Моделирование продувки жидкого металла в ковше

Продувка ванны представляет сложный комплекс процессов кинетики, макрокинетики, гидрогазодинамики, массо- и теплопереноса, которые являются составной частью современного металлургического и химико-технологического производств.

Важнейшей особенностью установок с жидкой ванной является возможность осуществления физико-химических превращений в расплавах и растворах, продуваемых газовыми потоками [1].

Развитие дутьевой струи в жидкой среде определяется действием механизма гидродинамической неустойчивости. При этом существуют газовые, двух- и многофазные струи, пульсация и разрыв устойчивого турбулентного течения, образование и движение в факеле струй дискретных газовых, двух- и многофазных массивов.

Важную роль в промышленных ваннах играют процессы барботажа – всплытия каверн и пузырей, сопровождающиеся их дроблением и слиянием. Пробой ванны – прорыв неразрушенной газовой струи или крупных пузырей и каверн через слой расплава над фурмой или дутьевым отверстием. Циркуляционные течения и турбулентные пульсации в объеме жидкой фазы обеспечивают перемешивание ванны. Совокупность этих взаимосвязанных процессов и составляет комплекс “гидрогазодинамика жидкой ванны”.

Часть из них, непосредственно связанную с истечением газового потока из сопла и дальнейшим его развитием в жидкости, целесообразно выделить в виде самостоятельного подкомплекса “газодинамика дутья”.

Роль газовой фазы заключается в реализации процессов кинетики и макрокинетики. Газовые потоки используются как реагентами, так и носителями энергии. Дутьевые газы предназначены для транспортировки реагентов в ванну, переноса фаз и компонентов в объеме расплава и к реакционным границам.

В соответствии со спецификой гидрогазодинамических процессов бывают донные отверстия, которые расположены на значительной глубине, и верхние фурмы, срез сопел которых располагается значительно выше донного отверстия.

В случае кислородной продувки целесообразно использовать фурмы типа “труба в трубе”.

При продувке возможен пузырьковый гидродинамический режим. Определяющим фактором для процессов переноса выступает перемешивание ванны, и объемные циркуляционные течения – движение многофазных образований.

Пузырьковый режим характеризуется периодическим образованием – отрывом на срезе сопла газовых пузырей. Форма пузыря зависит от расположения среза сопла, физических свойств жидкости и вязкости и межфазного поверхностного натяжения, величины краевого угла смачивания. Для донного сопла характерны эллипсоиды и пузыри грибоводной формы.

Для изучения гидродинамических процессов при продувке в жидкой стали в большегрузном ковше  был выбран метод холод­ного моделирования.

Исследование проводилось на холодной модели с соблюдением идентичности критериев Архимеда, Фруда и симплексов[2,3]:

• h/h_ш
• h - плотность ,поверхностное натяжение, высота металла
• h_ш - плотность, поверхностное натяжение, высота шлака в ковше

Образцом является сталеразливочный ковш  ЭСПЦ ОАО «ОЭМК». Для определения жидкостей на модели использовалась идентичность симплексов ρ/ρ_ш  и Ϭ/Ϭ_ш. Для моделирования жидкой стали выбрали воду с плотностью 1000 кг/м³ и поверхностным натяжением Ϭ  = 73,26*10^-3 Н/м, а для моделирования шлака - вакуумное масло с плот­ностью 912 кг/м³ и Ϭ = 34 I0^-3 н/м.

Масштаб моделирования определяется из условий равенства критериев Архимеда по следующему выражению

где L₀-линейный размер образца;L - линейный размер модели соответственно;ν _об и ν_м- кинематическая вязкость образца и модели;ρ_в и ρ_н- плотность газа на верхнем и нижнем уровнях расплава.

Масштаб скорости можно подсчитать по критерию Фруда:

Fr=W²/gL;   (W²/gL)_об=(W²/gL)_м;

В соответствии с масштабом моделирования эксперименты можно проводить на модели сталеразливочного ковша ЭСПЦ ОАО» ОЭМК», имеющей следующие параметры (табл. 1).

Таблица 1.

Результаты моделирования продувочного устройства (с фурмой)

Мы провели эксперимент по продувке через фурму с различными расходами и определили гидродинамику жидкой ванны (рис.1).

Рисунок 1 -модель большегрузного ковша для продувки через фурму.

Для того чтобы провести эксперимент, мы использовали керамзит, который мы измельчили в специальной дробилке и затем просеивали через сита.

Перед началом эксперимента мы весь материал перемешивали в колбе с водой для того, чтобы отобрать те частицы, которые будут находится во взвешенном состоянии. В конечном итоге мы получили 9г этого вещества.

В качестве ванны мы использовали стакан с водой, который продувается снизу через фурму кислородом.

Для нашего эксперимента мы использовали определенные расходы:

800,850,900,950,1000л/ч

Мы определили, что при расходе равном 800л/ч пузыри только появляются, а при 1000л/ч пузыри слишком быстро поднимаются вверх. Поэтому для нашего эксперимента мы взяли расходы: 850,900 и 950л/ч.

Крупные частицы, размером 1,6 при продувке остаются на дне ковша, а мелкие частицы, размером 1 мм, всплывали. Средние частицы, размером от 1,2 до 1,5 мм, перемещались от поверхности ко дну под действием барботажа жидкости воздухом.

Проводя анализ эксперимента, приходим к выводу, что наилучшим аналогом неметаллических включений являются частички керамзита размером от 1,2 до 1,5 мм, с которыми можно проводить дальнейшие эксперименты.

Список литературы:

1. Кирпяков С.  Моделирование процессов перемешивания и удаления неметаллических включений при продувке инертным газом в сталеразливочном ковше. Матерiали мiжнародної науково-технiчної конференцiї студентiв, аспiрантiв та молодих вчених. "Металлургия XXI века глазами молодых». — Донецьк, ДонНТУ — 2012.
2.  Физическое моделирование в металлургии. Марков Б.Л., Кирсанов А.А.М.:Металлургия,1984.119с.
3. Mazundar D, Kim H.B., Guthrie R.I.L. Критерии моделирования потока при обработке металла в сталеразливочном ковше с газовой продувкой: экспериментальное исследование // - Ironmaking and steelmaking. 2000 – Vol.27.No4. – P.302-308.