автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка рациональных режимов газодисперсных течений применительно к подаче порошковых материалов в металлургические расплавы и агрегаты

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХОАНГ ВАН ХОАН

;•' Г б ОД

/ В ИЮЛ 1383 УДК 669.1.001.57:621.1:533.(043.3)

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ГАЗОДИСПЕРСНЫХ ТЕЧЕНИЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПОДАЧЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РАСПЛАВЫ И АГРЕГАТЫ

Специальность 05.16.02 - металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

// -

Мариуполь - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре теплофизики и теплоэнергетики метал-лурпиеского производства Приазовского государственного технического университета Министерства образования Украины, г.Мариуполь.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор КАПУСТИН Евгений Александрович ПГТУ, профессор •

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ХАРЛАШИН Пётр Степанович ПГТУ, зав.каф.

кандидат технических наук МЕЛЬНИК Сергей Григорьевич ОАО " Азовсталь", г.Мариуполь, зам. начальника ЦЛМК

Ведущее предприятие: Донецкий государственный техни-

ческий университет Министерств;! образования Украины, г. Донецк Защита состоится " 3 " июля 1998 г. в 900 час на заседании специализированного ученого совета К 12.052.01. , в Приазовском государственном техническом университете по адресу: 341000, г.Мариуполь, пер. Республики 7.

С диссертацией можно ознакомитья в библиотеке Приазовского государственного технического университета. 341000 г.Мариуполь, ул. Апатова 115.

Автореферат разослан " 2. " июня 1998 г.

Учёный секретарь специализированного ученого совета, доктор тенических наук, профессор

МАСЛОВ В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В мировой практике нашли широкое применение технологии, основанные на вдувании порошкообразных материалов в доменные печи, стальковши и т.п. Подача в доменные пета пылеугольного топлива приводит к сокращению расхода кокса на 10-20 %. Применение порошкообразных материалов в кислородно-конвертерном и электросталеплавильном процессах обеспечивает сокращение на 30-40 % расхода легирующих и шлакообразующих порошков и одновременно рост на 3-5 % производительности агрегатов. Использование порошкообразных реагентов в процессах внепечной обработки даёт возможность получать стали особо высокого качества типа 09Г2ФБ, 09Г2БТ, 10Г2ФБУ. 13Г1СУ.

В странах СНГ широко известны достижения ДонНИИчермета и ГИПРОМеза (г.Москва) по разработке технологии и оборудования для вдувания пылеугольного топлива в горн доменной печи; ИЧМ HAH Украины (г.Днепрпетровск), ЦНИИЧМ (г.Москва), ВНИИТМ (г.Екатеринбург) по отработке технологии и оборудования для продувки жидкой стали в ковше нейтральными газами и порошками; УГТИ (г.Екатеринбург), МВМИ (г.Москва). ПГТУ (г.Мариуполь) - по внедрению процессов газопорошковой продувки металла в сталеплавильных агрегатах.

Актуальность темы определяется возрастающей потребностью разработки и внедрения в черную металлургию малозатратных технологических ■ процессов производства металла с использованием порошковых материалов. Это объясняется ограниченными запасами природного газа, коксу-ющихся углей и увеличением их стоимости. К числу приоритетных направлений производства качественнных сталей относятся технологии внепечой его обработки. Использование порошкообразных реагентов в этих процессах даёт возможность получать стали особо высокого качества. Однако, для широкого внедрения специальных режимов продувки в практику производства чугуна и стали необходимо отрабатывать также технологии транспорта порошка с большими пылевыми загрузками. При внедрении новых технологий и устройств фурмы и режимы продувки должны обеспечивать получение максимально возможной мощности истекающих струй.

Новым направлением металлургии производства порошка является диспергирование расплавов-малоизученная, но быстро развивающаяся область науки и техники. Процесс распыления сплавов является неотъемлемым элементом новых технологий в производстве металло порошков. Численные расчёты, выполненные с учётом труднодосту пных физических воздействий, позволяют прогнозировать развитие металлогазоваго факела, более глубоко изучить механизм пневматического дробления металла и выдать рекомендации по рациональному конструированию машин распыления сплавов.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена на основе программы НИР и ОКР ПГТУ на 1994-96г.

