CC BY
37
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1999г Вып.№7
УДК 669.046.5-154:533
Найдек BJl.J
ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
Изложены результаты физического моделирования процессов обработки металлических расплавов при внедрении в них различных струй: газовой при криогенной. атмосферной и плазменной температурах, а также вихревой и сплошной самого расплава. Путем сравнительных исследований сделаны выводы, относящиеся к особенностям формирования зон внедрения струй, масштабам пульсаций размеров зон, глубинам внедрения струй, величинам газовых объемов, межфазных площадей и энергий перемешивания расплавов.
Обработка расплавленного металла струями газов как технологический прием - известна давно. Тем не менее, в каждом определенном литературном источнике рассматривается, как правило, один вид струй: либо по физико-химическим характеристикам, либо по энергетическому потенциалу. Поэтому представляют интерес сравнительные исследования газогидродинамики обработки расплава различными струями, основанные на общих методиках и подходах. Ограничившись с учетом технико-экономической целесообразности для металла массового использования методами газореагентной обработки рас плаве к, рассмотрели указанные особенности поведения струй сжиженного г«а (низкотемпературная струй), газа при атмосферном rev? пературе 293 К (холодная струя), i прь пламенной ne í вы с о К' >''см > ' е р л гу р i
;труя) и жидкое'] м с:шого расплав {их пси:; я к . у я ;
Низкотемпературные струн окижекмого кислорода пзама1 успешно uni,
^енмлжл- в пр:жккво ; : ь г м;цлогпвекой п-:,^íi и огтлглых ^.лоларпл^кх f-.чf.!.
веггорял [i]. !1редспшл wer интерес также ь мс;аллур1и1,сски\ ■lexno.noi и>?х при-
возных сжткеннмх газок при отс у ¡c i вин с с ;бсгвемКО! о произкодстна их, а также жидких аг-г* и азота для создания контролируемой атмосферы и защиты струи стали от окисления, и том числе при получении стальной дроби,
Холодные струи кислорода широко применяются практически во всех сталеплавильных процессах, хотя эффективное использование окислительного потенциала их не достигну!о. Этим были вызваны попытки осуществить глубинный и донный ввод кислорода в сталеплавильную ванну. Другим направлением применения холодных газовых струй является продувка расплавов стали, чугуна и цветных металлов нейтральными газами с целью гомогенизации и рафинирования их.
Высокотемпературные струи газа являются таковыми относительно температурного состояния металлических расплавов, фактически они представляют собой струи низкотемпературной (2000-10000 К) плазмы со степенью ионизации газа, не превышающей 10%. Такие струи применяются в плавильных печах, где плазмотроны являются источником нагрева, а также в установках внеагрегатной обработки расплавов заглубленными в них плазмотронами.
Вихревой способ обработки основан на использовании эффекта завихрения струи расплава при тангенциальном вводе его в воронку. При этом во внутренней полости вихревой струи создаются втягивающие усилия, куда можно подавать различные реагенты. Такой способ обработки расплава привлекателен тем, что для формирования вихревой струи не нужны дополнительные источники энергии. Он прошел опытно-промышленную проверку [2] при де-
1 ФТИМС НАН Украины, д-р техн. наук. проф.
сульфурации чугуна на выпуске из вагранки, доменной и индукционной печей и может быть применен в различных металлургических технологиях.
Структура зон внедрения струй в расплав
Изучению структуры зоны внедрения газовой струи в расплав, оказывающей решающее влияние на весь характер взаимодействия фаз, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей (например, [3 - 5]). Однако в связи с применением таких струй (вихревой, низко- и высокотемпературных), особенности поведения которых при заглублении в расплав ранее не изучались, понадобилось провести специальные исследования. Использование в ходе их выполнения оригинальных методик позволило выявить новые структурные особенности зон внедрения, в том числе и для холодных газовых струй.
Применив традиционный метод описания движения потоков жидкости и газа системой уравнений Навье-Стокса, неразрывности и краевых условий равенства на границе газ-жидкость скоростей, сил трения и давления, определили масштабы геометрического и физического подобия. Структуры зон внедрения изучали на универсальной моделирующей установке, приспособленной для проведения холодного и горячего (570...720 К) моделирования процессов без ассимиляции и химического взаимодействия вещества струи с расплавом. Воду, бромоформ и эвтектический селитровый расплав СС-4 продували азотом, воздухом и водой через охлаждаемые фурменные устройства сверху и снизу или плазмотроны. Для фиксирования наблюдаемых процессов использовались стробоскопическое освещение, фото- и киносъемка.
