научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОАЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ФУРМЫ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОАЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ФУРМЫ»

УДК 669.02.09, 669.042

ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОАЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ФУРМЫ

© Коновалов Георгий Владимирович, канд. техн. наук, e-mail: g.v.konovalov@mail.ru;

Косовцева Татьяна Реональдовна, канд. техн. наук, e-mail: tkosov@list.ru;

Цыбизов Алексей Васильевич, канд. техн. наук, e-mail: steed_p@mail.ru; Амосова Анна Петровна

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Россия, Санкт-Петербург

Статья поступила 10.12.2014 г.

Вертикальный конвертер оснащен единичной вертикальной фурмой для подачи кислородного дутья. Существенным эффектом такой подачи является обратное разбрызгивание металла, увеличивающее износ фурмы. В принципиально новом способе пространственно ориентированной подачи дутья этот нежелательный эффект устраняется: подача дутья осуществляется с применением нескольких радиально-осевых фурм особой конструкции. Фурмы, имея небольшое гидравлическое сопротивление охлаждающих каналов, соответствуют условиям, необходимым для использования системы охлаждения при разрежении, а за счет горизонтального периферийного их расположения позволяют уменьшить высоту цехового сооружения. Фурма разработанной конструкции испытана при продувке 5 т медно-никелевого штейна.

Ключевые слова: конвертирование; штейн; фурма; подача дутья; система охлаждения.

С 1860-х годов бессемерование чугунов стало достоянием русских металлургов. По ходу освоения процесса они углубляли представления о его физико-химических закономерностях, условиях переработки чугунов разного состава, получения сталей с различными свойствами, совершенствовалось металлургическое оборудование и т.д.

Таким образом, для бессемерования чугунов и штейнов широкое распространение в металлургической практике получил кислородный вертикальный конвертер (КВК) [1, 2].

Как показывают опыты на физических моделях и практика работы КВК, существенным эффектом, возникающим при вертикальном расположении фурмы, является интенсивный выброс брызг расплава, под действием сил Архимеда, направленных вверх. Этот эффект можно визуально оценить на физической модели (рис. 1). Достигая поверхности фурмы и омывая ее, потоки расплава создают чрезмерную термическую нагрузку в рабочей зоне фурмы, что приводит к ее разрушению со всеми вытекающими последствиями. Для таких условий необходимо интенсивное принудительное охлаждение фурмы, которое на практике осуществляется водой. Для охлаждения кислородных фурм вода подается в промежуточную трубу, концентрически охватывающую дутьевой канал и доставляющую воду вниз к дутьевой головке. Из дутьевой головки вода возвращается по

кольцевому каналу, образованному промежуточной трубой и наружным кожухом. Дутьевой канал таких фурм выполняется по центральной оси фурмы. Следует также отметить, что для подачи дутья через вертикальную фурму необходима большая высота цехового сооружения, что обусловлено самим периодическим принципом работы КВК.

Особый характер движения расплава наблюдается под действием наклонных (пространственно ориентированных) струй дутья при наличии нескольких фурм, расположенных по периферии цилиндрического аппарата с ориентацией струй по касательной к «зеркалу» ванны [3]. В этом случае возникает интенсивное вращение расплава (рис. 2). Выбросы брызг из аппарата практически исчезают, поскольку благодаря направленности струи дутья они попадают на цилиндрическую поверхность аппарата и возвращаются в ванну, при этом количество подаваемого дутья, приходящегося на единицу объема аппарата, многократно возрастает по сравнению с единичной вертикальной фурмой.

Возможность периферийной пространственно ориентированной подачи дутья реализуется с помощью фурмы новой конструкции [4, 5], при разработке которой рассматривали следующие необходимые условия:

- возможность многократного сокращения размеров огневой (рабочей) зоны фурмы и снижения расхода воды на ее охлаждение;

- обеспечение охлаждения под разрежением;

- возможность уменьшения высоты цехового сооружения вследствие горизонтального периферийного расположения нескольких фурм;

Рис. 1. Физическая модель поведения ванны при вертикальной подаче дутья; расход дутья 0,4 м3/мин

Рис. 2. Физическая модель поведения ванны при пространственно ориентированной подаче дутья; расход дутья 2,4 м3/мин; вертикальная фурма отключена

Рис. 3. Фурма горизонтального типа: 1 - колпак; 2 - головка фурмы;

3 - дутьевая насадка; 4 - центральная труба; 5 - внешняя труба; 6 - дутьевой стакан; 7 - сальник; 8 - контргайка; 9 - промежуточная труба; 10 - стакан водяного охлаждения

Рис. 4. Схема экспериментального стенда: 1 - компрессор; 2 -дисковая диафрагма; 3 - фурма; 4, 6, 7 - манометры, 5 - микроманометр

- создание регулярного вращательного движения расплава.

Таким условиям отвечает разработанная профессором Горного университета Л.М.Шалыгиным фурма принципиально новой конструкции (рис. 3).

Магистральная часть фурмы новой конструкции, как и обычной фурмы, собирается из комплекта трех стандартных стальных труб, концентрически входящих одна в другую. Однако назначение каналов, образуемых этими трубами, иное. По центральной трубе 4 подается вода, а дутье - в кольцевой канал, образованный центральной 4 и промежуточной 9 трубами. Этот кольцевой канал заканчивается дутьевой камерой, выполненной

в выточенной медной головке 2. В головке высверливается дутьевая насадка 3, причем ось ее направлена под углом 120° к продольной оси корпуса фурмы. Дутьевая насадка подвергается необходимой внутренней обработке.

