автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и разработка физических основ проектирования и эксплуатации печей с барботажным слоем

Предисловие

1. Введение

2. Устойчивость газового объема, расположенного под уровнем тяжелой жидкости

2.1. Состояние вопроса

2.2. Устойчивость газового объема под уровнем жидкости

2.3. Устойчивость при взаимодействии идеальных жидкостей

2.4. Устойчивость при взаимодействии реальных жидкостей

2.5. Обсуждение результатов исследования и выводы

3. Разработка физической модели печи с барботажным слоем

3.1. Математическая модель гидродинамики барботажного слоя

3.2. Критерии подобия и пределы их изменения

3.3. Выбор моделирующих жидкостей

3.4. Описание экспериментальной установки

3.5. Выводы

4. Разработка методов измерений гидродинамических и тепломассообменных характеристик барботажного слоя и аппаратуры для их реализации

4.1. Определение пульсационных характеристик потоков и динамических нагрузок на ограждения печи

4.2. Определение локального истинного газосодержания

4.3. Определение площади межфазной поверхности системы газ-жидкость и локального значения показателя эффективности перемешивания

4.4. Определение локального значения коэффициента теплоотдачи от газа к дисперсной частице в потоке

4.5. Определение локального значения скорости двухфазного потока

4.6. Погрешность измерений при использовании разработанных методик и аппаратуры для их реализации и обработка результатов экспериментов

4.6.1. Определение пульсационных характеристик и динамических нагрузок

4.6.2. Определение истинного локального газосодержания

4.6.3. Определение площади межфазной поверхности и локального значения коэффициента массоотдачи

4.6.4. Определение локального значения скорости двухфазного потока

4.7. Выводы

5. Гидродинамика фурменной зоны

5.1. Пульсации параметров газового потока в фурмах и камерах сгорания, работающих под уровнем расплава

5.2. Структура и кинематика фурменной зоны при подаче газа через одиночную фурму

5.3. Структура фурменной зоны при подаче газа через систему параллельных фурм

5.4. Перемешивание слоя в фурменной зоне

5.4.1. Выбор функции отклика

5.4.2. Перемешивание при подаче газа через одиночную фурму

5.4.3. Влияние конструктивных размеров элементов печи на эффективность перемешивания в фурменной зоне

5.4.4. Оптимальные условия перемешивания в фурменной зоне

5.5. Опытно-промышленная проверка и внедрение в производство результатов исследования

5.6. Обсуждение результатов исследований и выводы

6. Гидродинамика зоны квазистационарного слоя

6.1. Распределение газа по объему барботажного слоя

6.2. Колебания ванны под действием газового потока

6.2.1. Механизм возникновения колебаний

6.2.2. Условия возникновения колебаний ванны

6.2.3. Параметры установившихся колебаний жидкости

6.3. Динамические нагрузки, испытываемые ограждениями печи, в результате механического взаимодействия газа с жидкостью

6.4. Внедрение в производство результатов исследований

6.5. Обсуждение результатов исследований и выводы

7. Гидродинамика надслоевого пространства

7.1. Движение двухфазного потока в надслоевом пространстве при продувке через одну фурму

7.2. Расчет брызгоуноса из слоя и высоты зоны сепарации в надслоевом пространстве

7.3 Влияние конструкции газораспределителя на динамику газожидкостного потока в надслоевом пространстве

7.3.1.Влияние межосевого расстояния

7.3.2. Влияние поперечного размера фурменного пояса и схемы расположения фурм на поведение двухфазного потока в надслоевом пространстве

7.4. Промышленная проверка результатов исследования и их внедрение в производство

7.4.1. Горизонтальный конвертер

7.4.2. Печь ПЖВ HJ1MK

7.5. Обсуждение результатов исследований и выводы

8. Тепломассообмен в барботажном слое

8.1. Коэффициент теплоотдачи в фурменной зоне

8.2. Поверхность раздела фаз в фурменной зоне

8.2.1. Влияние режима продувки и относительной высоты слоя

8.2.2. Влияние диаметра фурмы

8.2.3. Влияние числа фурм

8.2.4. Влияние межосевого расстояния фурм

8.2.5. Влияние поперечного размера печи и схемы расположения фурм

8.3. Обсуждение результатов исследований и выводы

9. Структура методики расчета печи с барботажным слоем

При научном прогнозировании путей развития технологического процесса или аппарата определяющее значение имеют идеи, положенные в основу критериев оценки перспективности данного процесса.

С позиций общей теории печей перспективным является технологический процесс или аппарат, обладающий минимальной энергоемкостью по сравнению с другими, аналогичными рассматриваемому, процессами или аппаратами. Соответственно, перспективным направлением развития существующего процесса или аппарата является такое направление, которое ведет к снижению его энергоемкости.

Энергоемкость понимается в данном случае более широко, чем энергетические затраты в рассматриваемой технологической операции. Энергоемкость процесса складывается из энергетических потенциалов всех исходных компонентов процесса и его продуктов.

Под энергетическим потенциалом компонента подразумевается сумма, состоящая из собственного энергетического потенциала компонента и энергозатрат, связанных с доведением его до того состояния, в котором он участвует в данном процессе, или которое получается в результате его завершения.

