, что при большом расстоянии X1 струя образует лунку на поверхности ванны и, не внедряясь в металл, растекается по его поверхности (поверх постная продувка).
При небольших значениях X2 наблюдается разбрызгивание жидкости, но основная масса газа проникает в ванну на значительную глубину, образуя
развитую полость (кратер). Потерявшая энергию струя делится внизу на отдельные пузыри, которые поднимаются по бокам зоны продувки и увлекают за собой пограничные объемы жидкости.
В реальном конвертере подаваемый холодный кислород мгновенно нагревается, в 5-6 раз увеличивая свой объем, что способствует интенсификации перемешивания ванны.
В.И. Баптизманским была получена эмпирическая формула, связывающая глубину проникновения струи h с параметрами дутьевого режима:
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

где P - давление дутья перед соплом, МПа (ат.); do - диаметр сопла, м; X - высота фурмы над уровнем ванны, м; В - постоянная, зависящая от вязкости жидкости (для стали В=40); γ - объемная масса жидкости, мг/м3; К - коэффициент, равный 40.
Глубина проникновения струи в ванну будет максимальной при X=0.
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

A.M. Бигеевым приводится зависимость величины h от давления дутья и положения фурмы, рассчитанная по формуле (3.9) для случая х=1 м, (рис.3.10).
Как следует из данных рисунка, при глубине жидкой ванны 2 м и давлении дутья перед соплом 1 МПа (10 ат.) диаметр сопла должен быть не более 50 мм, а при указанном давлении дутья и диаметре сопла интенсивность продувки составляет всего 250 м3/мин. Такая интенсивность приемлема лишь на конвертерах малой емкости. На конвертерах большой емкости интенсивность продувки составляет 1000 м3/мин и более. Подача такого количества кислорода через одно сопло может привести к увеличению глубины проникновения струи до 3 м, что недопустимо с точки зрения стойкости днища конвертера. Это обстоятельство явилось одной из причин перехода на многосопловые фурмы.
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

По ходу продувки уровень ванны сильно изменяется в связи с изменением скорости окисления углерода и достигает максимума в середине продувки. Поэтому большую часть времени продувки (80-85 %) фурма погружена в металл, т.е. продувка ведется в режиме заглубленной струи.
Увеличение объема ванны ΔV пропорционально скорости окисления углерода vc, от которой зависит объем пузырей CO, образующихся в единицу времени
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

При постоянной площади сечения средней части конвертера ΔV=FΔHв; следовательно, ΔHв=k'Vc, т.е. увеличение высоты вспененной ванны также находится в прямой зависимости от Vc.
Погружение струи в эмульсию существенно изменяет условия массообмена. Тяжелые компоненты эмульсии подсасываются в объем струи, повышают ее массу и сильно снижают скорость, получают развитие процессы окисления CO и капель металла, захваченных струей.
Регулирование глубины проникновения кислородной струи в ванну имеет практическую значимость с точки зрения управления технологическим процессом плавки. При увеличении глубины проникновения возрастает поверхность контакта струи с металлом; ускоряется окисление углерода. Вместе с тем уменьшается поступление кислорода в шлак, снижается его окисленность, что затрудняет растворение извести.
Снижение h ведет к уменьшению поверхности контакта кислорода с металлом и увеличению со шлаком, вследствие чего возрастает количество кислорода, переходящего в шлак в виде окислов железа. Увеличение в шлаке FeO ведет к ускорению растворения извести и формирования шлака, одновременно замедляется скорость окисления углерода.
Температурные условия в реакционной зоне
Сильно развитая поверхность газ-металл в реакционной зоне способствует протеканию реакций окисления железа и его примесей. Все эти реакции экзотермичны и теплота их, за исключением доли, уносимой CO и остатками азота, остается в этом ограниченном объеме. Если бы все тепло расходовалось только на нагрев продуктов реакции, то температура в реакционной зоне достигла бы 3500-4000°С. Однако она значительно ниже. Причиной этого, по мнению Г.А. Соколова, являются следующие обстоятельства:
1. высокая теплопроводность металла и интенсивная тепло- и массопередача обусловливают хороший теплообмен реакционной зоны с окружающими ее массами шлака и металла. Это - полезный процесс, так как обеспечивает разогрев ванны;
2. высокая температура реакционной зоны способствует испарению железа и его соединений, этот процесс также значительно охлаждает реакционную зону, так как теплота испарения железа составляет 5000 кдж/кг. Это - вредный процесс, так как связан с повышенным угаром железа и образованием бурого дыма.
Особенности перемешивания ванны.
Интенсивность перемешивания конвертерной ванны определяется двумя факторами: действием кислородной струи и работой реакции обезуглероживания. Приблизительная оценка относительной роли различных сил в движении ванны может быть сделана на основе сравнения величин работы, совершаемой в одинаковые отрезки времени.
Мощность перемешивания ванны пузырями CO равна работе архимедовых сил при всплывании пузырей и может быть вычислена по формуле Кочо.
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

где Pо - атмосферное давление; Vо - объем образующихся в единицу времени пузырей; T - температура металла, °K; H - высота слоя металла над местом возникновения пузырей (Н=0,5 Нванны).
Для 100-т конвертера, принимая Hb=1,5 м и T=1873°К, получаем:
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

Мощность перемешивания ванны струей кислорода Ac - можно оценить, исходя из следующих соображений. Начальная кинетическая энергия струи E0 расходуется на потерю при неупругом ударе E1, перемешивание ванны E2, преодоление архимедовых сил E3, образование новой поверхности E4, энергию отраженной струи E5. Основную долю в этом балансе составляют величины E1=70-80 %, E2=20 %, Е3=5-10 %. Доля остальных составляющих невелика. Следовательно, Aо=0,2 Eо.
В случае применения сопел Лаваля расширение газа в сопле происходит адиабатически и величина Eо определяется уравнением
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

Расшифровка входящих величин приведена ранее (ф-ла 3.7). Для 100-т конвертера, принимая секундный расход кислорода 0,05 м3/т*с, P1=0,9 Мн/м , γО2=1,41 кг/м3, T=298°К из уравнения (3.11):
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

Сравнение величин AС и АСО показывает, что определяющее влияние на перемешивание ванны оказывают пузыри окиси углерода. (рис. 3.11).
Недостаточно активное перемешивание металла в начальный и конечный периоды продувки заставляют стремиться к созданию искусственного перемешивания.
Относительная роль струи в общем перемешивании ванны с увеличением садки конвертера падает. Это обусловлено тем, что с ростом садки увеличивается глубина ванны, а мощность ее перемешивания пузырями CO возрастает в степенной зависимости от глубины ванны.
Взаимодействие кислородной струи с жидким металлом (гидродинамика ванны)

Общая поверхность шлак-металл в кислородном конвертере, особенно в середине продувки, очень велика. Это способствует интенсивному протеканию гетерогенных реакций (окисление кремния, марганца, фосфора и др.).
Особенно интенсивное перемешивание жидких фаз и их дробление происходит в первичной реакционной зоне. Количество вовлекаемого в струю металла в 2-4 раза больше массы струи. В течение плавки в струю вовлекается около 1/3 всей массы ванны.
При обычных скоростях окисления углерода в середине продувки 0,2-0,4 % /мин коэффициент турбулентной диффузии для 100-т конвертера составляет 15-25 тыс. см/с., в то время, как для мартеновских печей аналогичный показатель находится в пределах 25-80 см2/с.