При подаче холодной или высокотемпературной газовой струи сверху, когда сопло находится на некотором расстоянии от поверхности расплава (рис. 1, а), взаимодействие газа с
Рис. 1 - Схемы зон внедрения различных струй в расплав.
расплавом характеризуется как гидравлический удар струи об упругую поверхность. В расплаве образуется открытая каверна с интенсивно пульсирующей границей, а на поверхности расплава возникает стоячая волна. При больших расходах газа, которые имеют место при продувке
сталеплавильной ванны кислородом, стоячая волна сильно деформируется и под действием высокоскоростного движения газа в обратном потоке разрушается с отрывом большого количества пленок и брызг. Вследствие интенсивных пульсаций поверхности каверны, характерных для турбулентных течений, происходит отрыв газовых пузырьков от потока и внедрение их в близлежащие слои расплава с образованием эмульсионного участка зоны внедрения.
При глубинной подаче газовой струи в расплав сверху (рис. 1, б) зона внедрения имеет несколько участков: основной, эмульсионный и обратный потоки. Основной поток обладает свойствами, присущими затопленным струям, осесимметрично расширяется в направлении течения. При этом наблюдается вовлечение жидкости из вышерасположенных слоев расплава в основной поток и дробление ее на капли. Экспериментально определенный угол конуса, представляющего собой внешнюю границу основного потока, для систем с различными физическими свойствами практически одинаков и составляет 22...26°, что соответствует такому же значению для свободных турбулентных струй [6].
На той глубине, где кинетическая энергия струи полностью преобразуется в потенциальную, соответствующую геометрическому напору столба жидкости, происходит дробление объема газа на отдельные пузыри, которые продолжают опускаться вглубь жидкости, образуя эмульсионный поток. Это явление объясняется воздействием сил поверхностного натяжения. Как показали наблюдения при стробоскопическом освещении, процессу образования пузырей сферической или овальной формы предшествует распад объема газа на фрагменты осколочной формы с выпуклой поверхностью, направленной вглубь жидкости, При сфероидизации фрагментов происходит сокращение поверхности и выделение энергии, под воздействием которой пузыри опускаются вглубь жидкости.
Вследствие интенсивной турбулизации основного потока на его поверхности образуются крупномасштабные турбулентные вихри. Отрываясь от этой поверхности и изменяя за смет выталкивающей силы направление л в иже ни я на противоположное > они поднимаются вверх и образуют обратный поток газа. Другими словами, возникновение обратной.1 потока зоны вне-дречи.ч заглубленной в расплав газовой ор>и происходит ~е зслсдстрис ?илравлическо!о улара. а в результате потери адасоы с попермчости осноэгкмо тточа, Структ>пй --гр.. п! ч о потока представляет собой сильно пульсирующее на гр^ычпд- <: шеплньом разрывное течение газа. Поэтому при высокочастотном сфобоекоплчеоком лове шепни в чине обратного потека наблюдаются характерные линии плотностей типа интерференционных полое с одинаковым расстоянием друг от-друга. Исследования показали, что для различных сопел и значений давления перед соплом, а также для различных жидкостей на холодных и горячих моделях скорость подъема газа в обратном потоке остается одинаковой по высоте, зависит от величины выталкивающей силы и равна 0,3...0,8 м/с, что соответствует скорости подъема отдельных пузырей больших размеров [7].
Истечение газа в расплав снизу может происходить в пузырьковом или струйном режимах. При пузырьковом течении с минимальной скоростью (менее 0,5 м/с) под воздействием лобового сопротивления и трения оторвавшееся от среза сопла большое включение деформируется и оказывается в метастабильном состоянии относительно сил поверхностного натяжения, что и приводит к распаду его на отдельные фрагменты различной формы (рис. 1, в). Всплывая, они приобретают сферическую или овальную формы в зависимости от размера. При повышении скорости истечения помимо больших включений вблизи среза сопла образуются также мелкие сферические пузыри, количество которых возрастает по мере перехода к струйному режиму,
Как и при подаче сверху, поток газа при струйном режиме (рис.1,г) также обладает свойством потери массы, вследствие чего образуются два участка: основной и эмульсионный потоки. Основной поток обладает свойствами свободной затопленной струи с углом раскрытия 24...26°, его длина увеличивается с повышением расхода газа вплоть до выхода канальным путем на поверхность расплава. При достаточной глубине ванны расплава основной поток заканчивается скачком уплотнения с распадом на такой глубине, где исчерпывается внешнее воздействие на струю. Образование эмульсионного потока происходит вследствие периодического отрыва от основного потока поперечных крупномасштабных турбулентных вихрей, которые поднимаются параллельно основному потоку, увлекая за собой близлежащие слои расплава. Интенсивные пульсации вихрей и трение вызывают отрыв от них более мелких сферических
пузырей. В месте полного распада основного потока все сечение струи занимает эмульсионный поток диаметром 25...30 калибров сопла. Дальнейшее движение распавшейся струи происходит без значительного увеличения ее диаметра.