Цель и задачи исследования - совершенствование инженерных методов расчёта систем пневмотранспорта, создающих безимпульсационный транспорт порошков во взвешенном состоянии, а так же выработка рекомендаций по рациональному конструированию устройств для заглубленной подачи порошков в расплавы и агрегаты при минимальных затратах энергии.

Научная новизна полученных результатов. Научная новизна работы заключается в использовании комплекса математических моделей, которые позволяют на качественно новом уровне разработать рациональные режимы газодисперсных потоков, возникающих при организации процессов разгона и транспортирования порошкообразных материалов, подаваемых в расплавы и агрегаты в широком диапазоне изменения пылевой загрузки.

Практическое значение полученных результатов. По результатам проведенных исследований получены:

а)рекомендации по транспортированию газовзвсси с высокой пылевой загрузкой при минимальном расходе энергоносителей;

б) методы рационального использования энергии сжатых газов для обеспечения максимальной мощности газопорошковой струи, втекающей в металлургические расплавы;

в) способ увеличении энергии втекающей в металл газопорошковой струи за счёт использования наиболее сильного из физических воздействий - нагрева дисперсного потока в фурме путем передачи теплоты расплава через многослойную стенку фурмы; рскомендащпг по конструированию фурм;

г) аналитическое исследование сложного течения двухскоростного, двухтемпературного полидисперсного потока с учетом взаимодействия частиц между собой.

Использование результатов исследований на ОАО " Азовмаш " для расчёта параметров струй при продувке жидкого металла позволяет получить годовой экономический эффект в размере 45 тыс. грн за счсгт снижения удельных энергозатрат при подаче порошков.

Личный вклад соискателя. Проведена систематизация методов расчёта двухфазных потоков с учётом влияния следующих факторов: геометрии транспортного трубопровода (диаметра, длины и формы) и сопел фурмы, а также пылевой загрузки, размеров твердых частиц и их формы, начальных параметров несущей среды (температура, давление, расход). Разработаны рекомендации по транспортированию газовзвеси с высокой пылевой загрузкой при минимальном расходе энергоносителей. Численный эксперимент дал возможность учесть температуру внешней среда (температура расплава), нестационарность теплообмена, распределение температуры стенки огнеупорного блока и трубы по времени, скоростную г температзрную неравновесность, заглубление фурмы в расплав, расположе-

ние фурмы или участка трубы (течение вертикально вверх, вниз, горизонтальное. под углом), массовую долю различных газов - носителей в смеси, объем, занимаемый дисперсной фазой, материал, из которого изготовлен огнеупорный блок, насаженный на фурму, местные сопротивления (до 50 и более) транспортного трубопровода и др.

Апробация результатов исследования, публикации. Основное содержите диссертации опубликовано в 6 научных работах и тезисах докладов на конференциях.

Структура диссертации. Диссертация изложена на 134 стр. текста, включает в себя 34 рис. и 1 таблицу, состоит из введения, пяти глав, выводов, перечня использованных источников из 71 наименования и документа, подтверждающего практическое использование результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

РАЗДЕЛ 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОДИСПЕРСНЫХ ПОТОКОВ В СОВРЕМЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ ЧЁРНЫХ МЕТАЛЛОВ.

В настоящее время Украина потребляет ~ 86 млрд.м3 природного газа, а закупает ~ 70 млрд. В то же время, уменьшение расхода газа, например, в доменных печах, приводит к резкому увеличению расхода кокса и возникнет необходимость увеличения объемов его производства на наиболее вредном предприятии. Самыми авторитетными фирмами мира освоены современные технологии получения качественного чугуна без применения природного газа, но с широким использованием многоцелевой системы вдувания в доменную печь различных порошкообразных материалов. Так, например, в соответствии с разработанным в Японии способом компоненты подают в соотношении, %:карбвд кальция 47,5-95,5; уголь 50-2; магний 2,5-40. Используют бурые, длинопламенные, газовые, жирные и слабогорючие угли крупностью < 0,2 мм (по меньшей мере 90 % < 0,1).На доменной печи № 4 (завод в городе Табата фирмы "Син Ниппон сэйтэцу") удалось увеличить расход пылеугольного топлива до 90 кг/т чугу на. Специалистами фирмы British Steel Cjrp. опробованы и внедрены на трех доменных печах завода системы по вдуванию угольных гранул (производительность углеподготови-тельного отделения 1000 т/сут и более). Вдувание британских и канадских углей (влажность 1,4-7.7 %, летучие 22,1-38,6 %, зола 3,4-11,9 %, сера 0,3-1,6 %, С,„„=79,0-80:9 %) сопровождается их полным сгоранием у фурм и обеспечивает коэффициент замены кокса на уровне 1,0 кг/кг, при удельной производительности печей 2.3-2,5 т/м3/сут. Вдувание гранул на доменных печах завода Ravenscraig в Шотландии позволяет снизить расход электроэнергии с 43 до 36 кВтч/т за счет сокращения энергозатрат на помол и сушку угля.

