Исследование и разработка конструкции наконечника фурмы

       (2.13)

 

      где Δh—высота выступов жидкой среды вокруг реакционной зоны над поверхностью ванны в спокойном состоянии.

     D — диаметр реакционной зоны при продувке неассимилируемым газом;

     Разброс опытных точек относительно кривой достигает 60%, что указывает на недостаточную  точность полученного выражения.

     Авторы  работы [22] с помощью опытов на холодной модели нашли, что безразмерная ширина углубления связана с параметрами  дутья выражением 

       (2.14) 

     Путем преобразований уравнению (2.14) можно  придать вид: 

       (2.15) 

     или 

       (2.16) 

     Эта формула показывает, что при продувке неассимилируемым газом величина диаметра, как и в случае продувки ассимилируемым газом, пропорциональна критерию Архимеда. При этом показатели степени при  Аr₀ в формулах (2.12) и (2.16) почти одинаковы.

     Это совпадение, по-видимому, не случайно. Оно показывает, что взаимодействие струи с ванной независимо от вида газа подчиняется общим закономерностям, причем решающее значение имеют аэрогидродинамические  факторы, а не свойства газа.

     В работе [19] для определения диаметра предложено следующее эмпирическое выражение, полученное обработкой опытных  данных: 

       (2.17) 

     где k — коэффициент, зависящий от вида жидкости.

     Для случая продувки воды воздухом k равен 0,50. Поэтому 

       (2.18) 

     Зависимости (2.16) и (2.18) удовлетворительно согласуются  между собой. В среднем отклонение не превышает 15%. Для данного случая эту цифру можно считать вполне приемлемой, так как вследствие пульсации  определение точного размера диаметра затруднено.

     При расположении сопла на уровне поверхности  ванны диаметр углубления можно  определить по одной из следующих  формул [23, 19]: 

       (2.19) 

       (2.20)

 

      В последнем уравнении скорость обратной струи при неизменном расходе газа в лунке нетрудно подсчитать по уравнению, полученному Е. Д. Хмелевской и 3. Ф. Чухановым, исходя из условия неразрывности обратного потока [23]. Учитывая, что h/d₀=Ar₀^1/2, придадим формуле (2.19) другой вид: 

       (2.21) 

     Результаты  сопоставления формул (2.12), (2.16), (2.18) и (2.21), принадлежащих различным авторам, показывают, что диаметр реакционной  зоны во всех случаях независимо от вида газа пропорционален критерию Архимеда. Показатель степени при Аr₀ колеблется от 0,33 при продувке полностью ассимилируемым газом до 0,36—0,50 в случае применения неассимилируемого газа. Это еще раз подтверждает, что характер взаимодействия различных газов с ванной во многом является одинаковым, хотя степень поглощения газа может отличаться весьма значительно.

     Отсутствие  достаточного количества надежных данных по вопросу величины диаметра реакционной  зоны не позволяет сделать однозначного заключения в пользу применения того или иного уравнения.

     Однако  относительно небольшие расхождения в величине показателей степени при Аr₀ в формулах различных исследователей говорят о возможности использования для приближенных расчетов любых из указанных уравнений.

     Преобразуем уравнение (2.12) с целью выделения  влияния отдельных параметров на размеры реакционной зоны.

     Уравнение диаметра при Ar_x>10, когда n=2/Ar_x^l/2 , будет иметь вид 

     

     (2.22)

 

      Из этого уравнения следует, что  наибольшее влияние на диаметр реакционной  зоны оказывает положение сопла  относительно поверхности ванны, а  также коэффициент динамики струи β, характеризующий структуру струи. Однако коэффициент β оказывает на диаметр реакционной зоны хотя и большое, но локальное влияние. Область этого влияния заключена в диапазоне 0<H/d₀<15.

     При Ar_x>10 глубина проникновения определяется уравнением, которое можно записать следующим образом:

     

       (2.23) 
 

     Уравнение показывает, что глубина реакционной  зоны в первую очередь зависит  от начальной скорости газа и диаметра сопла, влияние которых на глубину  одинаково, так как показатели степени  при w₀ и d₀ равны, а также от положения сопла и коэффициента р. Обращает на себя внимание четко выраженная связь глубины проникновения и отношения плотностей газа и жидкости.

     Рассматривая  влияние параметров продувки на геометрию  реакционной зоны и пользуясь  уравнением (2.22) можно прийти к следующим выводам:

  1 Глубина проникновения по сравнению с диаметром реакционной зоны весьма чувствительна к изменению параметров продувки Поэтому изменение этих параметров в первую очередь сказывается на глубине проникновения. В частности, это наблюдается на практике при изменении наложения фурмы относительно поверхности конвертерной ванны.

  2 Геометрия реакционной зоны зависит от структуры струи, причем влияние β на глубину и диаметр совершенно одинаково. Влияние изменения β наиболее выражено в области 0<H/d₀<15.

  3 Влияние изменения скорости газа на геометрию реакционной зоны аналогично влиянию изменения диаметра сопла.

  4 Изменение положения сопла относительно ванны при прочих равных условиях оказывает противоположное влияние на глубину и диаметр реакционной зоны: если глубина увеличивается с изменением H/d₀, то диаметр уменьшается, и наоборот.

  5 Диаметр реакционной зоны зависит от степени ассимилируемости газа в значительно большей степени,чем глубина.