Такой подход одинаков для любого процесса независимо от его технологических особенностей. Однако в каждом отдельном случае требуется система критериев, позволяющих объективно оценить энергоемкость процесса. Эти критерии должны обеспечивать независимость оценки от элементов, носящих временный, конъюнктурный характер. Таких как, например, затраты на топливо или кислород, при определенном способе их добычи или производства, затраты на электроэнергию и т.д. В работах М.А. Глинкова [1], А.В. Ванюкова [2], В.И. Явойского [3], В.И. Баптизманского [4], Д.А. Диомидов-ского [5] и др. произведены оценки с этих позиций действующих и вновь 7 создаваемых процессов и аппаратов для производства черных и цветных металлов.

Приведенные в этих работах материалы показывают существенное преимущество процессов в барботажном слое перед процессами во взвешенном и плотном слоях.

Эти процессы и печи, разработанные на их основе, широко распространены в настоящее время в металлургии: кислородные конвертеры и конвертеры с донной продувкой в черной металлургии, горизонтальные конвертеры, шлаковозгоночные печи и печи А.В. Ванюкова в цветной металлургии. В перспективе предполагается еще большее их распространение в процессах плавления, подготовки сырья, обработки металла. Помимо металлургии они широко применяются в химии, энергетике, производстве стройматериалов и т.д.

Принципиальной особенностью процессов в барботажном слое, обеспечивающей высокие технико-экономические показатели, является создание в слое высоких объемных тепловых нагрузок. В сочетании с большой реакционной поверхностью это предопределяет высокую удельную производительность печи. Высокие температуры в расплаве создают благоприятные условия для образования бедных шлаков. Продувка расплава, особенно боковой струей, создает возможность наиболее полного использования ее энергетического потенциала. При этом значительная часть энергии струи расходуется на перемешивание расплава. Отходящие газы, барботируя сквозь расплав, способствуют также интенсивному обеднению шлаков. Перемешивание ванны создает благоприятные условия для растворения тугоплавких составляющих флюсов, что влечет за собой снижение их удельного расхода и соответствующее уменьшение выхода шлаков, т.е. в конечном счете, снижение потерь металла с ними.

Процессы в барботажном слое предъявляют определенные требования к конструкции печей, в которых они протекают. Высокие объемные тепловые 8 нагрузки при заданной производительности создают условия для минимизации рабочего объема печи. С другой стороны, в сочетании с интенсивным перемешиванием высокие объемные тепловые нагрузки требуют замены огнеупорной футеровки рабочего пространства печи гарнисажной. Подобная замена влечет за собой повышенный отвод тепла из рабочей камеры с охлаждающим агентом, что приведет к возрастанию энергоемкости процесса, если не будет предусмотрена последующая утилизация тепла охлаждающего агента. Должна быть предусмотрена также утилизация тепла отходящих из слоя газов. Для печей рассматриваемого типа это особенно важно, так как температура газов, покидающих слой, равна температуре слоя. Для того, чтобы удовлетворить перечисленным требованиям, печь с барботажным слоем должна быть небольших размеров, выполнена из металлических кессонов с системой комплексного энергоиспользования. Малые размеры делают ее легкоуправляемой, малоинерционной, что создает хорошие условия для полной автоматизации. Ряд преимуществ при этом имеют печи с боковым вду-вом. Они являются наиболее экономичными с точки зрения энергозатрат могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

Наиболее фундаментальный вклад в разработку и внедрение в производство нового наиболее перспективного поколения печей с барботажным слоем (печей ПЖВ), которые получили официальное название "печь А.В. Ва-нюкова", внесла группа ученых МИСиС, возглавляемая А.В. Ванюковым и В.П. Быстровым. Неоценима в этом титаническом труде роль сотрудников Норильского горно-металлургического комбината, на котором проводились полупромышленные испытания и внедрение в производство первой печи указанного типа. Большой вклад в эту работу внесли сотрудники таких организаций, как Гинцветмет, Гипроникель, Гипроцветмет, СКБЦМ и др.

Работы по внедрению модификации печи А.В. Ванюкова в черную металлургию и другие отрасли промышленности успешно проводит в настоящее время другая группа ученых МИСиС под руководством В.А. Роменца. 9

Большую помощь в этой работе оказывают сотрудники Новолипецкого металлургического комбината, а также институтов Стальпроект и Гипромез.

Автор выражает искреннюю благодарность своим сотрудникам и аспирантам: В.Г. Здановской, Г.Т. Альмусину, Н.К. Николаенко, Х.К. Стоимено-ву, Д.А. Егорову, А.П. Ковалевой и др., руками и талантом которых созданы уникальные для металлургии измерительные приборы, проведены бесчисленные эксперименты, обработаны и проанализированы их результаты.

Глубокую благодарность выражаю также заслуженным деятелям науки и техники России докторам технических наук В.А. Кривандину и В.А. Арутюнову за разностороннюю помощь, оказывавшуюся ими на протяжении всего времени проведения и оформления данной работы.

10

1. ВВЕДЕНИЕ

Задача разработки физических основ проектирования и эксплуатации печей с барботажным слоем решалась в данной работе путем исследования физических процессов, протекающих в печах А.В. Ванюкова, т.е. в печах с подачей газов в слой через боковые фурмы, расположенные под уровнем расплава.