При определенных параметрах струйного истечения газа в расплав снизу, повышенная частота пульсаций образующегося у среза сопла включения и сильная деформация его поверхности вызывают одну из разновидностей кавитации - отрыв от включения большого количества мелких диаметром 0,1...2 мм сферических пузырьков, значительная часть которых опускается вниз, т.е. в сторону, обратную направлению движения газа в струе. Это явление, отмеченное и другими исследователями, объясняется "обратным ударом" в режиме истечения недорасши-ренной струи. Это объяснение следует только дополнить указанием на значительное влияние сил поверхностного натяжения по механизму, описанному при формировании эмульсионных потоков. При повышении давления газа свыше 0,7 МПа в условиях моделирования образование пузырей с обратным направлением движения прекращалось.
В процессе формирования структуры зоны внедрения в расплав низкотемпературной струи решающим является фактор фазового превращения вещества струи под воздействием очень большой разности температур расплава и струи. При внедрении низкотемпературной струи в расплав сверху (рис. 1, д) происходит быстрое испарение вещества струи с образованием крупного включения, состоящего из жидкого ядра и паровой оболочки. Всплывая и увеличиваясь в объеме в результате гидростатического давления и испарения жидкой фазы, включение достигает значительных размеров, превышающих в диаметре 100 калибров сопла. По мере увеличения объема этого включения уменьшается теплоприток к непрерывно поступающей в него струе испаряющейся жидкости, в результате чего создаются условия, при которых основная струя низкотемпературной жидкости простреливает включение, и в более глубоких слоях расплава начинается формирование нового гззожмд костного включения. Параллельно с описанным пропоссом происходит такжч- образование эмульсионного потока из пузырей, отделившихся от больших ~ ключей ий при уурпулентном движении газа в них. Гак как процесс испарения г.ип^ств'; 'н:зкогс лператур1|'--ь с [рч 1-; ! р.л'.л о.лгг очень быстро, имея взрывной характер, ч-аюгл л-е-*, и■ , .п.-зссх размеров зоны внедрения.
П;м гто;:.;цле кичк? • ¡лмп^п"' * >опой с/"рун а расплав снизу (рис. Ка) также имеет место -".г:; , " .г ?. • \ч\-> > ьключений. При достижении высоты, но ко-
торой ч.тчч-'лк.г-оч- 'и--: с ; болыпе скорости поступающей в него жидко-
сти, происходи-: <тф!--Р, с^'о о] стп\^: с ^;-5разова1!нем в месте отрыва большого количества мелких пузырей. Дальнейший подъем включения сопровождается увеличением его диаметра в 1,5-2,5 раза, одновременно происходит сильная деформация его поверхности, в результате чего также образуются мелкие пузыри.
Вихревая струя формируется на выходе из воронки, в которую жидкость подводится тангенциально. Истекающая из воронки струя названа вихревой, поскольку на значительном протяжении она наследует приобретенное в воронке вращательное движение расплава и осевой разрыв сплошности потока. В сформированной вихревой струе внутренняя полость имеет четко обозначенный контур, геометрические параметры которого зависят только от диаметра сливного отверстия и расхода жидкости (р). При правильно выбранном соотношении диамефа сливного отверстия и максимального расхода жидкости (С>тах) обеспечивается устойчивая работа вихревой воронки при колебаниях расхода жидкости в пределах 0 = (0,6... 1,0) Отал.
Для вихревой струи выделены и исследованы на модели два принципиально разных случая внедрения струи в ванну расплава: с расположением сливного сопла над поверхностью ванны (Ь > 0) и с заглублением его в ванну (Ь < 0). В первом случае образующийся на выходе из сопла полый пленочный конус жидкости может дробиться на фрагменты и капли или, не распадаясь, замыкаться с поверхностью ванны, что при прочих равных условиях зависит от величины И. При этом (рис. 1, ж) в объеме расплава образуется сравнительно неглубокая тороидальной формы эмульсионная зона внедрения: с изменением расположения сопла от состояния распада струи (И = 7 калибров) до замыкания пленочного конуса с поверхностью расплава (3 калибра) глубина зоны внедрения увеличивается от 2 до 4 калибров, диаметр ее практически не изменяется и составляет 6-7 калибров сопла.
