Исследование и разработка конструкции наконечника фурмы

     1 Исследование и разработка конструкции наконечника фурмы 

     1.1 Существующая конструкция кислородной фурмы на комбинате «Криворожсталь» 

     В ходе развития кислородно-конвертерного  процесса комбината «Криворожсталь»  конструкция дутьевых устройств  постоянно совершенствовалась в соответствии с изменяющимися условиями работы, что позволило стабильно повышать технико-экономические результаты конвертерного производства [16].

     В настоящее время в кислородно-конвертерном цехе КГГМК применяются фурмы  с цельнолитыми пятисопловыми наконечниками (см. рис 2.1). Сопла Лаваля расположены симметрично относительно центральной оси фурмы и наклонены под углом 20° к вертикали. Угол раскрытия сопла 8°. Расстояние от оси сопла на выходе до оси фурмы 67,5 мм. Критический диаметр сопла 30 мм. Диаметр выходного отверстия 39 мм. Такая конструкция сопла обеспечивает скорость струи на выходе около 500 м/с при давлении кислорода в цеховой магистрали 1,6 МПа. Минутный расход кислорода составляет 400 – 450 м³/мин. Следовательно, интенсивность продувки составляет 2,5 – 2,8 м³/т∙мин.

     Характерно, что такие параметры конструкции  наконечника, как угол наклона сопел  к вертикали и угол раскрытия их не были обоснованы теоретически, а были подобраны в процессе работы цеха.

      1.2 Теоретические разработки влияния конструкции фурмы на поверхность контакта струи кислорода с ванной 

     Взаимодействие  струи окислителя с расплавами представляет собой первичное и определяющее звено в сложном комплексе  взаимосвязанных явлений, протекающих  в конвертерной ванне. Такие факторы, как глубина проникновения, площадь поверхности контакта струи кислорода с металлом влияют на скорость и степень усвоения кислорода, а значит на кинетику процессов производства стали. Эти вопросы уже давно привлекает внимание металлургов, однако изучены еще недостаточно полно. Далее рассматривается наиболее вероятная схема взаимодействия струи с ванной.

     При вдувании кислорода в ванну на поверхности расплава образуется локальная  зона в виде кратера с особым распределением температур, скоростей и концентраций. Эта зона получила название реакционной. Иногда употребляется другое название — зона продувки. Чтобы различить эти понятия, условимся в дальнейшем под реакционной зоной понимать углубление в металле, границами которого служит поверхность раздела фаз газ — расплав. Зона продувки включает в себя, помимо этого, участки металла, непосредственно прилегающие к границам реакционной зоны. На поверхности реакционной зоны развиваются процессы окисления железа и его примесей кислородом струи. Образующиеся при этом окислы железа за счет диффузии рассредоточиваются по всему объему ванны и служат источником кислорода для окисления в определенной последовательности примесей чугуна. Поэтому вопрос о геометрии реакционной зоны имеет большое практическое значение.

     Рис 2.1. Наконечник кислородной фурмы, применяемой  в конвертерном цехе КГГМК 

     1.2.1 Глубина реакционной зоны

     Глубина проникновения струи в жидкий металл в настоящее время считается  наиболее характерным показателем, позволяющим оценить степень  воздействия струи на ванну. В частности, как показывают производственные данные [5], при недостаточной глубине ухудшается степень поглощения (или коэффициент использования) кислорода металлом, скорость обезуглероживания оказывается ниже возможной, возрастает окисленность шлака и т. д. Поэтому вопрос о глубине проникновения струи газа в жидкую ванну давно привлекает внимание исследователей. Впервые этот вопрос для случая свободной изотермической струи был рассмотрен в работе [17]. Полученные уравнения имеют вид:

     для H/d₀=0 для H/d₀>0 

     h = 0,23nAr'_xH. (2.1)

     где d₀ — диаметр струи на выходе из сопла;

     Н — расстояние сопла от поверхности  ванны;

     п — безразмерный коэффициент проникновения;

     Аr₀ и Аr'_х — критерий Архимеда на выходе из сопла = и на уровне поверхности ванны = , где:

     ω₀,ω_x, — осевая скорость струи на выходе из сопла, в месте встречи ее с ванной;

     ρ₀,ρ_x, —осевая плотность газа на выходе из сопла, в месте встречи струи с ванной;

     ρ—плотность металла;

     g — ускорение силы тяжести;

       d_x — диаметр струи в месте встречи ее с ванной;

     h — глубина реакционной зоны (глубина проникновения струи).

     Позже И.Г. Казанцевым было предложено такое  уравнение

     (2.1а) 
 

     эмпирическая  зависимость п от Аr_х с помощью ЭВМ была аппроксимирована следующими аналитическими выражениями:

     для Ar_x<10 

     п = 0,0017Ar_x² — 0,0592Ar_x + 1,018; 

     для Ar_x>10 

       (2.2)

      В последующем различными исследователями  было предложено много других уравнений. На основе опытов с холодными моделями В. И. Баптизманский [5] получил следующую  формулу: 

       (2.3) 

     где p₁ — давление дутья;

       с₁ и с₂— постоянные коэффициенты.

     Для жидкой стали при H=0 последнее уравнение будет иметь вид: 

     h=18,1p₁^0,5d₀^0.6. (2.4) 

     Результаты  расчета по уравнениям И. Г. Казанцева  и В. И. Баптизманского согласуются между собой.

     Для случая истечения струй, у которых  давление на срезе сопла больше, чем давление среды, Г. П. Иванцовым [18] получена следующая формула:

     (2.5) 
 

     где p₁ — давление газа перед соплом;

       p₂ — давление среды, в которую истекает газ.