Преимущество бокового ввода газа в расплав перед всеми остальными способами заключается в том, что он позволяет разделить ванну на несколько зон:

- зону барботажного слоя, в котором происходит активное перемешивание расплава, в результате чего энергично протекают технологические процессы, включая быстрое растворение тугоплавких флюсов с образованием металлической фазы и шлаков;

- подфурменную зону, где перемешивание отсутствует и создаются благоприятные условия для быстрого разделения фаз;

- зону надслоевого пространства, в которой могут подвергаться физико-химической обработке уходящие из слоя газы и находящийся в них унос (при необходимости в этой зоне можно организовать дополнительную генерацию тепла).

Таким образом, стационарная, непрерывно действующая печь с барботажным слоем и боковыми фурмами создает принципиальные возможности для проведения многостадийных технологических процессов в одном агрегате.

В настоящей работе исследовались процессы, протекающие в барбо-тажном слое и надслоевом пространстве. Изучение теплофизики и механики подфурменной зоны представляет собой самостоятельную задачу, которая в рамках данной работы не рассматривалась.

Барботажный слой в свою очередь можно разделить на две зоны:

11

- фурменную, расположенную в плоскости осевых линий фурм и отличающуюся тем, что в пределах этой зоны имеют место большие градиенты плотности, температуры и концентрации активной примеси, а также скоростей газа и тяжелой фазы, составляющих слой;

- зону квазистационарного слоя, в объеме которой указанные величины распределены относительно равномерно.

Вокруг выходного отверстия каждой фурмы формируется зона продувки. Ее внешняя граница определяется поверхностью, концентрация газа в каждой точке которой не превышает 2%. Внутри зоны продувки в зависимости от режима подачи газа могут существовать три области:

- газовая струя - область, располагающаяся вдоль продольной оси фурмы и ограниченная наружной поверхностью с концентрацией газа 98%;

- область двухфазного пограничного слоя, охватывающая газовую струю и заполненная двухфазным потоком, в пределах которого газ является сплошной средой, а тяжелая фаза (жидкость) - дисперсной; концентрация тяжелой фазы меняется от 2% на внутренней поверхности этой области до 60% на внешней;

- область пузырькового барботажа, в пределах которой тяжелая фаза является сплошной средой, а газовая - дискретной, находящейся в жидкости в виде отдельных пузырей; размеры этой области зависят кроме всего прочего от степени ассимиляции газа в жидкости: при полной ассимиляции область пузырькового барботажа практически отсутствует.

Истечение газа в слой через боковую фурму, расположенную под уровнем расплава, может происходить по-разному. На большинстве из действующих промышленных печей газ, поступающий в слой, распределяется в нем и движется к поверхности так, как это показано на рис.1,а. В этом случае зона продувки прижата к фурменной стенке и целиком совпадает с областью пузырькового барботажа, а основная масса расплава в ванне слабоподвижна. Газ движется к поверхности слоя вдоль фурменной стенки в виде потока пу

13 зырей, при этом к той же стенке смещается область физико-химического взаимодействия фаз. Будем называть такой режим продувки ванны пузырьковым.

В принципе, возможен другой режим подачи газа в слой, когда газ глубоко внедряется в расплав, а зона продувки располагается вдоль продольной оси фурмы и тем самым отдаляется от фурменной стенки (рис.1, б). При этом газожидкостный поток, движущийся к поверхности ванны по плавной траектории, генерирует вокруг себя циркуляционные токи жидкости, так что весь объем ванны оказывается заполненным газовыми пузырями. Будем называть такой режим продувки ванны струйным.

К моменту начала данной работы не было достоверных данных о возможности осуществления устойчивого струйного режима продувки.

Технологические процессы, протекающие в плавильных печах, представляют собой сложные процессы тепломассообмена при наличии химических реакций. В условиях высоких температур, имеющих место в плавильной ванные, скорость химической реакции не является величиной, определяющей результирующую скорость технологического процесса. Как правило, лимитирующим звеном являются процессы тепломассообмена, в том числе процессы ассимиляции тугоплавких флюсов и формирования и разделения металлических и шлаковых фаз. В связи с этим повышение технико-экономических показателей работы печи требует, прежде всего, оптимизации условий протекания процессов переноса тепла и массы в ее рабочем пространстве.

В печах с барботажным слоем происходит конвективный тепломассообмен между газовой и тяжелой фазами, формирующими плавильную ванну. В многофазных системах скорость процессов конвективного переноса зависит от величин межфазной поверхности, коэффициентов переноса и движущей силы процесса - градиента температуры или концентрации активной примеси. Характерной особенностью процессов переноса тепла или массы

14 примеси в барботажном слое является то обстоятельство, что почти во всем объеме слоя градиент температуры или активной примеси равен нулю. В этих условиях интенсификация процессов переноса возможна путем повышения интенсивности циркуляции расплава в слое и увеличения межфазной поверхности.

Увеличить межфазную поверхность можно двумя способами. Первый способ заключается в подаче технологически необходимого количества газа в слой через большое число фурм, равномерно распределенных на стенке печи. При этом газ вытекает в слой с малым импульсом и у фурменного носка распадается на пузыри, всплывающие к поверхности ванны будучи охваченными устойчивой пленкой жидкости. По этой причине за время существования пузыря межфазная граница не обновляется, и обменные процессы на ней идут за счет молекулярного переноса. Величина суммарной межфазной поверхности в этом случае зависит от общего числа пузырей, их размера и времени пребывания в слое.

