научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДУТЬЕВОГО РЕЖИМА НА ГИДРОДИНАМИКУ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ С ПОГРУЖНОЙ ФУРМОЙ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДУТЬЕВОГО РЕЖИМА НА ГИДРОДИНАМИКУ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ С ПОГРУЖНОЙ ФУРМОЙ»

УДК 669.2/.8.041

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДУТЬЕВОГО РЕЖИМА НА ГИДРОДИНАМИКУ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ С ПОГРУЖНОЙ ФУРМОЙ

© Колмачихин Борис Валерьевич, e-mail: b.v.kolmachikhin@urfu.ru; Жуков Владимир Петрович, д-р техн. наук, проф., e-mail: zhukov.v.p@mail.ru;

Меньщиков Викентий Алексеевич, e-mail: kvadon@yandex.ru ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург

Статья поступила 17.06.2015 г.

Исследовали особенности гидродинамики ванны печи с погружной фурмой методом холодного моделирования. Для этих целей использовали модель печи из плексигласа в масштабе 1:12. Основной задачей было установление зависимости между интенсивностью дутья и геометрическими параметрами фурмы с одной стороны, и геометрическими параметрами факела и давлением струи на выходе из фурмы - с другой. Эти сведения планируется использовать для разработки оптимизационной модели агрегата с погружной фурмой и выдачи рекомендаций по оптимальному подбору дутьевых режимов.

Ключевые слова: перемешивание; моделирование; погружная фурма; гидродинамика.

Печи с погружной фурмой (англ. Top Submerged Lance - TSL) - плавильные агрегаты с высокой интенсивностью перемешивания и, как показывают исследования зарубежных специалистов [1], эффективно масштабируются в зависимости от объемов дутья и обогащения его кислородом. Ввиду того, что печь такого типа уже работает на Карабашском медеплавильном заводе, а в ближайшем будущем планируется внедрение аналогичных агрегатов и на других предприятиях Уральского региона, исследование особенностей их работы становится актуальной задачей.

Фурма реального агрегата снабжена завихрителями, которые обеспечивают тангенциальное движение дутья и тем самым способствуют улучшению перемешивания расплава. Вопрос влияния геометрии завихрителей и их расположения на процесс перемешивания расплава рассматривался в работе [2], однако полученные результаты отчасти противоречат результатам, полученным в ходе других исследований [3]. Это противоречие побудило авторов провести дополнительные исследования с более детальным изучением влияния заглубления фурмы, ее диаметра и интенсивности дутья на ход процесса.

В качестве модельной жидкости была выбрана вода, а в качестве газовой фазы использовался компрессорный воздух. Физические свойства газовой фазы не входят в число условий для выбора модельной жидкости, согласно данным [4]. Определяющими являются объем газа и скорость его ввода в жидкость через отверстие фурмы. С учетом этого допущения критерий подобия для выбора модельной жидкости М приводится к виду

M = (1)

где g - ускорение свободного падения, м/с2, пж - динамическая вязкость жидкости, Па-с, а - поверхностное натяжение, Н/м, рж - плотность жидкости, кг/м3.

** Уральский

федеральный ^ университет

^^^ рмеш первого Президента н нс^аллургин

При температуре 1300 °С, согласно данным [5, 6], физические свойства шлака, получаемого при плавке медных концентратов в автогенных условиях (литературные данные относились к печи Ванюко-ва), выглядят следующим образом: п = 0,15 Па-с, а = 0,4 Н/м,

»ж ' III

рж = 3700 кг/м3. Подстановка этих значений дает значение М = 2,1-10-5, которое может быть получено при использовании в качестве модельной жидкости водно-глицериновой смеси. Это соответствует системе с жидкотекучими шлаками меньшей плотности. Опыты (за исключением нескольких тестовых, в которых подбирались соотношения воды и глицерина для дальнейших исследований) проводили в однофазной системе с использованием воды для обеспечения сопоставимости результатов с более ранними исследованиями, как собственными, так и других авторов [7]. Дальнейшие опыты будут проведены на смеси глицерина и воды для более точного соответствия условиям реального процесса.

Модель печи была выполнена в масштабе 1:12 из плексигласа. В качестве дутьевой установки использовали компрессор производительностью 300 л/мин, для фиксации процесса применяли две камеры с частотой съемки 100 кадров/с. Фурма представляла собой набор металлических трубок различных диаметров (5-50 мм) с возможностью установки различных насадок для изменения

Рис. 1. Схема модельной установки: 1 - колба; 2 - опорные бандажи; 3 - траверза; 4 - фурма; 5 - привод; 6 - уровень жидкости в колбе; 7 - редуктор; 8 - вентили; 9 - манометр; 10 - предохранительный клапан, 11 - ротаметр

Рис. 2. Пример серии из 10 снимков, сделанных при расходе воздуха 0,0015 м3/с, подаваемого через одинарную фурму

геометрии выходного отверстия и различных завихрите-лей (для внутренней трубки и для внешней), отличающихся габаритами и расположением внутри фурмы. Схема модельной установки приведена на рис. 1.