Система охлаждения фурмы также отличается от обычных фурм. Поскольку вокруг водопро-водящей трубы существует кольцевой канал, заполненный газовым потоком, вода в ней сохраняет первичную минимальную температуру и при такой температуре с максимальной скоростью ударяет в днище дутьевой головки 1, выполненное в форме колпака и сочлененное с головкой резьбовым соединением. Таким образом достигается максимальная интенсивность охлаждения этой наиболее теплонапря-женной детали. Из полости колпака вода устремляется по продольно высверленным отверстиям в кольцевой канал отвода воды. Вся сборка дутьевой головки выполняется на резьбовых соединениях и, в отличие от существующих кислородных фурм, не имеет на рабочем конце сварных швов, что существенно повышает ее эксплуатационную надежность.

Для осуществления процесса конвертирования медных и медно-никелевых штейнов предложены фурмы новой конструкции, которые имеют иные конфигурации дутьевого канала и системы охлаждения, нежели обычные водоохлаждаемые кислородные фурмы. Аналитическое математическое описание канала сложной формы затрудненно, поэтому коэффициенты гидроаэродинамического сопротивления были найдены с помощью экспериментального стенда гидродинамических испытаний (рис. 4).

В качестве рабочей гидродинамической характеристики концевой насадки цилиндрической формы принят суммарный коэффициент ф, определяемый как отношение теоретической удельной нагрузки на 1 м2 (при ф = 1 по измеренным значениям давления дутья р1 и его температуры Т) к практическому расходу, измеренному с помощью диафрагмы (й = 53 мм, 4 = 17 мм).

Расчет гидроаэродинамических характеристик выполнен по формулам

= +1),

1>™ор = 0,12 (рг+ Ро)х

Ро

Р1+Р0

\ 1,429 / \ 1,714

] ~

) \Р1+Ро)

(1) (2)

(3)

Ф = ^КГР> (4)

где к - коэффициент дисковой диафрагмы (к = 0,527-10-6 м3/с); Г - площадь сечения насадки, м2; Ак - перепад давления на дисковой диафрагме, Па; р0 - атмосферное давление, Па; р1 - давление истечения, Па; рд - давление на диафрагме, Па; Т - температура дутья, К; и0 - расход дутья, м3/с; г^, ^уд0р - практическая и теоретическая удельные нагрузки, м3/(м2-с).

Результаты измерений на воздушном канале с диаметром насадки 4 мм (Г = 12,56-10-6 м2) и выполненные расчеты приведены в табл. 1.

Таблица 1. Определение коэффициента аэродинамического сопротивления фурмы

Измерения Расчеты

Рд, Па Ак, Па Рх, Па и0, м3/с С УА, м3/(м2'с) „теор » , м3/(м2'с) Ф

16 000 40 10 000 0,001137 91 117 0,777

23 000 70 20 000 0,001549 123 164 0,751

42 000 100 30 000 0,001989 158 200 0,790

62 000 136 45 000 0,002477 197 244 0,808

68 000 148 50 000 0,002632 210 257 0,815

84 000 174 62 000 0,002986 238 285 0,834

97 000 194 75 000 0,003263 260 312 0,832

Таблица 2. Определение коэффициента гидравлического сопротивления фурмы

7,00 6,50 6,00

5,50 5,°°

4,50 4,00 3,50 3,00

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Ив

Рис. 5. Область автомодельности по значениям критериев Эйлера и Рейнольдса

По полученным данным определено среднее значение коэффициента аэродинамического сопротивления воздушного канала ф = 0,8.

Гидравлическая система фурмы испытана методом продувки ее воздухом в диапазоне давлений на входном штуцере р1 = 5-75 кПа. Одновременно измеряли давление р2 на выходном штуцере и-образным манометром. По измеренному расходу воздуха и0, давлению дутья рд, перепаду давлений на дисковой диафрагме Ак, с учетом температуры Т = 300 К на входном штуцере, рассчитывали действительную скорость н> в сечении центральной трубы внутренним диаметром й = 8 мм (/ = 50,24-10-6 м2) и плотности воздуха р

Vо 300

м> = ——

101300

, м/с.

/ 273 рА +101300

По полученным значениям и динамической вязкости воздуха (ц = 18-10-6 Па-с) были вычислены значения гидродинамического подобия Эйлера и Рейнольдса:

Ей = &ЦМ Ке =

мр ц

Результаты измерений и расчетов, приведенные в табл. 2, показывают, что в экспериментальном диапазоне давлений имеет место явление

Измерения на диафрагме Измерения на системе Значение критериев

Р , Па д Ак, Па Uo•lo^ м3/с Рх, Па Р2, Па м>, м2/с Р, кг/м3 Ей Ке

75 000 320 0,00395 42 000 7000 67,53 1,671 4,59 49 595

64 000 260 0,00345 34 000 5500 62,44 1,577 4,64 43 276

55 000 230 0,00315 28 000 3000 59,77 1,506 4,65 39 570

40 000 180 0,00265 20 000 1500 53,60 1,412 4,56 33 269

30 000 130 0,00217 14 000 1000 46,21 1,341 4,54 27 245

22 000 110 0,00193 10 000 550 42,67 1,294 4,01 24 278

16 000 80 0,00161 7500 100 36,31 1,265 4,44 20189

5000 30 0,00094 4000 50 21,87 1,224 6,75 11 762

Рис. 6. Поле скоростей водяного канала в сечении радиально-осевой

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»