     Как видно, все эти уравнения включают в себя параметр d₀, то есть диаметр выходного отверстия сопла.

     В настоящее время различными авторами для определения глубины предложено большое количество уравнений, преимущественно  эмпирических. Анализ различных работ  показывает наличие весьма многочисленных и разнообразных характеристик, которые необходимо применять для описания воздействия струи на геометрию реакционной зоны. Все эти характеристики могут быть сведены к одной — критерию Архимеда. 

     1.2.2 Диаметр реакционной зоны

     Диаметр реакционной зоны определяется совместным воздействием прямой и обратной струи. Однако при продувке хорошо ассимилируемого  газом большая часть газа на пути от нижнего уровня заглубления струи  до выхода из реакционной зоны поглощается  ванной. Поэтому обратная струя в этом случае не оказывает заметного влияния на диаметр и последний определяется главным образом воздействием прямой струи.

     Влияние этого воздействия можно оценить  величиной массовых сил потока металла, выталкиваемого из реакционной зоны при ее образовании. Отнесенные к диаметру лунки на поверхность ванны жидкого металла эти силы равны: 

     I_мет = Fρgd, (2.6) 

     где F=πd²/₄ — площадь сечения реакционной зоны, образующейся на поверхности жидкости в результате воздействия струи газа; I_мет — секундный импульс, приобретаемый металлом в момент удара струи газа о поверхность ванны.

     Предположим, что величина импульса потока металла  связана с секундным импульсом  струи в месте контакта ее с  поверхностью ванны I_x самым простым соотношением: 

     I_мет = n₁I_x. (2.7) 

      Отсюда: 

       (2.8) 

     Коэффициент n₁ показывает долю импульса струи, который передается металлу при воздействии прямой струи.

     Из  простых физических соображений  следует, что величина этого коэффициента может изменяться в пределах от 0 до 1. Так как I_x равно I₀, то формула (2.8) с учетом уравнения (2.6) примет вид: 

       (2.9) 

     Решая это уравнение относительно диаметра реакционной зоны, получим: 

       (2.10) 

     В критериальном виде уравнение (2.10) будет  иметь вид: 

       (2.11) 

     Величину  коэффициента п₁ определяли экспериментальным путем на холодной модели с соблюдением условий подобия [19]. В качестве моделирующих сред применяли воду и водяной пар. Результаты обработки опытных данных в соответствии с уравнением (2.12) представлены в виде зависимостей п₁ от Аr₀ для H/d₀=0 (кривая 1) и Аr'_х для H/d₀>0 . Понятно, что все опытные точки независимо от величины критерия Архимеда, положения и диаметра сопла укладываются в соответствующие кривые.

     Если представить полученные данные для H/d₀>0 в виде зависимости п₁ от Аr_х, то кривая 2 зависимости n от Аr'_х совпадает с кривой 1.

     Сравнение полученных данных с аналогичными зависимостями  показывает, что зависимости n₁=f(Ar_x), n=f(Ar_x) и 2n₀=f(Ar_x) совпадают между собой. Учитывая это, взаимосвязь коэффициентов n₀, п₁ и п можно выразить простым соотношением: 

     п = n₁ = 2п₀. 

     Поэтому для описания зависимости п₁ от Аr_х можно использовать соответствующие выражения для n по уравнениям (2.7).

     Подставляя  в уравнение (2.11) вместо п₁ значение п, получим 

       (2.12) 

     Уравнение (2.12) позволяет определить нижнюю границу  величины диаметра реакционной зоны, когда газ почти полностью  ассимилируется ванной, например при  продувке жидкого чугуна кислородом. Из уравнения следует, что в обобщенном виде величина диаметра определяется критерием Архимеда и коэффициентом п. В свою очередь п зависит от положения сопла. Следовательно, диаметр реакционной зоны также зависит от высоты подъема сопла над ванной, но эта зависимость имеет неявный характер.

     Несложно  представить зависимость диаметра реакционной зоны от параметров дутья по опытным данным авторов работы [20], а также зависимость по уравнению (2.12). Из этого следует, что уравнение (2.12) вполне удовлетворительно описывает экспериментальные данные в большом диапазоне изменения числа Архимеда. Лишь в области Ar₀>10³ расхождение увеличивается. Это связано с тем, что при больших значениях Аr₀ обратная струя начинает оказывать заметное влияние на величину диаметра. Однако на практике значения числа Архимеда редко превышают цифру 300, поэтому уравнение (2.12) для целей сталеплавильной практики вполне пригодно. К сожалению, в литературе отсутствуют другие данные, кроме данных М. П. Собакина и Д. Я. Вербицкого. Вследствие этого нет возможности подвергать формулу (2.12) более убедительной аналитической и экспериментальной проверке.

     Определенный  интерес представляет вопрос о диаметре реакционной зоны при вдувании в  ванну неассимилируемого газа. Этот интерес обусловливается тем, что в условиях конвертерного процесса при нахождении фурмы над поверхностью ванны в струю кислорода вовлекаются газы, не ассимилируемые ванной. Эти газы существенно снижают концентрацию кислорода в струе, в результате чего струя из ассимилируемой превращается в частично- или малоассимилируемую струю. В этом случае обратная струя поглощается неполностью Неассимилируемая часть газа оказывает дополнительное воздействие на диаметр кратера, в частности, увеличивает его.

     Впервые вопрос о величине диаметра при продувке неассимилируемым газом был рассмотрен авторами работы [21]. По этим данным зависимость диаметра лунки на поверхности жидкости от параметров дутья описывается полуэмпирическим уравнением: 

       (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.