Файл: Квитко, М. П. Кислородно-конвертерный процесс.pdf

Приводя выражение общей работы перемешивания, В. И. Явойский указывает, что Lnp0T не способствует перемешиванию ванны, или во всяком случае полностью не передается ванне.

Работа адиабатического расширения струи может полностью или частично передаваться ванне в зависимости от периода про­ дувки. Частичная потеря работы адиабатического расширения происходит в начале продувки, когда струя не полностью погру­ жена в ванну, т. е. в сравнительно небольшом промежутке вре­ мени плавки. При высоких 'скоростях обезуглероживания струя полностью погружена в металл и работа адиабатического расши­ рения передается ванне полностью. Однако какой-либо точный расчет потерь работы перемешивания и части, используемой ван­ ной, практически невозможен, так как потери работы перемеши­ вания в начале и конце продувки зависят от многих факторов (абсолютных величин скорости обезуглероживания, количества шлака, метода охлаждения плавки и др.) и не могут быть учтены сколько-нибудь точнее. Следовательно, переход от величин ра­ боты перемешивания к величинам межфазной поверхности весьма сложен и может быть оценен лишь ориентировочно.

Ориентировочную оценку величин поверхности газ—металл в первом приближении можно дать по простому равенству

где т — секундный расход кислорода, г/с;

w — скорость газа в месте контакта с металлом; а — поверхностное натяжение металла, эрг/см2;

k — коэффициент, определяющий долю энергии струи, рас­ ходуемой на образование поверхности.

Согласно некоторым исследованиям [23], величину k можно принять равной 0,03, поскольку лишь около трех процентов энер­ гии струи расходуется на образование поверхности. Подставляя в уравнение (21) значения, характерные для 100-т конвертеров, получим, что поверхность контакта металл—газ составляет около 0,03 - 105 м2. Однако этот расчет является также весьма прибли­ женным.

Попытаться оценить величину поверхности контакта можно и другим путем. При развитом обезуглероживании и постоянном расходе кислорода в единицу времени в реакцию с кислородом вступает почти один и тот же объем металла, который можно определить по расходу кислорода и содержанию примесей в ме­ талле в данный момент времени (считая, что в реакционной зоне

53

окисляются все примеси пропорционально их содержанию в ме­ талле). Тогда поверхность контакта струи с металлом можно выра­ зить как частное от деления объема металла, вступающего в реак­ цию со струей, на толщину пограничного слоя со стороны ме­ талла б.

Если объем металла реакционной зоны Ум- р.3 вступает в реак­ цию с кислородом дутья, то в первом приближении (без учета времени существования поверхности)

Ум. р. з = б м,

где SH-r— величина поверхности контакта металл—газ, см2; 6М— толщина пограничного слоя, см.

Отсюда можно определить величину S„.r , если известно бм. Однако определение бм на современном уровне знаний затрудни­ тельно. '

Принимаем, что в реакционной зоне при встрече с газом металл дробится на капли, капли окисляются и далее происходит окисле­ ние углерода в капле или передача кислорода от капли углероду объема ванны. В монографии В. Г. Левина [24] указывается, что теория движения капли и соответственно диффузионных потоков при величинах Re более 1 не разработана. Однако при числах Рейнольдса, существенно превышающих единицу (но при которых движение слоев металла, примыкающих к капле, еще ламинар­ ное), толщина пограничного слоя и величина полного диффузион­ ного потока могут быть приближенно определены из выражений:

АС — разность концентраций углерода в поверхностном слое и объеме, г/см3.

Чтобы определить возможность применения выражений (22) н (23) для случая движения капли в реакционной зоне, нужно оценить величину критерия Рейнольдса. Для этого необходимо знать скорость движения капли. За скорость потока газа без зна­ чительной погрешности можно принять величину, среднюю между скоростью струи в момент контакта ее с металлом и нулем (при полном усвоении струи). Для практических условий эта величина не слишком отличается от 100 м/с. Соотношения скорости движе­ ния капли и газа струи должны быть в первом приближении про-

64

порциональны отношению объемных масс газа и металла, т. е. скорости капель металла в струе не должны существенно отли­ чаться от 10—20 м/с.

Кинематическая вязкость металла при средних температурах сталеплавильной ванны, по данным В. И. Явойского [21 ] состав­ ляет 0,008 см2/с. Для расчета остается определить размер капли,

составляет 1,0—2,0 мм. В этих условиях величина критерия Рейнольдса

т. е. условия ламинарности не выполняются и расчет абсолютной поверхности контакта не представляется возможным. В то же время можно определить относительные изменения величин кон­ тактных поверхностей при переходе от одной конструкции фурмы к другой. Основой для подобных определений служат выраже­ ния (8) и (10).

55

ного сопла многосопловой фурмы связан с диаметром односопло­ вой фурмы соотношением

ч

поверхность кратеров многосопловой фурмы можно определить соотношением

Поскольку при одном и том же расходе кислорода сечения сопел равны, должны быть одинаковы и положения фурмы в ка­ либрах над поверхностью ванны для получения одного и того же

56

технологического эффекта (равенство скоростей потока газа на уровне ванны). Тогда дальнейшие преобразования приводят к уравнению

(30)

Таким образом, соотношения боковых поверхностей контакта

4 _

газ—металл оказываются пропорциональными ] / п. Поскольку для вывода равенств (26)—(30) использованы уравнения, описы­ вающие реальные процессы лишь приближенно, сами уравнения (26)—(30) являются приближенными. Пропорциональность сохра­ няется лишь при условии выполнения равенства

в калибрах. Уравнение (31) дает возможность определить поло­ жение фурмы при переходе от одной конструкции сопел к другой. По приведенным выше уравнениям можно определить также изме­ нение диаметров сопел при увеличении их количества.

Изменения поверхностей контакта газ—металл сопрово­ ждаются, как будет показано ниже,, серьезными изменениями ско­ рости окисления углерода, окисления примесей и процесса шлако­ образования.

2. Пылевыделение

Подача кислорода на поверхность ванны сопровождается воз­ никновением реакционной зоны очень высоких температур. П. Я. Сорокиным выполнены расчеты мгновенной температуры пузырьков в зоне реакции. Он исходил из предположения, что все выделившееся тепло расхо­ дуется на нагрев только про­ дуктов реакции без учета радиа­ ции в окружающую среду [26].

зоне составляет около 3460° С,, что хорошо согласуется с данными, приведенными в табл.' 18.

Температура реакционной зоны существенно отличается от при­ веденных данных, так как, во-первых, теплоотвод в системе с высо­ кими коэффициентами теплопроводности-и большими значениями теплоемкости очень велик и, во-вторых, температура реакционной

57