На заводе в Дюнкерке вдувают в доменную печь угольно-рудную смесь (23 кг руды и 95 кг угля/т чугуна). Содержание кремния в чугуне снизилось на 0,15%, коэффициент распределения серы уменьшился с 36,8 до 28,3. В печь № 5 (завод в r.Chiba Works фирмы Kawasaki Steel Corp.) объёмом 2584 м3 вдували Fe- руду крупностью 250 мкм или ее смесь с СаСоз крупностью 109 мкм или с MgO-клинкером крупность 100 мкм. Состав руды, СаСоз и MgO (в %): Fe^m 66,3; 01 и 0; FeO 6,57; 0 и 0; СаО 0,46; 54,9 и 1,98; MgO ~ 0,31; 0,90 и 84,2; Si02 4,12; 0,48 и 6,98 соответственно. Доменную плавку вели при высоком расходе кокса и низкой температуре дутья (950-1050 °С). Вдувание только руды с расходом 50 кг/т чугуна не снижает содержание Si. Уменьшение содержания Si в чугуне до 0,2-0,4 добивались одновременной инжекцией в горн руды и флюсов. Вдувание железной руды в количестве 9,2 кг/т чугуна привело к снижению содержания Si в чугуне на 0,026 %. При подаче же смеси железной руды и известняка в количестве 12,4 кг/т чугуна достигнуто снижение S на 0,055 %, Изучено влияние дутьевых факторов и конструкций фурмы на горение дисперсного угля (размером 200 мкм) следующего химического состава (в %): С - 83,6; H - 4,6; N - 2,2; О - 9. Температура обогащенного дутья составила 800-1000 °С, коэффициент обогащения - до 10 %. Если при вдувании в печь пылевидного угля одновременно обогащать дутье кислородом, то можно достичь снижения расхода кокса (до 300 кг/т чугуна). В случае обогащения дутья до 60 % расход кокса снижается до 325 кг/т чугуна. Чугун получается с низким содержанием Si и S. Дополнительные расходы, как правило, окупаются в течение 1,5-2 лет.

Для широкого внедрения передовых технологий в практику производства металлов необходимо разрабатывать научные методы расчета транспортных систем и продувочных фурм. Проведена систематизация существующих математических моделей равновесного течения газовзвеси в транспортном трубопроводе.

Наиболее простыми являются модели равновесного течения газовзвеси. Их можно использовать при расчёте газодисперсных потоков с пылевой загрузкой ju, достигающей 50 - 100 кг/кг Коэффициент ц должен входить в выражения для расчёта показателя политропы «, газовой постоянной " псевдогаза "Ru, теплоёмкости с Рп »СЧ> > скорости звука ар, критической скорости акр, температуры торможения Т0, плотности рп, числа Маха Мц, чисел Рейнольдса Re а, Прандгля Ргц , газодинамических функций л (Л), г(Я), е{ Л) др. Так, например, скорость истечения равновесного двухфазного потока из сопла может определяться по уравнению:

Н'2 =

2n 1 п-11 + ц"

-RiTo

n-l

Vpo/

0,5

(1)

Г

Для приближённых расчётов пневмотрассы можно использовать интегральный метод, который заключается в том, что определяется плотность смеси рп , коэффициент трения Л„р, а также потери давления по длине, потери, вызванные необходимостью разгона частиц до стационарного режима, обусловленные воздействием силы гравитации, а также связанные с необходимостью преодоления противодавления и др. Тогда перепад давлений, срабатываемый в пылепроводе, можно рассчитать по уравнению:

= + -Р., (2)

где mi - массовый расход несущего газа; /,, Д F - длина, диаметр и площадь пылепровода; ри. рк - начальное и конечное давления; К -коэффициент Гастерштадта, характеризующий дополнительное сопротивление, возникающее при движении газовзвеси.