Для второго случая на рис.1,з показана схема типичной зоны внедрения вихревой струи при небольшом заглублении сливного сопла в ванну расплава (Ь - -1 калибр). Разрыв сплошно-
сти потока проникает на значительную глубину в 2...4 калибра в виде газовой каверны, ниже которой вплоть до глубины в 20 калибров распространяется вращательное движение расплава. Так как в такой системе центробежная сила, сравнительно небольшая для данных сопел, быстро компенсируется сжимающим усилием гидростатического напора, диаметр зоны внедрения, как и в случае сплошной падающей струи, не превышает 4-5 калибров сопла.
При расположении сливного отверстия вблизи поверхности расплава (Ъ = 0) описанная схема структуры зоны внедрения осложняется интенсивным вовлечением газовой фазы в расплав вдоль внутренней и наружной поверхностей пленочного конуса, при этом диаметр зоны увеличивается до 6-7, а глубина уменьшается до 8-10 калибров сопла.
Параметры взаимодействия струй с расплавом
Одним из результатов взаимодействия расплава с веществом внедренной в него струи является частое неспровоцированное изменение размеров зоны внедрения в виде пульсаций. Метод наблюдения при стробоскопическом освещении и скоростная киносъемка на прозрачных моделях позволили определить параметры пульсаций.
Хотя пульсации имеют довольно хаотичный характер, статистической обработкой кинограмм установлено, что их частота по глубине и диаметру зоны для различных струй является практически одинаковой и в среднем составляет 17 1/с. Величины амплитуд пульсаций определили как отношения среднемаксимальных и среднеминимальных значений глубины (Нта.х/11тт)иДиаметРа(Отах / Ит¡п) зоны внедрения (табл. 1).
Так как зоны внедрения различных струй сверху являются открытыми для выхода газов через
поверхность расплава, нульсаци-онные изменения диаметра зоны слабо зависнг от состояния вещест-ва струи и определяются Н ч.Н( Ч гидростатическим напором. Наиболее интенсивные пульсации по глубине зоны наблюдаются у низкотемпературной струи, что соответствует описанным выше представлениям о формировании структуры зоны внедрения ее в расплав. Используя другой метод оценки масштаба пульсаций, установили, что максимальное отклонение от среднестатистического значения глубины зоны внедрения составляет: для холодной струи 25 %, низкотемпературной - 70 %, высокотемпературной - 15 %.
Относительную (Н/с1) глубину зоны внедрения струй, заглубленных в расплав сверху, определили в зависимости от величины критерия Архимеда. Для всех газовых струй использовали выражение(1)1(при этом для высокотемпературной струи расчет также выполняли по холодному газу:
Таблица 1 - Отношения среднемаксимальных и среднеминимальных
Вид струи Холодная -------Ч-----1 н / Н 1 О 1 о - П13 X ' 1! Г' ! Г7! Л X" Л"! г Г]
\2 ; Кб !
, Низкотем ¡¡ературная 2.08 К?8
! Высокотемпературная IЛЗ | 1.36
Агг =
©г - Р]
0)
-Рг)
В случае низкотемпературной струи считали, что в расплав внедряется газифицированная струя и определяли число Архимеда по выражению:
2
Агг =
©
ж
(Рж +Рг)
8'<КРр - Рж -Рг)
где (о^сйг - скорости истечения низкотемпературной жидкости и газа; р»;рг,рр- плотности низкотемпературной жидкости, газа и расплава;
д., g- диаметр сопла и ускорение свободного падения.
Все полученные зависимости (табл. 2) имеют вид монотонно затухающих кривых, отмечено некоторое различие результатов при моделировании внедрения холодной струи с использованием воздуха и аргона. При одинаковых числах Архимеда относительная глубина зоны внедрения увеличивается в ряду; холодная - низкотемпературная - высокотемпературная струя. У низкотемпературной струи этот показатель в 3 раза больше, чем у холодной газовой, однако с учетом соотношения диаметров сопел для их ввода абсолютная глубина зоны внедрения низкотемпературной струи на 40 % больше. Для этих струй при увеличении глубины погружения сопла в расплав на 1 калибр глубина зоны внедрения, отсчитываемая от среза сопла вниз, уменьшается в среднем на 0,4-0,5 калибра, однако в целом глубина проникновения струй в расплав безусловно увеличивается.
Таблица 2 - Формулы для определения глубины зоны внедрения ( Н/с!)