Возможен другой способ увеличения межфазной поверхности и одновременной интенсификации процессов тепломассоотдачи - переход к струйному режиму продувки, когда тот же объем газов подается в слой небольшим числом фурм, находящихся на относительно большом расстоянии друг от друга. В этом случае газ, вытекая в слой в виде мощных струй, дробит окружающую его жидкость на капли и увлекает их в поток. Величина межфазной поверхности при этом складывается из суммарной поверхности капель в потоке и суммарной поверхности пузырей, образующихся после распада газового потока и движущихся к поверхности ванны. Изменяется и механизм межфазного обмена. На входе газового потока в слой, т.е. в зоне продувки, обменные процессы между газом и находящимися в нем каплями протекают за счет конвекции, причем весьма интенсивно, так как в этой зоне, с одной стороны, имеет место высокая относительная скорость движения фаз, а с другой - значительный перепад концентрации активной примеси или темпе

15 ратуры между фазами. Все это обуславливает высокие значения коэффициентов тепломассоотдачи. Назовем эту зону зоной активного обмена.

Таким образом, переход от пузырькового режима продувки к струйному является наиболее естественным путем повышения эффективности работы печей с барботажным слоем при подаче газа через заглубленные фурмы.

Следует подчеркнуть, что определяющее значение для процессов тепломассообмена имеет не суммарная поверхность контакта фаз в слое и, тем более, не равномерность распределения газа по объему слоя, а величина межфазной поверхности в зоне активного обмена.

Таким образом, эффективность работы печи зависит прежде всего от гидродинамики барботажного слоя, так как именно ею определяется интенсивность обменных процессов в слое. В свою очередь гидродинамика барботажного слоя определяется множеством геометрических, динамических, физических и других факторов: режимом продувки, расположением фурм на печи, высотой слоя жидкости над осью фурмы, продольным и поперечным размерами ванны, плотностью тяжелой фазы и др.

К моменту начала настоящей работы накопилось значительное количество публикаций, посвященных изучению гидродинамики и тепломассообмена в барботажном слое.

Полученные в экспериментах результаты в значительной степени противоречивы. Даже относительно глубины внедрения газа в жидкость нет единого мнения. Разброс результатов достигает 100 % и более. Весьма противоречивы сведения о переходе пузырькового режима истечения в струйный. Некоторые исследователи утверждают, что струйный режим возникает на сверхзвуковых режимах продувки [11], другие приводят экспериментальные данные, опровергающие это утверждение [12], третьи считают, что струйный режим продувки металлургической ванны практически невозможен [13]. В одних работах показано, что на режим продувки оказывают влияние все физические свойства газа и жидкости, высота слоя и скорость газа на

16 выходе из сопла [10], в других, что кроме скорости газа и плотности жидкости никакие иные параметры на режим продувки влияния не оказывают [12].

Много противоречий имеется и в сведениях по газонасыщению слоя, подъему уровня и выбросам ванны, капельному уносу, механизму взаимодействия между газом, жидким металлом, шлаком и т.д.

Основным недостатком цитируемых работ, с нашей точки зрения, является использование ненадежных инструментов и методов измерения функций отклика. Например, длина струи при продувке через заглубленную фурму часто измерялась на модели с использованием киносъемки. С целью визуализации потока исследуемая фурма помещалась возле стенки модели. Очевидно, при этом искажалась динамика взаимодействия газа с жидкостью, и соответственно, искажался результат опыта. Он искажался также в случае, когда фурму помещали вдали от стенки, так как камера при этом фиксировала не размеры собственно газовой струи в слое, а наружные контуры полости, оптические свойства которой отличались от таковых у жидкости, заполнявшей ванну модели.

Опубликовано немало работ, посвященных исследованию на моделях зависимости интенсивности обменных процессов от различных геометрических и режимных факторов. Коэффициенты тепло- и массоотдачи в этих зависимостях определяются по выходу продуктов, например, реакции сульфата натрия с кислородом воздуха или Na2S03 с водой. При этом утверждается, что таким образом производится изучение процессов хемосорбции, происходящих в реальном объекте. Вместе с тем, согласно теории подобия, выбор моделирующей реакции не может быть произвольным, а должен следовать из общей методики моделирования. Поясним сказанное на примере моделирования изотермического процесса массоотдачи, осложненного химической реакцией.

При создании модели промышленного аппарата в рассматриваемом случае приходится обеспечивать условия подобия, оперируя пятью группами

17 параметров: 1) геометрическими; 2) гидродинамическими; 3) массообменны-ми; 4) химическими; 5) физическими.

Геометрический масштаб модели определяется из соотношения L j 'обр

1.1) где /обр и /м - линейные размеры образца и модели соответственно, м.

Гидродинамическое подобие в первом приближении выражается равенством критериев Рейнольдса: обр'обр wM/M

1.2) обр где w - скорости потоков, м/сек; v - кинематический коэффициент вязкости, м2/с.

