CC BY
73
3. Казаков А.С., Столяров А.М. Влияние внутреннего охлаждения роликов ЗВО МНЛЗ на теплоотвод от слябовой непрерывноли-той заготовки // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2010. №3 (31). С.18 - 21.
УДК 669: 18.001
Ю.А. Колесников, Б.А. Буданов
ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
ОСОБЕННОСТИ АЭРОДИНАМИКИ КИСЛОРОДНОЙ СТРУИ ПРИ ПРОДУВКЕ МЕТАЛЛА В КОНВЕРТЕРЕ СВЕРХУ
В конвертерных процессах с верхней подачей кислородного дутья эффективность процессов окислительного рафинирования в значительной степени зависит от аэрогидродинамических условий в рабочем пространстве конвертера в период продувки [1]. При этом подачу газа с плотностью 1,43 кг/м3 (при нормальных условиях) необходимо организовать так, чтобы без потерь распределить кислород во всех точках объема жидкого расплава плотностью около 7000 кг/м3. Решение этой задачи при непрерывном вдувании газа во многом зависит от импульса потока [2]:
I = т •
где I - импульс струи, Н;
т - массовый расход газа, кг/с; ^ - скорость потока газа, м/с. Импульс струи - это та сила, под действием которой газ внедряется в жидкость. Глубина проникновения газа в жидкость зависит от величины импульса струи и сил сопротивления жидкости. При прочих равных условиях чем больше импульс струи, тем глубже внедряется газ.
Как видно из выражения для определения импульса потока, увеличение импульса возможно за счет увеличения массового расхода газа, скорости движения потока или увеличения расхода и скорости одновременно. Массовый расход газа непосредственно
© Колесников Ю.А., Буданов Б.А., 2010
связан с интенсивностью продувки, величина которой в основном определяет продолжительность продувки и тем самым цикл плавки и производительность конвертера.
При заданной интенсивности продувки увеличение импульса струи дутья связано с увеличением скорости движения потока, которое определяется, в свою очередь, конструкцией и режимом работы сопла - устройства для истечения газа при помощи фурмы. Непрерывное движение газа через сопло подчиняется закономерностям, которые математически в дифференциальной форме могут быть представлены в виде уравнения неразрывности
а ( риР) = 0, (1)
где р- плотность; и - скорость; р - площадь сечения, и уравнения Бернулли:
дР + риди = 0, (2)
где Р - давление.
Разделим уравнение (2) на ри2 и умножим первый его член
др
на —, получим
др
1 дР др ди Л ——-р+ — = 0. (3)
и2 др р и
Из уравнения (1) следует:
Ридр + Р рди + ридР = 0 или после деления на рир
др _ дР ди
р Р и Подставляя этот результат в уравнение (3) и учитывая, что
дР
_= и2 _ получаем
Фда?
(и2 | ди дР — -1|- = -р . (4)
^ ) и Р
Из анализа равенства (4) следует [3], что при ускорении газа,
ди л т.е. — > 0,
и
сечение сопла должно изменяться следующим образом:
дР п
при w < -< и - сужение,
¥
дР п
при w = wж -= и - критическое сечение,
¥
д¥
при w > wж -> и - расширение.
¥
Таким образом, для формирования струи газового потока, движущегося с дозвуковыми или звуковыми скоростями, сопло должно иметь сужающуюся часть по отношению к входной стороне сопла. Это значит, что сопло может быть конически сходящимся или иметь цилиндрический участок. В узком сечении таких сопел максимальная скорость не может быть больше скорости звука. Для формирования сверхзвуковых скоростей потока в выходном сечении сопла необходимо в конструкции сопла предусмотреть одновременно сужающуюся и расширяющиеся части. Такая конструкция получила название сопло Лаваля.
На рис.1 показана наиболее часто используемая форма продольного сечения сопла Лаваля и характер изменения давления и скорости газа внутри сопла и за его пределами в зависимости от величины давления перед соплом (Ро) и давления окружающей среды (Рос) при постоянной температуре газа перед соплом (То) и скорости ^о) близкой к нулю.
Движение газа через сопло будет происходить в том случае, когда давление перед соплом больше давления окружающей среды. От величины этого перепада давлений будет зависеть величина и характер изменения скорости газа внутри сопла и в его выходном сечении.
Если в самом узком сечении сопла, получившем название критическое, скорость потока не превышает скорости звука, то в расширяющейся части сопла скорость уменьшается (кривые 1 и 2). Это связано с тем, что при дозвуковом движении газа его плотность практически не изменяется и в соответствие с уравнением (1), когда массовый расход газа остается постоянным, с увеличением площади сечения канала скорость потока уменьшается. В выходном сечении сопла скорость меньше скорости газа в критическом сечении, а давление равно давлению окружающей среды. В этом случае сопло Лаваля работает хуже конически суживающегося сопла.
Если в критическом сечении скорость потока достигла скорости звука, а критическое давление больше давления окружающей среды (кривые 3, 4, 5), то в расширяющейся части сопла скорость становится больше скорости звука, а параметры струи в выходном сечении сопла будут определяться соотношением давления газа перед соплом и в окружающей среде.
