Совершенствование фурмы для глубинной продувки расплава порошками и инертными газами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2001 р

Вип. №11

УДК 669.184.415

Ларионов A.A.*

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФУРМЫ ДЛЯ ГЛУБИННОЙ ПРОДУВКИ РАСПЛАВА ПОРОШКАМИ И ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ

Показано, что в наиболее распространённых конструкциях фурм трубчатого типа энергия сжатого газа в большей части не доносится до расплава. Используя модель неизоэнтропного равновесного течения в двухфазных соплах получено, что, если фурма в расплаве заканчивается соплом Лаваля, то при пневматическом перемешивании импульс и мощность истекающей струи увеличивается в 2 -3 раза.

В настоящее время на МК им.Ильича -75 % стали, выплавляемой в конвертерном цехе, проходит внепечную инжекционную обработку. Учитывая масштабы производства качественного металла на комбинате (и на других метзаводах), принципиально важно, чтобы в установках доводки стали в ковшах при пневматическом перемешивании весь потенциал сжатого газа доносился до расплава. Это сокращает время продувки или уменьшает расход дорогостоящего аргона, а при том же расходе улучшается качество стали. Как показано в работе [1] в зависимости от конструкции фурмы мощность и импульс втекающих в расплав струй может изменяться в десятки раз.

Принятые обозначения: р, р, Т - соответственно статическое давление, плотность и тем-

w

пература; w - скорость; R - газовая постоянная; п - показатель политропы; <р=-— - коэффициент

wt

скорости; Я =--приведенная скорость; ju - - пылевая загрузка; а - коэффициент потери

а Щ

кр }

полного давления; с2. ср\, cvl - соответственно теплоёмкости твёрдой фазы и несущего газа; fftj =рУг массовый расход несущего газа; тг — цпц -расход твёрдой фазы; тп = щ + т2 - массовый расход газовзвеси; wKp = акрр - критическая скорость. Обозначения индексов: 1 - несущая фаза; 2 - твёрдые частицы; 12 - дисперсный равновесный поток; 0 - параметры торможения; н, min, кр, к - соответственно начальное, минимальное, критическое и выходное (конечное сечение); t - теоретические параметры.

Конструктивные особенности фурмы. Для продувки могут быть использованы фурмы двух типов.

Тип первый - торец фурмы заканчивается трубой. Из-за невозможности создания - достаточной жёсткости трубы фурмы, которая из-за тяжёлой защитной огнеупорной футеровки силой Архимеда выталкивается из расплава, диаметр её значительно превышает необходимый

з

для пропуска малого расхода газа. Так, при расходе аргона, составляющим 60 - 100 мн /час используют фурмы внутренним диаметром ~ 0 30 мм., тогда как для подачи столь малого количества газа достаточно иметь 0 8-10 мм. Это несоответствие расхода сечению вынуждает оператора дросселировать газ в регулирующем вентиле, где теряется 0,4 - 0,5 МПа. Фактически перед фурмой поддерживается давление, равное противодавлению металла р0.с, = рк = рвт +Pugh ~ 0,32 МПа, .

' збс

МКим. Ильича, инж.

АЭРОСМЕСЬ

Если в фурму трубчатого типа затекает металл и образуется отверстие малого сечения, то энергия сжатого газа используется более полно. Но форма сопла - щели становится, естественно, неопределённой и коэффициент скорости (р такого канала не может быть высоким {<р ~ 0,6 - 0,7). Фурма трубчатого типа - самый простой аппарат для инжекционной продувки, но и самый не эффективный.

Тип второй. Так как даже при существенном заглублении в расплав в пределах фурмы создаётся сверхкритический перепад давления, то наиболее правильное конструктивное решение - в выходном канале установить сверхзвуковое сопло Лаваля (рис.1). В этом разгонном аппарате можно всю потенциальную энергию сжатого газа (р„» 1 МПа) полностью превратить в кинетическую энергию струи, истекающей на глубине к в расплав и, при прочих равных условиях, получить прирост импульса и мощности в сравнении с истечением из фурмы типа один. Методика расчёта двухфазного сопла. Рассмотрим вариант расчёта на примере упрощённой физической модели - неизоэнтроп-ного течения двухфазного равновесного потока при существенном постоянном противодавлении окружающей среды. Поток будем считать равновесным и однородным ("псев-догаз"). При использовании тонкоизмель-ченного порошка, особенно при большой парусности частиц и невысокой пылевой загрузке /л такое предположение вполне допустимо. Методика расчёта такого двухфазного сопла при неизоэнтропном истечении ещё не опубликована.

Рис.1 - Фурма для продувки расплава порошками

1- пылепровод; 2 - огнеупорный блок; 3 - сопла Лаваля; 4 - защитный колпак

Она включает следующие этапы.

Показатель политропы, выраженный через пылевую загрузку /л, представим в виде:

(1)

п = к~

1 + {л-

Температуру торможения, а так же давление и плотность заторможенного потока находили из уравнений энергии, политропы и состояния для "псевдогаза", записанных для начального сечения сопла

1 VУ2н(п- 1) ~ + £ О Г> ~ ; Р™

/ ,

2 тг,я

(М-

(2)

Зная давление в окружающей среде, куда истекает струя р„ = р,хс = рат » 0,32 МПа^

и задаваясь заведомо низким значением коэффициента потери полного давления в выходном

сечении сопла а„

0,65 получим, что, например при рон ~ 1,2 МПа и глубине погру-

жения в расплав И = 3,1 м

,, ч Рк /л я(М) =——~ < Я(Лкр) =

ркр _( 2 VI

(3)

Рои^к Рокр

т.е. обеспечивается сверхзвуковой перепад давления.