Вид струи Формула
Холодная (воздух) 3,08-Аг^302 (3)
Холодная (аргон) 2,24 ■ Аг?42 (4)
Низкотемпературная 9,4 - Аг£3 (5)
Высокотемпературная 4,27- Аг?'52 (6)
Струя аргона в в ь»с о коте м пер а ту р к о м состоянии образует в расплаве зону в 2-3 раза 6о ,(.•„• глубокою, -и и в голодном. Эти данные, как и формула 6, справедливы для среднего ра-бочегII ' Г'Ч'...;! подвозимой х плазмотрону электрической мощности =• ко" ;. ' моаг»!0~тн неизменном расходе аргона глубина зони рнедре-
^ ^перл; пнол ^ ; ру. а * а< увеличивается по выражению: -■■'г •! - : У : л, ':/.;'"> лет;, у...-;< и-чме нагрева расплава с интенсифл¡садней обр.-1-
').' и г' ■ • ■-п.- и ; (« -.Ми-КмО О1'V. : ц,;;-, 5 ;рч . лидах сгруй.
! к■-!!•: эффективность решения н \н-.\:сп>чсск>»\ задач в значительной степени определяется иемичпна^и чежфазной поверхно-сгн и объема, :*аьимаемого газом г. зоне внедрения струи в расплав, выполнили оценку их при разных числах Архимеда (рис. 2). При всей условности данных, подсчитанных по кинограммам зон внедрения, такая оценка позволяет выполнить сравнительные исследования и выявить, в частности, преимущества глубинного ввода струй в расплав, а также подачи их в высокотемпературном состоянии. Хотя при истечении холодной струи над расплавом в зоне внедрения пузыри совсем не образуются (табл. 3) при неразвитой межфазной поверхности, объем газа в каверне за счет эжектирова-ния из атмосферы даже несколько больше, чем при глубинном вводе холодной струи.
Так как общая глубина расплава оставалась неизменной, повышение Аг для холодной струи, подаваемой снизу, не привело к увеличению объема газовой фазы, а развитие межфазной поверхности происхо-
Рис..2 - Изменение величин межфазной поверхности Б и объема газовой фазы V (пунктир) в зоне внедрения в зависимости от числа Архимеда при разных способах подачи газовых струй в расплав:
1 - над поверхностью (1т=20-40 калибров); 2 - глубинная ; 3 - донная; 4 - глубинная высокотемпературная (аргон); 5 - глубинная (аргон).
дило главным образом за счет искривления поверхности каверны.
Таблица 3 - Соотношение (%) межфазных поверхностей и объем газовой фазы в каверне (числитель) и пузырях (знаменатель) зон внедрения струй в расплав при Аг = 5000
Параметр Вид струн (номера кривых на рис. 2)
1 2 3 4 5
Поверхность (5) 100 78,0 99,8 75,4 79,4
0 22,0 0,2 24,6 20,6
Объем (V) 100 96,1 99,8 92,6 93,5
0 3,9 9,2 7,4 6,5
Высокие значения Б у донной струи объясняются тем, что в отличие от остальных она пронизывает всю глубину расплава.
У высокотемпературной струи Б и V соответственно в 2-3 и 1,3-4,5 раз больше, чем у холодной. Начинается процесс дробления высокотемпературной струи при значительно меньших значениях давления и расхода аргона, чем у холодной струи. А при рабочих параметрах истечения межфазная поверхность и объем газа в эмульсионном потоке высокотемпературной струи соответственно в 3 и 5 раз больше, чем холодной. Высокие значения Б и V высокотемпературной, донной и глубинной струй свидетельствуют о возможностях осуществления интенсивных и экономичных процессов взаимодействия фаз в расплаве.
Учитывая специфику задач ковшевой обработки расплавов струями нейтрального газа, исследовали влияние отдельных особенностей глубинного ввода холодной струи на гомогенизацию расплава. Моделирование обработки стали проводили на модели сталеразливочного 300-тонного ковгпа, выполненной в масштабе \ :\ 1,5. Аэродинамическое подобие условий приближенного моделирования соблюдши! исходя из равенства безразмерного нмлузьеа струи ' для модели и образна. Продолжительность гомогенизации жидкости заглубленной струей воздуха определяли по времени установления постоянной величины водородного потенциала жидкости, изменяющегося в результате ввода на поверхность воды нескольких капель соляной кислоты. Электроды иономера ЭВ-74 устанавливали в жидкости на противоположной стороне от места ввода кислоты.