Выполнен анализ одномерной модели расчёта равновесного потока в двухфазных соплах, а также в скачке уплотнения, который возникает в сверхзвуковом двухфазном потоке при нерасчётном режиме истечения..

РАЗДЕЛ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОВЗВЕСИ ПРИ ОБРАБОТКЕ РАСПЛАВОВ ПОРОШКАМИ

Для правильного обоснования и выбора математической модели рассмотрены современные технологии производства стали и установки, которые являются физической моделью. К ним можно отнести технологии по вдуванию порошкоообразной извести в ванну кислородного конвертера, новый способ производства стали в печи EOF, которая является классическим примером сталеплавильного агрегата с минимальным расходом энергии на производство стали, установку для вдувания порошков и инертных газов в 160 т ковш (АДС - 2ПЗС - 160), смонтированную на МК им. Ильича.

Механика дисперсного потока строится на основе физических законов сохранения массы, импульса и энергии. Для квазистационарного одномерного движения монодисперсной смеси в фурме с подводом теплоты от расплава в предположении, что возможно осреднение плотности потока и вектора количества движения в пределах бесконечно малого участка за интервал времени, больший среднего времени пребывания в нём отдельных частиц, система дифференциальных и алгебрагических уравнений имеет следующий вид.

Уравнение движения гетерогенной среды через единицу площади

dwx dw2 dp

+ e2p2w2~ = ---Flw-F2w. (3)

Уравнение сохранения энергии смеси газа и частиц

с!х

/ 2 \ и

Л, + —

V 2

Уравнение движения частиц под действием увлекающих их вязких сил

е^Рг = | -—• (5)

о ах 2\м>1--н>2\

Уравнение баланса энергии, описывающее теплообмен между частицами и газом

(6)

Уравнение теплопроводности труб фурмы

рс

К

дт

д_

/

, дГ 1 & 3

Р + 28*

+ 42

п

(7)

В уравнениях (3)-(7): н1, р, е, Т, И - скорость, плотность, объёмная доля, температура, энтальпия фаз, причём 1 относится к газовой фазе, 2 - к твёрдой; ^1»,- сила трения фаз о стенку, сила межфазного трения; Со - коэффшщент аэродинамического сопротивления; £>/„,- тепловой поток, передаваемый от стенки фурмы к газовой фазе; 8 - диаметр частиц; а -коэффициент теплоотдачи.

Для численного решения дифференциальных уравнений использовался метод конечно - разностной аппроксимации. При расчёте системы пневмотранспорта задавали давление на выходе из системы рк - рос , диаметр частицы 6, их плотность рг, расход газа V и частиц ш2, выбирали газ - носитель ( воздух, Ы2, Аг, СН4 и др.), коэффициент Михаелидиса К, эквивалентную шероховатость л, характеристики элементов схемы (поворот, сужения, расширения, задвижки, металлрукав и т.д. ), угол наклона трубы (металлрукова) к горизонту.

В качестве примера использования модели односкоросгаого равновесного потока на рис.1 приведены результаты расчёта длинного пыле-провода. Как следует из рис. 1, закономерности распределения статического давления по пневмопроводу большой длины / таковы же, как и в коротких трубопроводах при течении " чистого " газа - в выходном

сечении происходит резкое падение давления. Заметим однако, что чем больше пылевая загрузка /I тем значительнее темп падения давления.

Рис. 1. Распределение давлениями скорости »'¡2 по длине / при различной пылеЕсй загрузке ¡л

Исходные параметры: О = 200 мм; Ун= 6000 М3Н; т2 = 645 * 3870 кг/мин; р2 = 2500 кг/м3; рк =0,11 бар; = 30 °С; К = 0,06; а = 0,3 мм, газ - носитель -

воздух.--р (/);.....\\>12 (/).

Если для случая течения однофазного потока это вызывает только прирост скорости, и естественно, дополнительный расход энергии, то при транспорте газопорошковой среды резкое ускорение приводит к повышенному, чаще всего недопустимому износу трубопровода.

РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПНЕВМОТРАНСПОРТА С МИНИМАЛЬНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ЗАТРАТАМИ Чтобы обеспечить устойчивое движение газопорошкового потока без залегания, без образования слоев, дюн, пробок и т.д. нельзя допускать состояния динамического равновесия фаз. Только скольжение фаз обеспечивает устойчивый режим работы транспортного трубопровода.