При таком режиме истечения для полного превращения потенциальной энергии сжатого газа в кинетическую энергию струн, втекающей в расплав, нужно применять сопло Лаваля,

В металлургической практике используются сопла низкого качества и не учитывать трение нельзя. В этом случае, как известно, критическая скорость достигается не в минимальном сечении, а в сечении несколько отстоящем от него по ходу потока. Тогда возникает необходимость рассчитывать три характерных сечения - минимальное, критическое и выходное.

Рассмотрим методику расчёта параметров двухфазного потока в характерных сечениях

сопла.

Минимальное сечение. Температура, относительная скорость, коэффициент потери полного давления, давление и плотность торможения, статическая плотность и скорость в этом сечении составляют:

т(л *

V п + 1.

V

Рш\л Р<зт 1«

Ро.

п +1

тт

Ртт

Р ■ ^ тт

1

У п +1 "Г

и-1

-Г-

ЛтгПп &кр.р > &кр.р - | /

2 п

V

(и +1) 0 + ^)

Кхт0 ; 1,128

т

1

12

р V/ тт тт

<4)

(5)

(6)

Критическое сечение. Скорость и диаметр в этом сечении, температура, коэффициент потери полного давления, давления торможения и статическая плотность рассчитываются аналогично:

и

я-1 1

/

7™-

и + 1

<Уур -

окр Ран

1-

П + 1 <р

кр

п +1

> Ро у.р Рон&кр> Ркр Ро кр я {Л-Х/Л >

(7)

= + 1 + ^); 1,128

Я».

12

К1Ткр

I Р >С к р к р

(8)

Выходное (конечное) сечение. Относительная (теоретическая и действительная) скорость, коэффициент потери полного давления, давление и плотность торможения, статическая плотность, скорость и коэффициент расхода в этом сечении составляют:

ДкГ

п +1

п

Г

я-1

1-

Р,

^Рон-

\ А: — <рЛг1, (Гц—-

(9)

Рок -

_«-!_ у-.

п + 1 V

я-1

1

Рк

(1+МУ,

л т р*

; Т0

(10)

(1+/4 с1к= 1,128

т

1

12

р М

При расчётном режиме полный импульс и мощность истекающей струи

1\2 = ¡"и™*=

00

(12)

(13)

2000

Достоверность расчётной модели может быть подтверждена следующим тестовым анализом. Если пылевая загрузка р => 0, то показатель политропы п к и все приведенные соотношения превращаются в хорошо известные выражения для чистого газа.

Расчёты были выполнены до следующим исходным данным: начальные параметры аэросмеси на входе в двухфазное сопло фурмы, расположенное в расплаве (р„ = 7000 кг /м3), составляют рн = 1,2 МПа, ?„= 40 и'„ - 65 м/с; срез сопла находится на глубине Л = 3,1 м; пылевая загрузка смеси р = 5 кг/кг; теплоёмкость твёрдых частиц с; = 0.65 кДнс /(кг-К); несущая среда - аргон, расход на одно сопло Уи = 50 м * /ч, которое во всех вариантах оставалось постоянным; режим истечения был расчётным {рК- рас)-

Как следует из рис.2, трение оказывает существенное влияние на геометрические характеристики сопла, а, значит, и на скорость истечения и1*. Например, если пылевая загрузка р = 10 кг/кг и коэффициент скорости <р 0,6, то диаметр в минимальном сечении с!тт = 7,2 мм. Если трение не учитывать (<р~= 1), то при тех же условиях диаметр снижается до с/т1„ = 5,5 мм.

м/с £Н ^¿Ет

1400 :0

0,8 0,9 9 0.6 0,7 0,8 Рис. 2 Рис. 3 Рис.2 - Влияние коэффициента скорости <р и пылевой загрузки р на диаметр сопла в минимальном сечении с1№)п и скорость на выходе из сопла и' к; __ ----№

Рис.3 - Зависимость импульса IК и мощности ЫК в выходном сечении сопла от коэффициента скорости <р при различной пылевой загрузке р.; I ; ---N.

Характерно, что чем больше загрузка р, тем сильнее влияние коэффициента <р на диаметр сопла в минимальном сечении 11т!П,

4 4

При постоянном расходе (V\ = const) увеличение трения, естественно, приводит к росту диаметра выходного сопла ¿4

Чистота поверхности сопла существенно влияет и на силовые характеристики струи в расплаве. Так, если <р увеличивается с 0,6 до 1, то в этих же условиях (// = 10 кг/кг) импульс истекающей в расплав струи возрастает с 5 до 20 Н, а мощность - с 0,7 до 2,2 кВт (рис.3).

Выводы

1. Фурма, заканчивающаяся соплами Лаваля, обеспечивает наименьшие диссипативные потери сжатого газа, который более эффективно используется при пневматическом перемешивании расплава в ковше.

2. При высокоскоростном течении потеря на трение в двухфазных соплах оказывает существенное влияние на диаметр сопла в различных сечениях, на скорость истечения, импульс и мощность втекающей в расплав струи.

3. При использовании технологии заглубленной продувки расплава в ковшах применение малозатратных методов - путь к совершенствованию технологии инжекционной обработки расплава.

Перечень ссылок

1. Ларионов А.А., Куземко Р.Д. Аналитические и экспериментальные исследования вдувания порошкообразных смесей в 160 т ковш // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту. 36. наук, пр,-Mapiymwib, 2000,- Вип 10,- С.33-39.

Ларионов Александр Алексеевич. Начальник конвертерного цеха, окончил Мариупольский металлургический институт в 1987 г. Лауреат Государственной премии 1999 г. Основные направления научных исследований - разработка технологий производства качественных сталей, включающих внепечную обработку расплава.

Статья поступила 12.02.2001