Основным результатом этих исследовании является сделанный вывод о нецелесообразности погружения сопла ниже 0,6 высоты расплава в ковше. Более значительное, чем отмечено, погружение сопла слабо влияет на интенсивность гомогенизации расплава и приводит к повышению давления газа, более быстрому износу продувочной фурмы и огнеупорной кладки ковша. При установке вертикального сопла на расстоянии, равном 0,5 радиуса от оси ковша, продолжительность перемешивания минимальная. Для трехсопловых фурм наибольшая интенсивность перемешивания наблюдается, когда угол наклона струи к вертикали составляет 30°. Повышение расхода газа в 4 раза приводит к уменьшению продолжительности гомогенизации расплава всего в 1,8-2 раза, что согласуется с данными других исследователей.
Обработка расплава газовыми струями, помимо отмеченных эффектов, характеризуется также образованием брызг и выплесков. Это, с одной стороны, приводит к развитию межфазных поверхностей, а с другой, может стать причиной дополнительных потерь металла и снижения стойкости огнеупорной футеровки агрегатов. Процесс брызго- и выплескообразования исследовали на универсальной моделирующей установке: брызги горячего расплава улавливали водоохлаждаемой ловушкой, холодные струи газа вводили в расплав сверху через сопла диаметром 1-3 мм.
При истечении газа с критической скоростью максимальное брызгообразование наблюдается при расположении сопла вблизи поверхности расплава, при уменьшении расхода газа в 1,5 раза уровень максимума понижается в 3 раза, а диаметр брызг уменьшается с 4 до 1 мм. При подъеме сопла над поверхностью расплава брызгообразование и размер брызг неуклонно уменьшается. Такой же процесс наблюдается при погружении сопла в расплав, однако, начиная
с заглубления в 5...20 калибров (в зависимости от расхода газа), интенсифицируется выплеско-образование с выносом в атмосферу значительных масс расплава.
Так как главным технологическим назначением вихревых воронок является обеспечение ввода различных добавок в объем расплава, определили время контактирования фаз в вихревой струе по сравнению со сплошной. Исследования, выполненные с помощью электроконтактных устройств, показали, что время пребывания твердой частицы в вихревом потоке определяется расходом жидкости, поскольку изменение этого параметра для конкретной воронки сопряжено с соответствующими изменениями окружной и осевой составляющих скорости струи. Так, уменьшение расхода жидкости с 1,5 до 0,75 • 10'3 м/с приводит к увеличению времени пребывания частицы в потоке с 2 до 5 с. Время контактирования фаз для сплошной свободно падающей струи в одинаковых условиях составляет 0,35-0,45 с, что на порядок меньше, чем для вихревой струи. Более продолжительное время контактирования фаз в вихревой струе является существенным преимуществом с точки зрения полноты их взаимодействия. Столь же важной является степень турбулизации расплава, которая значительно выше у вихревой струи, поскольку для нее число Рейнольдса также на порядок больше, чем для сплошной.
Наряду с вводом жидких и твердых добавок важным эффектом взаимодействия вихревой струи с объемом расплава является вовлечение в него газа. Исследования аэрационных свойств вихревого потока выполнили на моделирующей установке, оснащенной газовым счетчиком для определения количества воздуха, эжектируемого через внутреннюю полость вихревого потока. Наиболее интенсивно воздух вовлекается в объем расплава (рис. 3) при расположении сливного отверстия вблизи поверхности ванны (h = 0,01...0,03 м), когда пленочный конус смыкается с ней. При значительном подъеме сливного сопла над поверхностью ванны и заглублении его в расплав количество вовлекаемого в расплав газа резко уменьшается.
Максимальное отношение объемных расходов через воронку эжектируемого газа и расплава ^/Ор)соетавдяст 0,13 для сливного сопл?, .длиной Í3 калибров и может быть повышено до 0,16 ^а счет уменьшения длинь> осл л а в л вое. При этом характерной особенностью зоны внедрения струи ,!чл>л »с то чк> пллгоч^лй .конус расплава распространяется вглубь ванны, не смыкаясь, и -лгутри него -;л глубжч- ■калибра ЛсАолится газожидкостный объем. Остальная Члсть вовлеченного в расгллш газа в в и .г пузырей диаметром 1-3 мм перемещается вихревыми потоками p.H'ís и н:-* ¡¡ерифер лл г ш-.^. л '»ei показал, что образующаяся в этом случае меж-фазная поверхность в 8,3 рдза ичлого показателя при глубинной продувке рас-
плава холодной газовой струей. Ьще более интенсивная обработка расплава газом может быть осуществлена путем принудительной пода ли его во внутреннюю полость вихревого потока. В результате экспериментов на модели установлено, что не нарушая режима течения вихревого потока, принудительно можно увеличить Qr/Qp до 3,8-2,0; при этом весь газ распространяется в объеме расплава в виде пузырей и межфазная поверхность в 5-6 раз больше, чем при глубинной подаче холодного газа с таким же расходом через фурменное устройство.