     Из  полученных формул следует, что при удалении сопла от поверхности ванны глубина реакционной зоны уменьшается, а диаметр ее увеличивается. В предельном случае глубина реакционной зоны будет уменьшаться до нуля, а диаметр ее будет увеличиваться до максимального значения. При приближении сопла к поверхности ванны, наоборот, глубина реакционной зоны увеличивается, достигая максимума при H=0, а диаметр будет иметь минимальную величину. Эти результаты в качественном отношении согласуются с теоретическими и экспериментальными данными различных авторов [20—22 и др.]. Представлено влияние критерия Архимеда на положение сопла относительно поверхности ванны на величину диаметра и глубину реакционной зоны при продувке ассимилируемым газом — кислородом. Эти данные получены расчетом по уравнению (2.11). Ясно, что при изменении положения сопла и критерия Архимеда в одинаковой степени в области H/d₀>10 влияние положения сопла на изменение глубины проникновения более значительно. Этим широко пользуются в практике конвертерного процесса, где применяется управление ходом процесса с помощью изменения положения фурмы относительно ванны. 

     1.2.3 Особенности геометрии реакционной зоны при продувке через многосопловую фурму

     В настоящее время широкое распространение  получили многосопловые фурмы. Замеры динамических напоров, проведенные на моделях таких фурм [24, 25], показали, что пpи определенном угле наклона сопел к вертикали и расстоянии между ними имеет место смешение струй, что приводит в дальнейшем к формированию единой струи сложной формы, которая по мере удаления от среза фурмы постепенно приближается по форме к обычной осесимметричной струе. Конфигурация реакционной зоны в определенной степени связана с распределением эпюры динамических напоров струи на уровне поверхности ванны. Поэтому особенности, присущие многосопловым фурмам, должны накладывать отпечаток на размеры и форму углубления. При продувке через многополосовые фурмы с тем или иным наклоном сопел к вертикали воздействие струи на ванну вполне определяется вертикальной составляющей импульса единичной струи, равной 

     I_н = I₀ cos α. 

     Угол  наклона обычно составляет 8—10°. Различие в величине I_н и I₀ для угла 8—10° не превышает 1,5% и поэтому этим различием можно пренебречь. 

      На рис. 2.2 приведены данные по изучению проникновения струй, истекающих из одно- и многосопловых фурм [22]. Точки, отвечающие одно- и трехсопловой фурме, удовлетворительно располагаются вблизи общей кривой. Это говорит о том, что глубина проникновения струи газа в жидкость для трехсопловых фурм вполне определяется вертикальной составляющей импульса струи. По-видимому, для изучаемой трехсопловой фурмы турбулентные возмущения при смешении струй оказались развиты незначительно и они мало сказались на их аэродинамике.

     Для четырехсопловых фурм (рис. 2.8, б) глубина струи несколько больше по сравнению с тем, какой она должна быть при отсутствии смешения струи. При угле наклона сопел к вертикали 8—10° и принятом в опыте расстоянии между ними для четырехсопловой фурмы имеет место влияние взаимного смешения струй на характер их дальнейшего течения. Это проявляется прежде всего в более медленном затухании скорости по длине такой струи. Наличие повышенного значения скорости в месте встречи с ванной приводит к более глубокому проникновению в жидкость.

     Вместе  с тем различие в величине проникновения, хотя и заметно, однако не превышает 10%. Поэтому в первом приближении полученные выражения могут быть использованы и в этом случае. Если же угол наклона увеличить до 12—15°, то взаимное влияние струй отсутствует. Точки, отвечающие такой фурме, располагаются ближе к усредняющей кривой для односопловой фурмы. Поэтому для таких фурм глубина проникновения однозначно связана с вертикальной проекцией импульса единичной струи.

     Что же касается диаметра, то вследствие сложностей изучения этого вопроса при многосопловых фурмах данные по нему отсутствуют. В первом приближении диаметр реакционной зоны при многосопловой фурме определяется для каждой отдельной струи, как в случае односопловой фурмы. Если же отдельные струи сливаются в одну осесимметричную струю, то диаметр реакционной зоны в первом приближении можно рассчитать по формулам осесимметричной струи, введя в уравнение эквивалентный диаметр. Величина этого диаметра определяется из условия равенства площади поперечного сечения сопел одно- и многосопловой фурмы.

     Все приведенные выше теоретические  разработки влияния конструкции  фурмы на геометрию реакционной  зоны (поверхности контакта струи  кислорода с ванной) содержат ряд  общих положений.

     1. Наиболее важным из них является отмеченное выше положение о том, что аэродинамика газовой струи в жидкой ванне вполне определяется критерием Архимеда.

     2. Как в теоретических, так и в большинстве экспериментальных исследований не учитывали влияния поповерхностного натяжения и вязкости жидкости; пренебрежение молекулярными силами не вносит существенных ошибок в результаты исследования первичных явлений, так как эти силы на несколько порядков меньше импульса струи.

     3. В подавляющем большинстве полученные  зависимости являются сугубо  эмпирическими. Особенно это относится к уравнениям диаметра реакционной зоны, которые получены путем обработки опытных данных без каких-либо теоретических соображений. Исключением являются уравнения в работах [17, 26, 21], которые носят полуэмпирический или аналитический характер. При сравнении работ различных авторов выясняется, что их результаты недостаточно согласуются между собой. Иногда расхождения достигают 150—200%, что дает право сомневаться в достоверности методик, положенных в основу нахождения эмпирических уравнений.

     4. Кроме того, можно отметить, что  не существует формул для определения  поверхности контакта струй кислорода с металлом при продувке через многосопловые фурмы, а именно: не учитываются углы наклона сопел к вертикальной оси фурмы, а также углы раскрытия сопел Лаваля. 

     1.3 Разработка конструкции наконечника фурмы 

     Исходя  из всего выше сказанного можно заявить  о необходимости разработки методики расчета рациональной конструкции наконечника многосопловой кислородной фурмы. Методика должна быть основанной на площади поверхности контакта струй вдуваемого кислорода с жидкой ванной конвертера, позволяя рассчитать оптимальный угол наклона сопел к вертикали и их угол раскрытия.