Более совершенной, естественно, является модель двухскоростного течения в трубе, основанная на следующих физических предпосылках.

Если создаётся перепад давлений на длине транспортного трубопровода (твёрдые частицы его не "чувствуют"), то газ - носитель в нём ускоряется. Частицы так же ускоряются, но только в результате обмена импульсами с несущей вязкой газовой средой. Поэтому в реальном пневмопроводе всегда существует разность скоростей А\9 = > 0, а

величина скольжения лн>, как было сказано выше, является движущей силой транспортирования твёрдых частиц.

Схема расчёта основана на следующих предпосылках. В местных сопротивлениях по общепринятым формулам вычисляются потери давления в чистом газе, а для дисперсной фазы - на этих же участках определяются изменения скорости. Затем на прямолинейном участке трубопровода путём численного решения дифференциальных уравнений находятся скорости газа и дисперсной фазы, а по ним - потери давления в трубе. Прн этом скорость газа с учётом его сжимаемости возрастает из - за падения давления, скорость дисперсной фазы, увлекаемой силой межфазного взаимодействия, также увеличивается, что позволяет без дополнительной эмпирической информации в ходе решения дифференциальных уравнений движения учесть потери на удар частиц о стенки, подъём дисперсной фазы, её разгон и т.п.

С учётом различного угла наклона пылепровода к горизонту а уравнение движения, записанное, например, для твёрдой фазы, имеют вид:

где, сила межфазного взаимодействия может быть определена как

В (9) коэффициент аэродинамического сопротивления можно рассчитать по уравнению:

На рис.2., в качестве примера, показано в;шяние диаметра порош-копровода и пылевой загрузки на скорости каждой из фаз и необходимое давление на входе в пылепровод. Повышение концентрации приводит к снижению динамического запаздывания, что естественно (рис.2). Однако, при увеличении ¡л до 50 кг/кг скольжение лм> газовзвеси по всей длине трассы поддерживается на уровне 2 м/с, что достаточно для исключения завалов порошка. по трассе.

(8)

~ о, 75Спр1£21 V/ - Ц'2 К и'/ - м>2 ) / ё,

(9)

(10)

0.4 л 0.35

а

"5

0,30

X

Q.

| 0.25 в>

§ 0.20 §

0,15 0.10

—jt* = 20 кг /кг ---jet= 50 кг 1кг

40

Ж

—т-гаг

Диаметр псскотрассы -Д-мм

Рис.2 Зависимость скорости воздуха м>1еых и частиц в выходном сечении, а также начального давления р„ от пылевой загрузки // пескотрассы Исходные параметры: 3 = 0,2 мм, /ъ - 2640 кг/м3, т2 — 200 кг/мин, рк= 0,12 МПа.

150 200 250 300

Рис.3. Распределение скорости газовой w, и твёрдой w2 фазы, а также объёмной доли Е2 вдоль пылепровода предельной длины 1„ред

Расчетные параметры : т2 ~ 200 кг/ мин ; = 19,2 кг/кг; р 2 -1.

1750 кг/м3;/=

Скольжение фаз тем больше, чем крупнее частицы газовзвеси (рис. 3). Уменьшение динамического запаздывания при подаче тонкоизмельченного порошка требует затрат дополнительной энергии. Таким образом, реальные газопорошковые потоки всегда двухскоростные. Проведений численный эксперимент и разработанные режимы газодисперсных течений в подводящих к металлургическим агрегатам пневмотрассе и фурмах могут найти широкое применение в инженерной практике.

РАЗДЕЛ 4. ДВУХСКОРОСТНОЕ МОНОДИСПЕРСНОЕ ТЕЧЕНИЕ ГАЗОВЗВЕСИ В ФУРМЕ С НЕСТАЦИОНАРНЫМ ТЕПЛОПОДВОДОМ.

Для фурмы, находящейся в расплавленном металле, характерны существенные тепловые потоки и, поэтому, естественно, нельзя не учитывать влияние одного из сильнейших физических воздействий на газодинамические параметры двухфазного течения. В этом случае систему уравнений движения газовой фазы и частиц необходимо дополнить уравнениями энергии для этих же двух фаз. Естественно, что в систему замыкающих соотношений войдут уравнения для расчета нестационарных тепловых потоков, передаваемых от расплава к дисперсной среде через разделительные стенки защитного огнеупорного блока и трубки фурмы. Распределение температуры торможения по длине фурмы можно получить из решения уравнения теплопроводности (7).