Gr 10~3
Рис.3 - Зависимость расхода эжектируемого в вихревом аппарате газа С?г от положения сопла относительно поверхности расплава при различных расходах расплава Ор-10'3, м3/с: 1-1,25; 2-1,0; 3-0,85; 4-0,67.
Оценивая практические возможности использования вихревых струй для обработки расплавов, необходимо классифицировать соответствующие устройства в зависимости от расположения сливного сопла относительно поверхности расплава. При помощи вихревого аппарата В1, сливное сопло которого расположено высоко над поверхностью ванны расплава (Ъ » 0), возможно осуществить капельное рафинирование, принудительная подача газа целесообразна для создания контролируемой атмосферы, а также для интенсивного ввода его в расплав на финишном этапе слива, если пленочный конус смыкается с поверхностью ванны. В аппарате В2 можно выполнить все виды глубинной обработки расплава (Ъ « 0) добавками и газами в широком диапазоне расходов. Разновидностью этого способа обработки является стационарное расположение сливного сопла вблизи поверхности ванны, которое характеризуется максимальной эжектирующей способностью вихревого потока и практически может быть осуществлено в условиях непрерывного потока расплава.
Следствием существенного отличия структур и значений параметров зон внедрения различных струй в расплав является разная эффективность газо-гидродинамического перемешивания его, которую оценили в величинах мощности. Понимая под перемешиванием перемещение вещества расплава и пренебрегая незначительными и близкими для различных струй энергетическими потерями, разработали методику обобщенной оценки мощности перемешивания (К Вт) как суммы составляющих: N = N1 + N2 + N3.
Мощность (N1), вводимую в расплав за счет кинетической энергии струи, определили (табл. 4), исходя из предположения, что кинетическая энергия заглубленных струй полностью расходуется на перемешивание расплава. Мощность (N2) изменения объема газовой фазы определили по формулам изобарического процесса, а для случая испарения сжиженных газов использовали выражение изотермического процесса. Мощность (N3) пульсационных изменений параметров зон внедрения струй определили как ''поршневой эффект". Не учитывали изотермическое расширение всплывающих пузырей и ассимиляцию активных газов расплавом, так как эти последствия взаимодействия не могут оказать существенного влияния на результат сравнительной оценки.
В табл. 4 обозначены: Ти Р; ■■ тс-л терт ура и деление ь зоне в^е.тренше; Г:, \\ - температура и давление в соппе: Ь,,. Ь) - высота падения струи лнеплава в л я, чале м в конце слива; р:~ коэффициенты, учитывающие потерй энергии па участке патеь'ия сгруи и в ьихреюм аппарате; а, Ь - коэффициенты расхода газа, поступающего в расплав здоль наружном а внутренней поверхностей струй расплава; УЖЛГК - объем сжиженного и испарившегося газа при температуре кипения Тк; Нтах? О^пах,, Нт2П) среднемаксимальные и среднеминималъ-ные значения глубины и диаметра зоны внедрения при пульсациях с частотой Ч'.
Таблица 4 - Формулы для определения составляющих мощности перемешивания расплава струями
Вид струн
Холодная и высокотемпературная Низкотемпературная Вихревая и сплошная
N1 к-\ к ( Р\*~ к-1 Р2) 0,65—(Р2-Р1) (8) Рж ( } Р1 |Ь(1Ь + р2ИЬ (9) V К )
N2 ±КС(Т1 -Т2) (10) аоГтк + т. ~ т21 (11> 1 Уж V (а + Ъ)ЯС(Т,-Т0^ (12) * Рр
N3 ^(НтахРтах " Нтт°тт) О3)
*) + для холодной, - для высокотемпературной струй.
При определении мощности перемешивания (табл. 5) использовали результаты проведенных расчетов и физического моделирования с соответствующим пересчетом по масштабам
подобия. Массовый расход (О) принят для газовых заглубленных струй, равным 1 • 10° кг/с, а для вихревой и сплошной - 12,5 кг/с. Для холодной струи в числителе скорость истечения газа соответствует звуковой (кислород), в знаменателе - дозвуковой (аргон). Для низкотемпературной струи в числителе принято истечение сжиженного кислорода, в знаменателе - смеси сжиженного (70 %) и газообразного кислорода. В вихревой поток аппаратов В1 (числитель) и В2 (знаменатель) осуществляется принудительная подача газа.
