Характеристика и газодинамика кислородных струй сталеплавильных агрегатов

Выше описаны (глава 2, § 3) основные сведения о характере окислительных процессов, протекающих, в сталеплавильных агрегатах при продувке ванны кислородом. Эти процессы, несомненно, имеют наибольшее значение при плавке в кислородных конвертерах - поэтому большой интерес и значение представляют исследования, выполненные под руководством В.И. Баптизманского [72,73].

Истечение дозвуковых газовых струй и их характеристики хорошо исследованы газодинамиками и приведены в ряде работ [73, 74, 76]. Наибольший теоретический и практический интерес представляют следующие данные:

1. Средняя скорость истечения газовой струи, рассчитываемая как скорость адиабатического расширения через сопло.

3. Распределение локальных скоростей течения газа по поперечному сечению струи и величины динамических напоров газа по разным участкам этого сечения.

4. Угол раскрытия струи при ее выходе из сопла.

5. изменение скорости газа на оси струи в функции расстояния от среза сопла (выраженного обычно в калибрах).

6. Размеры и форма участка встречи газовой струи с металлической ванной.

7. Энергия перемешивания металла дозвуковой струёй и др.

Эти вопросы подробно изложены в перечисленных выше источниках. Здесь приведены только некоторые, типичные для современного конвертерного процесса, особенности газодинамики кислородных струй.

Прежде всего отметим, что в связи со стремлением к повышению интенсивности продувки металла при возможном ограничении размеров газопроводов и фурм, ряд заводов перешел на применение сверхзвуковых кислородных струй, характерные особенности которых изложены ниже. Истечение кислорода со сверхзвуковыми скоростями обеспечивается при использовании расширяющихся сопел, близких по форме к соплам Лаваля.

Основным параметром, определяющим характер истечения струи газа из сосуда, является отношение давления в сосуде сжатого газа – Р_о к давлению в окружающей среде Р_н, т.е. N=P_o/P_н. При некотором значении N (обозначим его через N_*.) скорость газа в критическом сечении сопла, из которого этот газ истекает, достигает местной скорости звука. Например, для воздуха N_*=1,89. При N³N_* для данного газа его скорость достигает или превышает скорость звука. При этом в струе наблюдаются локальные значительные уплотнения и волнообразные разрежения газа. В результате этого образуются "ударные волны", конфигурация и положение которых в сверхзвуковой струе тесно связаны с ее "нерасчетностью", под которой следует понимать отношение давления в выходном сечении сопла Р_а к давлению окружающей среды Р_н, т.е. n=P_a/P_н. При n>1имеет место истечение недорасширенной струи, при n<1 – перерасширенной. При n=1 сверхзвуковая струя называется "расчетной"

n= /P_н=p(M_a)N (77)

где М_а=V/а – число Маха, основной параметр движения газа, представляющий собой отношение скорости движения газа в данной точке (V) к скорости звука в данном газе (а).

Таким образом, число Маха определяет, будет ли поток газа в данной точке дозвуковым (М_а<1),звуковым (М_а=1) или сверхзвуковым (М_а>1).Газодинамическая функция числа Маха – p(М_а) определяется через показатель адиабаты – К (равный для кислорода и других двухатомных газов 1,4) с помощью уравнения

p(М_а)=[1+(K–1)/2(M²)]^–K/K-1. (78)

На рис.18 представлена схема сверхзвуковой струи. Такую струю для ее рассмотрения удобно разбить по ее оси на три участка:

1) начальный газодинамический участок (I – см. рис. 18), в котором вязкость и теплопроводность газа проявляют себя лишь в тонком пограничном слое;

2) переходный участок, где имеет место существенная турбулентность, но есть ядро постоянной скорости газа, а максимальная для данного сечения скорость газа не лежит на оси струи (2 на рис.18);

3) основной участок струи, в котором осевая скорость газа (для данного сечения струи) становится максимальной (см. участок 3 на рис.18).

Наиболее сложна газодинамика первого и второго участков струи. Именно здесь проявляется ее волновая структура и неравное распределение плотностей газа и локальных скоростей его течения. Именно в этих участках особенно сильно проявляются искусственно создаваемые пульсации давлений и ударные волны. Расчет геометрических и газодинамических параметров сверхзвуковых струй составляет большие трудности [79].

Типичные для сверхзвуковых струй скачки уплотнений и разрежений газа, волнообразные его потоки, перемещающие в каждом данном его поперечном сечении, имеют огромное значение для процессов взаимодействия металла с кислородной струёй. Дело в том, что при встрече сверхзвуковой струи с тем или иным участком поверхности металла последний испытывает удары за счет этих волнообразных уплотнений газа, приводящие к разрыхлению поверхностного слоя металла, смене микролокальных участков поверхности, раздроблению металла и т.п. Этот факт, естественно, наиболее отчетливо проявляется в тот период плавки, когда кислородная струя полностью погружена в объем металла, т.е. металл контактирует со всеми участками струи – в частности, и с теми, где локальные неравномерности давлений и скоростей течения газа наиболее значительны.

Для конвертерного передела сверхзвуковые кислородные струи представляют значительный интерес еще и потому, что, если за счет тех или иных изменений формы сопла, искусственно создаются нарушения характера сверхзвукового потока, то эти нарушения сохраняются на большой длине струи, т.е. она весьма "дальнобойная". Эти нарушения создают неустойчивые "отрывные потоки", особенно сильно влияющие на поверхность металла, с которой они встречаются. Они оказывают положительное влияние на кинетику химических взаимодействий, протекающих на границе раздела жидкого металла и газа, a также ускоряют такие процессы, как растворение извести в шлаке, его гомогенизацию и выравнивание химического состава всего объема шлака.

В связи со сказанным выше следует считать перспективными изыскания некоторых металлургов и газодинамиков [86] в области конструирования фурм и разработки новых режимов кислородной продувки, обеспечивающих использование положительных особенностей сверхзвукового кислородного дутья.