В качестве исходных данных задаются следующие параметры:

расход газа - носителя V, м3н /час; пылевая загрузка р, кг/кг; диаметр частиц

д., мм; плотность частиц р2, кг/ м'; внутренний диаметр фурмы, Д мм; длина фурмы /, мм; длина части фурмы, погруженной в расплав А, мм; плотность расплава р», кг/ м-\ текущее время продувки г, мин.

Выполненные многочисленные расч&гы дали возможность определить влияние пылевой загрузки р, разогрева трубы, а также целого рада факторов, прежде всего подогрева двухфазного потока, влияющего на мощность и импульс струй, истекающих из погруженной фурмы при продувке и порошками нейтральными газами в ковше.

путйм увеличения расхода порошка т2, сохраняя неизменным расход газа V1r или наоборот-при постоянном w? варьировать значением mt, то при сравнении этих двух вариантов для случая течения газодисперсной смеси в фурме одного и того нее диаметра D получаются существенно различные результаты.

Как следует из рис.4, в нашей постановке задачи (т2 = const) с увеличением р путём снижения VAr температура стенки фурмы iw уменьшается. Это объясняется тем, что с возростанием р коэффициент

Если изменять пылевую загрузку газовзвеси

мозкно

теплоотдачи в уравнении Ньютона падает быстрее, чем растёт температурный перепад и тепловой поток от стенки к газовзвеси снижается.

И^ж/с РщМПа 320г 100 г

240

160

80

0

80 60 40 20

0,7 0,6 0,5

I 0,4 0,3

1л,=800С

- - г*=зо°с

160 80

26,7

20 16

Рис.4. Влияние пылевой загрузки /4 на абсолютное давление перед фурмой р„, скорость и температуру газовой фаз \м2к, и твёрдой фаз в выходном сеченки фурмы

Исходные параметры: £> = 16 мм; 8= 0,3 мм.

Аналогично решены задачи для случая полидисперсного течения газопорошковых потоков в фурмах. Как следует из рис. 5, отставание по скорости у мелких частиц = 0,08 мм), существенно меньше, чем у крупных (5, = 0,8 мм). Это ещё раз подтверждает правильность выбора в столь сложной модели схемы расчёта и граничных условий решения дифференциальных уравнений, а также корректность использования экспериментальных данных. Результаты расчётов (рис.5) убедительно подтверждают, что, малозатратная технология подачи порошкообразных материалов в агрегаты и расплавы существенно зависит от правильного конструктивного оформления самой фурмы, и прежде всего,- от выбора её диаметра.

Пакет прикладных программ был передан Головному институту по проектированию металлургического оборудования ОАО " Алов

Рис.5. Влияние диаметра фурмы £> на распределение статического давления р, скорости несущей фазы и частиц wi по длине / -—— 0 = 20 мм;-----И-ЪЗ мм;

1 - <$=0,08 мм (30%); 2 - $=0,2 мм (30%); 3 - 5,= 0,8 мм (40%). Исходные параметры: / = 7,55 м; У„ = 400 м3/ч; т2 = 140 кг/мин; ¡л = 16,8 кг/кг ; рр = 6800 кг/ м3; ^=1600 °С; & = 2500 кг/ м3;/= 1,2; сг = 650 Дж/(кг-К); г = 0,5 мин; 8Ф = 85 мм; = 0,7 Вт/(м-К); Я = 3,07 мм; Л = 0,3 мм; кп = 0,7; £Г=

РАЗДЕЛ 5. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ГАЗОДИСПЕРСНЫХ СТРУЯХ К другому классу относятся задачи по расчёту параметров турбулентной струи с остывающими расплавленными частицами. Область использования таких технологий - распыление сплавов, факельное торкретирование и др..

Представлены решения для случая истечения изотермической струи в затопленное пространство той же плотности, в высокотемпературное пространство, затопленное не реагирующим трехкомпонентным газом и для случая втекания кислородной струи в высокотемпературный реагирующих газ (например СО). Из уравнения сохранения энергии для участка струи

м>

\pwCpTdF + $рм>— с11'=10-ь1,

(И)

получено, что изменение относительной скорости по длине сверхзвуковой нерасчётной струи составляет:

VI,

м>1р1

1

1 + 3

(12)

где , ч>х - скорости на срезе сопла и в сечении струи х-х; п =

-Рь

Ро.с

степень нерасчётности струи; g - присоединённая масса струи.

