Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

Карпенко Г.А.

Как отмечал М.А. Глинков, гидродинамика сталеплавильной ванны, для интенсификации тепловых и технологических процессов имеет первостепенное значение. Многими исследованиями гидродинамики сталеплавильной ванны установлено, что интенсивность перемешивания расплава (металла и шлака) увеличивается при применении продувки ванны кислородом через сводовые фурмы, например, двухванной печи, в 1,2÷1,8 раза по сравнению с беспродувочным способом выплавки стали. Большинство авторов ряда работ считают, что от барботажа ванны пузырьками оксида углерода (СО) получается большой эффект перемешивания, чем от ведения продувки ванны кислородом, который подается сверху через сводовые фурмы.

Это утверждение в определенной степени можно считать спорным, т.к. большая доля окислителя поступает в жидкий металл сверху, через шлак, и в основной в зоны взаимодействия струи газа с расплавом. Поэтому образование пузырьков СО в расплаве в известной степени является процессом вторичным, зависящим от условия введения в ванну газообразного окислителя. Доля перемешивания ванны от взаимодействия струи газа и расплава в общем перемешивании ванны существенно зависит от способа ввода и распределения окислителя.

Задача интенсификации перемешивания сталеплавильной ванны потоками кислорода является актуальной и традиционно решается методами физического моделирования. В тоже время, математическое моделирование процесса взаимодействия газовых струй с жидкой ванной базируется на данных физического моделирования.

На интенсивность и равномерность перемешивания ванны расплава газовыми струями влияет много факторов, в том числе форма ванны, количество и расположение фурм по отношению друг к другу и к осям ванны. В этой связи, представляется важным исследовать методом физического моделирования возможность энергосберегающей интенсификации перемешивания жидкой ванны сталеплавильной печи при продувки её кислородом через три сводовые фурмы.

В качестве критерия оптимальности принимается величина средневзвешенного удельного количества движения жидкости в ванне: 

          (1)

где m – масса, кг; u – скорость, м/с; Vв – объем ванны, м3; N – количество частей, на которые условно разбивается весь объем ванны.

Перспективным для двухванной печи является применение трех сводовых фурм, причем средняя фурма подает струи кислорода через головку вертикально в ванну, а две другие фурмы имеют наклонные головки под углом 45о к вертикали, что обеспечивает перемешивание шлака вокруг оси первой фурмы, т.к. эти боковые фурмы подвернуты под углом 45о к поперечной оси ванны.

Расход воздуха на модели рассчитываем из условия равенства относительно импульса струй газа (критерия Ньютона) для двухванной печи и холодной модели:

         (2)

где rж и rм - плотность жидкости в ванне для печи (металл) и модели (раствор соли), кг/м3; g – гравитационное ускорение, м/с2; Lп и Lм – характерный размер печи и модели, м; Jc и Jм - потоки импульса газовых струй при истечении из сопел фурмы для печи и модели, Н;  где G - массовый расход газа, кг/с.

Следует отметить, что в выражении (1) для критерия оптимальности знаменатель (объем ванны - Vв) постоянен, поэтому можно использовать в качестве критерия оптимальности только выражение в числителе, т.е. суммарное количество жидкости: 

.                           (3)

Анализ результатов исследования показал, что все зависимости  имеют одинаковый характер и максимум при значении угла поворота фурмы 45о, т.е. в этих случаях движение боковых фурм обеспечивается повышением интенсивности перемешивания ванны примерно в 4 раза, в сравнении с подачей в ванну вертикальных потоков окислителя. Одновременно наблюдается и увеличение степени перемешивания жидкости в ванне, вне пределов взаимодействия струй газа с расплавом, т.е. в остальных частях ванны в 1,5÷2 раза.

Работа выполнена под руководством проф., д.т.н. Меркера Э.Э.