Так, если давление внутри сопла плавно уменьшается и в выходном сечении становится равным давлению в окружающей среде (кривая 4), то скорость потока в расширяющейся части сопла плавно увеличивается и становится сверхзвуковой с максимальным значением в выходном сечении. Такой режим работы сопла получил название расчетный.
Аналогично происходит изменение давления и скорости газа внутри сопла, характер которых показан на кривых 5. Однако в выходном сечении давление (Рвых) больше давления в окружающей среде (ДРвых > 0) и струя газа за соплом расширяется, ее скорость увеличивается, а давление уменьшается, становится меньше давления окружающей среды, струя сжимается, скорость уменьшается. За соплом появляются участки разрежения и сжатия. Струя взаимодействует со средой, ее энергия уменьшается. Такой режим работы сопла Лаваля получил название с недорас-ширением (рис. 2).
На начальном газодинамическом участке сверхзвуковой не-дорасширенной струи давление на срезе сопла больше давления окружающей среды. Истекающий газ расширяется, Во внутренней околоосевой области давление может быть значительно меньше наружного. Граница недорасширенной струи искривляется, так как она представляет собой поверхность, вдоль которой давление равно давлению окружающей среды [4]. Элементарные волны сжатия, возникающие при искривлении границы струи, накладываются друг на друга и образуют ударную волну 1 (рис. 3) с криволинейной образующей в плоскости осевого сечения («висячий» скачок).
С увеличением расстояния от среза сопла происходит усиление этой волны. При этом в окрестности оси струи возникает дискообразная ударная волна - центральный (прямой) скачок уплотнения или маховский диск 2. Контур его представляет собой линию ветвления ударных волн - «висячий» скачок и «отраженный» скачок. Ветвь, расположенная вниз по течению - отраженный от оси скачок, обязательно достигает границы сверхзвуковой струи. Отражаясь теперь от границы, он вызывает образование вторичной центрированной волны разрежения. Ударная волна 3 достигает границы струи и вызывает появление центрированной волны разрежения. Вследствие этого начинается вторичное расширение струи. Давле-
ние за маховским диском несколько выше, чем давление окружающей среды. Ударные волны, отражаясь от оси и от границы сверхзвуковой струи, создают «бочкообразную» структуру потока. Число «бочек» тем больше, чем больше скорость газа в выходном сечении сопла превышает местную скорость звука в этом сечении. Отношение этих скоростей называется числом Маха.
Рис. 2. Распределение скоростей в струе газа, истекающей из сопла Лаваля в режиме с недорасширением
Рис. 3. Газодинамический участок недорасширенной струи
Если изменения давления и скорости внутри сопла происходят по кривой 3 (см. рис. 1), то такой режим работы сопла называют с перерасширением. В этом случае восстановление давления в струе происходит при помощи ударной волны, фронт которой сходит с заостренной кромки сопла (рис. 4).
Рис. 4. Газодинамический участок перерасширенной струи
При значительном перерасширении газа в сопле в окрестности оси образуется центральный скачок (маховский диск). Диаметр его, как правило, меньше диаметра выходного сечения сопла. С контура этого диска сходит расходящаяся конусообразная ударная волна, которая, отражаясь от свободной границы, вызывает появление центрированной волны разрежения, в результате чего начинается расширение струи.
Внутри перерасширенного сопла происходит скачкообразное повышение давления (кривая 3 на рис. 1). В скачке уплотнения плотность газа увеличивается, а скорость падает. Поток переходит в дозвуковой режим и сопло Лаваля работает хуже конически суживающегося сопла. Струя газа отрывается от стенок сопла. Так как давление в окружающей среде больше давления в этом сечении сопла, то компоненты среды попадают внутрь сопла и могут изменить его геометрию.
Таким образом, сопло Лаваля может работать в трех режимах:
- расчетном;
- с недорасширением;
- с перерасширением.
Наилучшим режимом является расчетный, а наиболее опасным - с перерасширением. Для продувки металла кислородом в конвертерах сверху необходимо использовать фурмы с соплами Лаваля, работающими в расчетном режиме, что весьма затруднительно, учитывая условия в рабочем пространстве агрегата. В связи с этим сопла рассчитывают так, чтобы при изменяющихся параметрах дутьевого режима и окружающей фурму среды, сопло не могло работать в режиме с перерасширением. Фактически используется режим работы с недорасширением.
Список литературы
1. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса. М.: Металлургия, 1975. 376 с.
2. Марков Б.Л. Методы продувки мартеновской ванны. М.: Металлургия, 1975. 280 с.
3. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / С.В. Колпаков, Р.В. Старов, В.В. Смоктий и др.; под общ. ред. С.В. Колпакова. М.: Машиностроение, 1991. 464 с.
4. Сизов А.М. Газодинамика и теплообмен газовых струй в металлургических процессах. М.: Металлургия, 1987. 256 с.