Методы расчёта параметров струи при истечении в горячее пространство остаются такими же, как и при истечении в холодное пространство. Необходимо особо строго учитывать температурные условия окружающей струю среды и влияние температуры на теплоёмкость. Для турбулентной газодисперсной струи с фазовыми превращениями уравнения неразрывности, сохранения импульса и переноса пульсационной энергии при численном решении приводится к виду

дЕ .дЕ

а-+ с1-

дх ду

д_ ду

дЕ

ду.

+е,Е=ф,,/12,М>Х1>™х!,Ьк),

(13)

Как показали расчёты, продольный и поперечный профиль скоростей и температур фаз наиболее существенно зависят от исходной температуры расплава Ц, температуры в окружающей среде 10,с и загрузки ц (рис.6,а,б).

Численные расчёты, выполненные с учётом труднодоступных физических воздействий, позволяют прогнозировать развитие металлогазового факела, более глубоко изучить механизм пневматического дробления металла и выдать рекомендации по рациональному конструированию машин распыления сплавов.

Рис.6 Распределение осевых скоростей м-1х, и^, температур (2 фаз по длине х а) и в поперечном сечении (х= 4000 мм; X =290) газометаллической струи (б), а также зависимость ширины струи от диаметра частиц 8 (рис.я, пунктир), 6 = 0,3 мм; ¡л = 6,86 кг/кг

15

ВЫВОДЫ

В процессе решения поставленных в диссертационной работе задач получены следующие основные результаты:

1. Анализ передовых технологий показал, что для уменьшения себестоимости чугуна и стали, повышения качества выпускаемого проката отечественные и зарубежные фирмы в расплавы и металлургические агрегаты с успехом вдувают различные порошкообразные матералы. Современные способы производства стали в кислородных конверторах или печах (ОБМ / Q - БОП, KMS, KS, Корф - СМ - процесс, печь EOF) основаны на широком использовании извести, угля, графита, которые вдувают, через донные, боковые, верхние фурмы.

2. Проведена систематизация математических моделей расчёта пневмо-транспортных пылепроводов и систем вдувания газопорошковых смесей, применяемых в металлургических процессах и установках. Использована система дифференциальных уравнений, включающих уравнения движения, сохранения энергии каждой из фаз дисперсной смеси, уравнение Фурье и целый ряд замыкающих соотношений, которые позволяют с помощью ПЭВМ рассчитать параметры дисперсных потоков в пылегазовых систе мах, соплах и фурмах с учётом целого ряда трудно доступных физических воздействий.

3. Программы позволяют определить необходимое давление газовзвеси перед фурмой, распределение статического давления, температуры и скорости газовой и твёрдой фазы по длине фурмы, потери давления и распределения скорости по длине транспортного трубопровода с учётом влияния следующих факторов: геометрии фурмы и транспортного трубопровода (диаметра, длины и формы), пылевой загрузки, размеров твёрдых частиц и их формы, начальных параметров несущей среды (температура, давление, расход). Разработаны рекомендации по транспортированию газовзвеси с высокой пылевой загрузкой при минимальном расходе энергоносителей.

4.. Совокупность результатов диссертационного исследования можно квалифицировать как использование математических моделей сложного течения дисперсных потоков для разработки, освоения и внедрения высоких технологий в металлургии, в частности в процессах газопорошковой интенсификации производства металлов.

5. Практическое использование результатов разработки рациональных режимов газодисперсных течений применительно к подаче порошковых материалов в металлургические расплавы и агрегаты даёт возможность повысить качество проектов, уменьшить сроки наладки оборудования, повысить надежность работы пылепроводов и фурм, создаёт условия для широкого применения ЭВМ в управлении технологическим процессом.

6. Результаты проведенного исследования могут быть использованы проектными организациями типа Гипромез, Стальпроект, ВНИИметмаш," Азовмаш" при проектировании металлургических комплексов по произ водству чугуна и стали. Они могут найти широкое использование на металлургических комбинатах, где внедряются современные технологии.

7. Результаты диссертационной работы внедрены на АО " Азовмаш ". Предполагаемый экономический эффект составляет 45 тыс. грн.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Современные технологии выплавки чугуна с применением порошкообразных материалов./ Хоанг Ван Хоан. //Вестник Приазовского гостехуниверснге-та.-1997.-№3.-С. 26-29.