Мощность перемешивания расплава заглубленными газовыми струями увеличивается в ряду: холодная - низкотемпературная - высокотемпературная струя. Частичное испарение сжиженного газа до истечения в расплав приводит к снижению интенсивности перемешивания расплава. Для вихревой и сплошной струй необходимо отметить высокую долю мощности, вносимой за счет изменения объема газовой фазы, поступающей со струей в расплав.
Таблица 5 - Мощность перемешивания расплава различными струями, Вт
Вид струн N2 N3 N
Холодная 44,3 423,2 28,0 495,5
38,0 344,2 28,0 410,2
Низкотемпературная ол 583,5 112,8 696,4
15,5 499,3 83,0 597,8
Высокотемпературная 470,4 172,2 70,4 713
1 Вихревая 135,3 4612 597,5
; 165 1706 1871
К л • 2 ! 10? 6 -.„ -,------.--,-п-- ----- 1 1 ¡37.3 - —,...-.., ... -------- ,
С > л»;(. . показателя N имеет аппарат В2 с Принуди-
те. К :<>!> !-ч . р. • ... Г-.>-:» ¡'\-'1 о К
Используя методы физического моделирования и расчетов, выполнили сравнительные исследования поведения в холодном и "горячем" расплавах холодных, вихревых, низко- и высокотемпературных струй газов и жидкостей и получит и следующие основные результаты:
- объяснены особенности формирования отдельных участков зон внедрения для 8 вариантов подачи струй в расплав;
- для струй, заглубленных в расплав сверху, определены параметры пульсаций основных размеров зон внедрения и установлено, что наибольшая величина пульсаций наблюдается в случае низкотемпературной струи, что объяснено фазовым превращением ее вещества;
- установлено, что при одинаковых числах Архимеда относительная глубина зон внедрения заглубленных струй увеличивается в ряду: холодная, низкотемпературная, высокотемпературная струя;
- выполнена оценка величин внешней межфазной поверхности и объема, занимаемого газом, в зоне внедрения, по данным которой выявлены преимущества глубинного ввода струй в расплав, а также подачи их в высокотемпературном состоянии;
- установлено, что максимальное вовлечение газа, равное 16 % объемного расхода расплава, обеспечивает вихревой поток, истечение которого происходит вблизи поверхности расплава; путем принудительной подачи газа в вихрь соотношение объемных расходов газа и расплава можно увеличить до 200 %, а межфазную поверхность в зоне внедрения в 5-6 раз по сравнению с глубинным вводом холодной струи газа;
- разработана методика обобщений оценки мощности газогидродинамического перемешивания расплава струями, по результатам расчета для большинства струй выявлен преимущественный энергетический вклад изменения объема газовой фазы, что особенно существенно для низкотемпературной струи. Мощность перемешивания расплава заглубленными газовыми струями увеличивается в ряду; холодная, низкотемпературная, высокотемпературная струя.
Перечень ссылок
1. Перелома В.А., Найдек В.Л. Жидкий кислород в производстве стали.- К.: Наук, думка, 1984,- 204 с.
2. Вихревая струя расплава и взаимодействие ее с ванной / В.Л. Найдек, В.А. Перелома, Г. Ф.Петров и др.// Процессы литья, - 1990,- № 2,- С.4-11.
3. Явойский В.И. Теория процессов производства стали. - М.: Металлургия, 1967.-792 с.
4. Марков Б.Л. Методы продувки мартеновской ванны. - М.: Металлургия, 1975,-280 с.
5. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса. - М.: Металлургия, 1975.-375 с,
6. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969. 82 с.
7. Левич В.Г. Физико-химическая гидромеханика. - М.: Изд-во АН СССР, 1952. -538 с.
Найдек Владимир Леонтьевич, доктор технических нэук, профессор. пкадемнк HAH Украины, Лауреат Государственной премии Украмн^г в области пауки и техники, заслуженный деятель кауки и техники Украины.
Окончил в '959 году металлургический факультет Национ^ь^ого технического университета «КИИ», где работал ассистентом и доцентом
С 1968 года работает в Физико-технологическом институте металлов и сплавов (бывший Институт проблем литья) HAH Украины старшим научным сотрудником, заведующим лабораторией и отделом, заместителем директора по научной работе, директором института.
В.Л. Найдек - ученый в области металлургии и материаловедения, основным содержанием его творческой деятельности является повышение качества и эксплутационных характеристик сплавов массового назначения, а также синтезирование новых материалов путем создания ресурсосберегающих, экологически чистых процессов обработки расплавов. Научная направленность работ В.Л. Найдека - исследование термодинамики и тепломассообмена в жид-кометаллических системах при провоцировании в них физико-химической неравновесности вследствие использования новых эффективных внешних воздействий.