Если vo6p « vM, что имеет место, например, при моделировании жидкого металла с помощью воды, то из (1.1) и (1.2) следует, что гидродинамическое подобие будет выполняться, если:

И>м = /оИ>обр. (1-3)

Так как Sh = (3/o/D = /(Re), то при отсутствии химической реакции подобие массообменных процессов обеспечивается равенством (1.3). Однако при наличии химического взаимодействия в условиях изотермического процесса необходимо соблюдение равенства первого критерия Дамклера [15]: обр^обр кХ

W, обр

W.

1.4) где к- константа скорости реакции, 1/с.

Из (1.4) с учетом (1.1) и (1.3) получим: к -12к % 0 обр•

1.5)

Из соотношения (1.5) следует, что в соответствии с теорией подобия химическая реакция в модели должна иметь скорость в /02 раз большую, чем

18 в образце. Если в образце массообмен с химической реакцией протекает в неизотермических условиях, то процесс вообще не может быть воспроизведен на модели с выполнением требований теории подобия.

Таким образом, моделирующая реакция не может выбираться, исходя из удобства измерения ее результатов. Константа скорости этой реакции однозначно определяется условиями подобия.

Ряд работ посвящен описанию явления, возникающего иногда при попытке форсировать работу печи [18, 19]. Речь идет о появлении вибраций корпуса печи при использовании небольшого числа фурм с большим диаметром выходного отверстия. В этих работах дано описание условий, при которых возникали вибрации, представлены их амплитудно-частотные характеристики, однако, не предлагаются пути борьбы с этим явлением.

В результате, несмотря на обширный объем исследовательских работ по гидродинамике и тепломассообмену, проектирование печей рассматриваемого типа и их эксплуатация производится исходя из практического опыта. При этом наблюдается большое разнообразие ничем не обоснованных конструктивных и режимных решений.

Так, на печах с барботажным слоем, действующих в настоящее время (печах А.В. Ванюкова, горизонтальных конвертерах, шлаковозгоночных печах), величина межосевого расстояния фурм l$/d0 изменяется в пределах от 2,5 до 10,6; относительный продольный размер печей прямоугольного сечения l\/d0 - от 20 до 80; относительный поперечный размер /2/^о - от 16 до 56; относительная высота слоя Н = hjdo - от 4 до 20; относительный напор газа на выходе из фурмы

Р>Л

-от0,6 до 3.

В представленных относительных величинах d0 - диаметр выходного отверстия фурмы; /ф - расстояние между осями соседних фурм; 1\ и /2 - про

19 дольный и поперечный размеры печи; кж - высота слоя жидкости над осью фурмы при отсутствии продувки; wr - скорость газа на выходе из фурмы.

Изложенным выше определился круг вопросов, изучение которых позволило бы разработать физические основы проектирования и эксплуатации печей с барботажным слоем.

1. Дать однозначный ответ на вопрос о возможности осуществления устойчивого струйного режима продувки металлургического расплава через горизонтальную заглубленную фурму.

2. Получить численный показатель, определяющий переход пузырькового режима истечения в струйный.

3. Изучить влияние на тепломассообмен в слое и брызгоунос из него следующих факторов: режима продувки, глубины погружения фурм под уровень расплава, межосевого расстояния фурм, диаметра выходного отверстия, схемы расположения фурм на противоположных стенках печи, поперечного и продольного размеров фурменной зоны печей прямоугольного сечения, высоты надслоевого пространства.

4. Изучить возможность возникновения и характер воздействия на печь нежелательных побочных явлений в ходе форсирования ее технологического процесса и разработать мероприятия по борьбе с подобными явлениями.

5. Создать методику расчета оптимальной конструкции и оптимального гидродинамического режима работы печи.

6. Разработать и изготовить инструменты и методы, позволяющие численно измерять изучаемые величины без использования методик, основанных на кино-фотосъемке, а также методов косвенной или качественной оценки. При осуществлении моделирования жестко придерживаться требований теории подобия и математической статистики.

7. Проверить в промышленных условиях достоверность полученных результатов.

21

Основные результаты работы проверены в ходе опытно-промышленных испытаний и переданы в производство в виде рекомендаций и технологического регламента на проектирование.

331

10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено комплексное исследование влияния основных конструктивных и режимных параметров на работу печи с барботажным слоем.

В процессе экспериментальных исследований объективность и достоверность результатов обеспечивались использованием только прямых методов измерения функции отклика, а также соблюдением положений теории подобия и математической статистики.

На основании аналитического исследования процесса взаимодействия газа, вытекающего в жидкость через погруженную фурму, впервые доказана возможность существования под ее уровнем устойчивой газовой струи. Создана физическая модель взаимодействия газовой струи с окружающей ее жидкостью, не противоречащая имеющимся экспериментальным данным. На базе этой модели установлено существование двух устойчивых режимов продувки: пузырькового и струйного. Получен критерий подобия, характеризующий режим истечения, и найдены его численные значения, соответствующие устойчивому пузырьковому и устойчивому струйному режимам истечения.

Показано, что все действующие печи с барботажным слоем и боковой подачей газа работают в пузырьковом или переходном режимах продувки, при которых в недостаточной степени используются технологические и эксплуатационные возможности печи, практически не реагирующей на изменения скорости истечения газа в слой, высоты слоя, размеров печи и расположения фурм.

При переходе к струйному режиму продувки производительность печи может возрасти в несколько раз, улучшаются условия службы фурменного пояса, печь становится чувствительной к изменению режимных и конструктивных параметров.