2. Численное исследование движения газовзвеси в транспортном пылепрово-де./ Куземко Р.Д., Сельский В.И., Хоанг Ван Хоан. // Вестник Приазовского гостехуниверситета,- 1997,-№ 3,- С.223-228

3.. Распределение параметров в турбулентной струе при газовом распылении сплавов./ Куземко Р.Д., Наумов В.А., Хоанг Ван Хоан. // Вестник Приазовского гостехуниверситета.- 1997,- № 3.- С. 41-49

4. Куземко Р.Д, Хоанг Ван Хоан. Обзор современных технологий производства чугуна при минимальных затратах кокса// Экология промышленного города.-1997-С.63.

5. Куземко Р. Д., Сельский В.И., Хоанг Ван Хоан. Методы снижения выбросов мелкодисперсной пыли в стержневом отделении чугунолитейного завода.// Экология промышленного города.-1997-С.65.

6. Куземко Р.Д., Хоанг Ван Хоан. Исследование взаимодействия частиц в потоке при наличии фазовых превращений.// Экология промышленного города. - 1997-С.64.

17

АНОТАЦ1Я

Хоанг Ван Хоан. "Розробка рацюнальних режимов газодисперсних тсчш стосовно до пода mí порошкових MaTepianiB в металурпйш розплавн та згрегата". Дисертащя на здобуття вченого ступеня кандидата техтчних наук 3i спещлльносп 05.16. 02. "Металурпя чорних меташв", Приазовський державнт! техтчний ушверситет, м. Mapiymwib, 1998р.

Захищаються результата анамтичних дослщжень з моделювання двофазних течШ у каналах та соплах. Наводиться результата доошдження дисперсних TC4Üí з використанням комплексу математичннх моделей, що дозволяють на яысно новому piBHi описати двуфазные течно, що втшкаюгь при оргашзацп процеав розгону та транспоргування порошкоподабних матерцшв в* розплави. Розроблеш принципи конструювання, слщуючи яким монета зддйснювати правильний виб!р прилагав для реал1зацй' нових технолопй. Результата роботи пройшли дослщно-промислову апробацно на Мар1упольскому ВАТ "АЗОВМАПГ.

Krno40Bi слова: продувания, шертт гази, радкий метал, порошки, математичне моделювання, дисперсний полк.

АННОТАЦИЯ

Хоанг Ван Хоан. "Разработка рациональных режимов газодисперсных течений применительно к подаче порошковых материалов в металлургические расплавы и агрегаты". Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02. "Металлургия чёрных металлов", Приазовский государственный технический университет, г.Мариуполь, 1998г.

Защищаются результаты аналитических исследований по моделированию двухфазных течений в каналах и соплах. Приводятся результаты исследования дисперсных течений с использованием комплекса математических моделей, которые позволяют на качественно новом уровне описать двуфазные течения, возникающие при организации процессов разгона и транспортирования порошкообразных материалов в расплавы. Выработаны принципы конструирования,следуя которым можно осуществлять правильный выбор устройств для реализации новых технологий. Результаты работы прошли опытно-промышленную апробацию на Мариупольском ОАО"Азовмаш".

Ключевые слова: продувка, инертные газы, жидкий металл, порошки, математическое моделирование, дисперсный поток.

ANNOTATION

Hoang Van Hoan. "Development of rational modes of gasodispersion currents is aplicable to presenting the powdered material in metallurgical melt and units". Thesis on cosearching for a teaching degrees of candidate of technical sciences on professions 05.16.02, "Metallurgy of ferrous metalses", Azov State Technical University, Mariupol, 1998.

Protect results of theoretical and experimental studies on modeling of two-phase currents in channels and nozzles. Results of the analytical dispersion current

study with using a complex of mathematical models, allow on the qualitative new level to describe twophase current, appear at organizations of processes of dispersal and transporting the powdery material. On the base of developping mathematical models is recommend principle of construction systems pneumotransporting, following which possible realize a right choice of designs of devices, for realization of given parameters of two-phase flows.

Developping mathematical models are used on Open Stock Compani "Azovmasli" for the calculation of parameters of streems at blowing fluid metal.

Key words: blowing, inert gases, fluid metal, powder, mathematical modeling, supersonic flow.