329

Впервые на модели путем измерения локального газосодержания изучена структура зоны продувки. Выделены три области течения в этой зоне, отличающиеся гидродинамикой и механизмом межфазного обмена. Получены эмпирические формулы, позволяющие определить размеры зоны продувки и ее отдельных областей, структуру зоны продувки и ее кинематику. Установлены особенности поведения газовой струи и протекания обменных процессов в пределах зоны продувки, получена формула для определения коэффициентов тепло- или массоотдачи от газа к дисперсным частицам в пределах фурменной зоны. Получены значения удельной межфазной поверхности, образующейся в этой зоне.

Впервые экспериментально и аналитически изучено динамическое взаимодействие ванны с ограждениями печи и газовым потоком, движущемся через фурмы. Установлено, что воздействие ванны на газовый поток внутри фурмы сводится к генерации в нем пульсаций давления с частотой от 3 до 30 Гц. Получена эмпирическая формула, позволяющая определить амплитуду пульсаций в низкочастотном спектре для конкретных условий продувки. Динамическое воздействие ванны на газовый поток необходимо учитывать при разработке сожигательных устройств, работающих под уровнем расплава. Показано, что амплитудно-частотные характеристики газового потока удобно использовать для контроля за ходом печи.

Изучен механизм возникновения вибраций корпуса печи при определенных режимах продувки. Установлено, что причинами возникновения наиболее опасных низкочастотных вибраций печи являются волновое движение ванны и поршневой режим хода печи. Изучены условия возникновения волнового движения ванны, получены формулы, позволяющие на стадии проектирования рассчитать размеры печи, массу садки и режим продувки, при которых волновое движение ванны невозможно, либо не представляет опасности для печи. Установлены условия, при которых в объеме ванны не образуются газовые поршни. Представленные формулы позволяют также рассчи

330 тать допустимые с точки зрения возникающих динамических нагрузок режимы продувки и массы садки для действующих печей.

Предположив, что технологические показатели работы печи зависят от эффективности перемешивания ванны в фурменной зоне, определили оптимальные значения высоты ванны, межосевого расстояния фурм, поперечного размера печи и схемы расположения фурм на противоположных стенках печи. Установлено, что оптимальные с точки зрения эффективности перемешивания размеры элементов печи, высота слоя и схема расположения фурм на противоположных стенках одновременно обеспечивают максимальное значение удельной межфазной поверхности, минимальный брызгоунос из слоя и минимальный уровень динамических воздействий ванны на ограждения печи.

Впервые для печей с барботажным слоем при продувке сбоку проведено комплексной исследование процессов образования брызг на выходе из слоя и их поведения в надслоевом пространстве. Установлена зависимость этих процессов от режима продувки и благотворное влияние на них перехода от пузырькового к струйному режиму продувки. Разработана методика расчета массы брызг, выносимых из слоя, получены эмпирические формулы, позволяющие определить высоту зоны сепарации брызг, массу брызг, уносимых из печи, и массу брызг, возвращаемых из надслоевого пространства в слой. Разработана методика расчета теплового потока (или потока массы активной примеси), передаваемого в слой из надслоевого пространства с возвращаемым уносом.

1. Глинков М.А., Кобахидзе В.В., Омаров Э.М. // Доклад на всесоюзном семинаре по пирометаллургии меди. -М.: МИСиС, 1972.

2. Ванюков А.В. // Цветные металлы, 1980, № 10.

3. Essa S.H. Schugekl К. // Chem. Eng. Sei., 1975, vol. 30, № 7.

4. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса. М.: Металлургия, 1975.

5. Диомидовский Д.А. Металлургические печи цветной металлургии. М: Металлургия, 1970.

6. Аэров М.Э., Тодесс О.М. Гидродинамические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Д.: Химия, 1968.

7. Шахова Н.А. Дис.докт. техн. наук. М.: МИХМ, 1966.

8. Васильев А.С., Талачев B.C., Павлов В.П., Плановский А.Н // Теоретические основы химической технологии, 1970, № 5.

9. Кутателадзе С.С., Стыркович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976.

10. Мастрюков Б.С., Сборщиков Г.С. Теплофизика металлургических процессов. М.: Металлургия, 1993.

11. Payne G. // Trans. Inst. Chem. Eng., 1975, vol. 53, №34.

12. Сурин B.A., Ерофеев A.C., Григорьянц A.C. // ИФЖ, 1979, т. 34, №3.

13. Спесивцев А.А. Дис.канд. техн. наук. М., МИСиС, 1973.

14. Кирсанов А.А., Марков Б.Л., Богатенков В.Ф. // Применение кислорода для продувки ванны в мартеновских печах, ЦБТИ, Челябинск, 1965.

15. Данквертс П.В. Газожидкостные реакции. Л.: Химия, 1973.

16. Гречко А.В. Исследование гидродинамики и массообмена в печах типа фьюмин-говых. Дис.канд. техн. наук. М.:МИСиС, 1972.332

17. Аксельруд Г.А., Гумницкий Я.М. и др. // Теоретические основы химической технологии, 1977, том XI, № 1.

18. Афанасьев М.М. // Основания, фундаменты и механика грунтов, 1975, № 6.

19. Евдокименко А.И., Савин Н.В., Гнатовский Е.С. // Труды ин-та Гинцветмет, 1974, вып. 37.

20. Казанцев И.Г. Термическая и пластическая обработка металлов // Труды Жда-новского металлургического института, М.: Металлургиздат, 1952, с.72.

21. Иванцов Т.П., Кудрявцева Э.М. // Труды ЦНИИЧМ, вып. 21, 1960, с.48.

22. Хмелевская Е.Д. Использование твердых топлив, сернистых мазутов и газов, М.: Наука, 1964.

23. Keep, Деккер. // Труды международного конгресса по кислородно-конвертерному процессу в Тукеи и Дюнкерке. М.: Металлургиздат, 1966.

24. Фролов В.А. // Изв. вузов. Черная металлургия, 1967, № 3.

25. Эпштейн JI.A., Вольгрот И.Э. // Труды ЦАГИ, вып. 1061, 1967.

26. Марков Б.А. Дис.докт. техн. наук. М.: МИСиС, 1970

27. Явойский В.И., Кравченко В.Ф., Ежов А.А. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия, 1973, №3.

28. Абрамович Т.Н. Теория турбулентных струй, М.: Физматгиз, 1960.

29. Гликман Б.Ф. // Изв. АН СССР. Энергетика и автоматика, 1959, № 2.

30. Моисеев М.Г. // Инженерно-физический журнал, 1962, т. 5, № 9.

31. Themelis N. Y., Tarasoff P., Szekely Y. // Trans, of AIME, 1969, v.245, (November).

32. Шахова H.А.,Минаев Г.A. // Инженерно-физический журнал, 1970, т. 19, № 5.

33. Шахова Н.А.,Минаев Г.А. // Инженерно-физический журнал, 1970, т. 19, № 6.

34. Мархевка В.И. Дис.канд. техн. наук. М.:ВНИИНП, 1970.

35. Вахрушев И.А. // Теоретические основы химической технологии, 1972, т.6, № 1.

36. Дорофеев Б.А., Явойский В.И., Повх И.Л. // Изв. АН СССР. Металлы, 1969, № 4.333

37. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972.

38. Линь Ц.Ц. Теория гидродинамической устойчивости. М.: И.-Л, 1958.

39. G. Taylor//Ргос. Roy.Soc (London), 1950, А201

40. G. Wolf// Physik Rev. Letters, 1969,227.

41. G. Wolf// Physik Rev. Letters, 1970,24.

42. Кочин H.E., Кибель И.А., Розе H.B. Теоретическая гидромеханика, т.1. М.: ГИФМЛ, 1963.

43. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970.

44. F. Troyon, R. Gruber // Physik of Fluids, 1971, v. 14, №10.

45. Сборщиков Г.С., Неведомская И.Н., Ковалева А.П. и др. // Цветные металлы, 1977, № 7.

46. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1971.

47. Мак-Лахлан Е.В. Теория и приложения функции Матье. М.: И-Л, 1953.

48. Цой П.И. // Изв. АН СССР. Механика жидкостей и газов, 1966, № 5.

49. Седельников Т.Х. Автоколебательное шумообразование при истечении газовых струй. М.: Наука, 1971.

50. Абрамович Г.Н. и др. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984.

51. Глинков М.А., Сборщиков Г.С., Неведомская И.Н. // Изв. вузов. Черная металлургия, 1974, №1.

52. Глинков М.А. Сборщиков Г.С., Неведомская И.Н. // Изв. вузов. Черная металлургия, 1974, №3.

53. Сборщиков Г.С. // Изв. АН СССР. Металлы, 1977, № 6.

54. Сборщиков Г.С. Механика двухфазных систем газ-жидкость. // Итоги науки и техники. Серия: металлургическая теплотехника, 1986.

55. Варенцов А.А., Капустин Е.А. // Изв. АН СССР. Металлы, 1983, № 6.334

56. Быстров В.П., Ванюков А.В., Васкевич А.Д и др. // Цветные металлы, 1980, № 10.

57. Сборщиков Г.С. Дис.канд. техн. наук. -М.: МИСиС, 1974.

58. Гречко А.В., Нестеренко Р.Д., Кудинов Ю.Д. Практика физического моделирования на металлургическом заводе. М.: Металлургия, 1976.

59. Гудима М.В., Шейн Я.Я. Краткий справочник по металлургии цветных металлов. М.: Металлургия, 1975.

60. Явойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. М.: Металлургия, 1974.

61. Марков Б.Л. Методы продувки мартеновской ванны. М.: Металлургия, 1975.

62. Сборщиков Г.С., Неведомская И.Н. // Цветные металлы 1976, № 6.

63. Горский В.Г., Бродский B.C., Липкинд Б.Я., Сборщиков Г.С. // Заводская лаборатория, 1978, № 10.

64. Сборщиков Г.С., Здановская В.Г. // Труды Всесоюзной конференции "Кислородно-газовая интенсификация процесса выплавки стали". Киев : Наукова думка, 1982 .

65. Альмусин Г.Т., Сборщиков Г.С., Свистунов B.C. // Материалы всесоюзной конференции "Струйные течения жидкостей и газов". Новополоцк, 1982.

66. Сборщиков Г.С., Стоименов Х.К., Альмусин Г.Т. // Цветные металлы, 1983, № 8.

67. Сборщиков Г.С., Егоров Д.А. Зотов П.В. // Изв. вузов. Черная металлургия, 1983, № 11.

68. Сборщиков Г.С., Никулин Ю.В., Яшукин И.В., // Изв. вузов. Черная металлургия, 1993, № 1.

69. Федосьев В.И. и Синярев Г.Б. Введение в ракетную технику. М.: Оборонгиз, 1960.

70. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение, М.гГИФМЛ, 1961.

71. Захаров Ю.Г. // Труды ЦАГИ, 1960, вып. 19.335

72. Арнольд Э.Э., Бакман М.Е., Баранов Н.З. Напряжения и деформации в деталях и узлах машин. М.: Машгиз. 1961.

73. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. М.: Энергия, 1966.

74. Свистунов Е.П., Голубев В.П., Пигилов Ю.Д. // Теплоэнергетика, 1980, № 3.

75. Солодов А.В. Теория информации и ее применение к задачам автоматического управления и контроля. М.: Машиностроение», 1967.

76. Гинзбург И.П., Сурин А.В., Усков В.Н. // Межвуз. сб. "Гидроаэромеханика и теория упругости", вып. 23, Днепропетровск, 1978.

77. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией. JL: Химия, 1971.

78. Стоименов Х.К., Сборщиков Г.С., Альмусин Г.Т. // Цветные металлы, 1983, № 8.

79. РодионовА.И., Шабденбеков У. // Труды МХТИ им. Д.И.Менделеева, 1972, вып.69.

80. Miller D.N. // AIChE Ioumal, 1974, vol. 20, № 3.

81. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969.

82. Глинков М.А., Евдокименко А.И., Сборщиков Г.С. и др. // Цветные металлы», 1972, №4.

83. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. М.: Мир, 1967.

84. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1971.

85. Сурин В.А., Евченко В.Н., Рубин В.М. // ИФЖ, 1983, т. XIV, № 4.

86. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А. // Доклады АН СССР, 1973, т. 212, № 3.

87. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М: Химия, 1973.

88. Гинзбург И.П., Сурин В.А., Багаутдинов А.С. // ИФЖ, 1977, т.ЗЗ, № 2.

89. Ferretti А. // La mettalluzrgia Italiana, 1978, № 12.

90. Адлер Ю.П., Марков Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.336

91. Кравченко В.А. Дис.канд. техн. наук. М., 1969.

92. Themelis N.E., Tarassoff P.S. // Trans, of AIME, 1969, vol. 245, №.11.

93. Зекели Дж., Эль-Кадах, Гревет Дж. А. // Труды 2-ой международной конференции "Инжекционная металлургия, 1980", 1982.

94. Левин С.П. // Научные труды Днепропетровский металлургический института, 1979, вып. 19.

95. Шалыгин JI.M. Конвертерный передел в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1965.

96. Глинков М.А., Гречко А.В., Неведомская И.Н. // Цветные металлы, 1971,№ 7.

97. Сборщиков Г.С., Неведомская И.Н. // Цветные металлы 1977, № 4.

98. Сборщиков Г.С., Здановская В.Г., Кривандин В.А. Стоименов Х.К.// Цветные металлы, 1981, № 6.

99. Сборщиков Г.С., Альмусин Г.Т., Кривандин В.А. // Труды Ш научной конференции "Тепло и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов". Жданов, 1982.

100. Сборщиков Г.С., Неведомская И.Н. // Труды МИСиС, 1978, №107.

101. Рабинович Г.Д. // Труды института энергетики АН БССР, 1988, вып.14.

102. Абрамович Г.Н. Лебедев А.Б. // Технический отчет ЦИАМ, 1984, Инв. № 10077.

103. Абрамович Г.Н. // Турбулентные двухфазные струйные течения. ч.П. Таллин: 1985.

104. Сборщиков Г.С., Николаенко Н.К. // Цветные металлы, 1985, № 7.

105. Сборщиков Г.С., Николаенко Н.К. // Изв. вузов. Черная металлургия, 1985 №7.

106. Сборщиков Г.С., Николаенко Н.К. // Цветные металлы, 1990, № 9.

107. Gestrich W., Krauss W. // Chem. Ing. Techn., 1975, № 29.

108. Сборщиков Г.С. // Изв. вузов. Цветная металлургия, 2001, №1.

109. Лепешинский И.А., Зуев Ю.В., Бажанов В.И. // Газотермодинамика многофазных потоков в энергоустановках. Харьков, 1978, вып. 1.

110. Расход времени на производство I*.черновоймеди в среднем за период испытаний.86%

111. Наименьший достигнутый расход временина производство 1т. черновой меди.ч50й

112. В ходе испытаний воздушного тракта на пустом конвертере при даввозмохного,а наивысший часовой расход,достигнутый в испытаниях, сосконвертер имеет значительный резерв по дутьв и соответственно резервпо производительности.

113. Разработанную конструкцию рекомендуется внедрить в производство для переработки больших объемов штейна.ленки воздуха в воздуховоде 0,5 ати расход era составил 75£Юнм /

114. В ходе продувок цри давлении 0,65ати средний часовой расход воздуха на конвертер составил 4411нм^/час,т.е. 59&>т максимально

115. Начальник технического отдела УКСЦК