Были проведены опыты при различном расходе дутья (в качестве дутья использовался воздух, подаваемый компрессором через два редуктора - отдельно для внешней и внутренней труб фурмы). В качестве измерительных приборов использовали ротаметры. Диапазон расхода дутья составил 0,001-0,005 м3/с. Для каждого значения расхода делали по четыре серии снимков с двух камер (рис. 2).

Помимо опытов по продувке однофазной системы были также проведены опыты с применением органического индикатора для определения траектории движения твердых частиц в ванне и, тем самым, получения более полной картины движения потоков воздуха.

Дополнительно манометром замеряли давление воздуха на выходе из фурмы при различном расходе и неизменном заглублении, а также при изменяемом заглублении и неизменном расходе.

После завершения серии опытов производили обработку полученных фотографий с наложением на них координатной сетки. Масштаб устанавливали с помощью трех

Рис. 3. Пример фотографии зоны образования факела с наложенной на нее сеткой

3 700 600

С?

^500

300 Н 200

100

0

0,001 0,0015 0,002 0,0025 Расход дутья, м3/с

0,003

Рис. 4. Зависимость объема факела дутья в жидкости от расхода дутья

отметок в кадре, первая из которых отстояла от конца фурмы на 1 см (рис. 3).

В ходе анализа обработанных изображений измеряли геометрические параметры факела дутья: глубину проникновения в ванну, ширину в горизонтальной плоскости, объем вытесняемой воды. На рис. 4 представлена зависимость объема факела дутья от его расхода.

Следует отметить, что отсутствие заметных изменений геометрических размеров факела при изменении расхода в диапазоне 0,0022-0,0028 м3/с сохранялось во всех сериях опытов, сопровождалось пенообразованием и образованием брызг, что связано, вероятно, с необходи-

Рис. 5. Профиль раскрытия струи

Я 400

Результаты расчета критерия Рейнольдса

Расход воздуха, м3/с Скорость истечения и, м/с Давление p, кг/м3 Re

0,0010 52,9 1,22 17605,11

0,0014 73,9 1,24 24684,49

0,0018 94,2 1,26 32372,03

0,0023 115,2 1,29 40508,78

0,0027 135,5 1,34 49343,07

0,0031 155,7 1,39 59085,66

0,0034 174,1 1,48 70042,8

0,0038 192,5 1,57 82328,28

0,0042 211,6 1,68 96874,19

0,0045 230,7 1,85 116228,6

мостью подачи дутья в большом избытке для дальнейшего проникновения струи в ванну.

На основе съемки движения твердых частиц были также получены поля векторов скорости и профиль раскрытия струи (рис. 5), отражающие движение основных потоков в барботируемой ванне. Рассматривали изменение давления на конце фурмы при различных расходе компрессорного воздуха и высоте заглубления фурмы. Результаты показали минимальное изменение давления р с изменением высоты заглубления как в однофазной системе с использованием воды, так и в более вязкой среде (см. таблицу).

Были рассчитаны значения критерия Рей-нольдса для разных скоростей истечения и расхода воздуха

Ие = иВр/ п, (2)

где и - скорость истечения, м/с; В - диаметр фурмы, мм; р - плотность воздуха, кг/м3; п - динамическая вязкость среды, Па-с.

Диаметр фурмы составлял 0,005 м, вязкость среды была равна 1,84-10-5 Па-с.

Полученные значения использовали для сопоставления с данными из практики работы реального агрегата с погружной фурмой, чтобы убедиться в корректности выбранных режимов

и условий моделирования. Сопоставление показало, что диапазон расхода 0,0010-0,0027 м3/с на модельной установке соответствует применяющимся на практике режимам работы агрегатов с погружными фурмами, более высокие скорости исследовали только в лабораторных условиях [8].

Выводы. Полученные данные и зависимости дают возможность оценить влияние основных параметров работы дутьевой установки на процесс перемешивания расплава.

Установка для моделирования позволяет воспроизводить режимы дутья, применяемые на производстве и анализировать процесс при различных конфигурациях дутьевой установки.

После оценки влияния интенсивности дутья на процесс и нахождения режимов, адекватных режимам работы реальных агрегатов, планируется проведение дополнительных исследований по оценке влияния геометрических параметров фурмы на протекание и более детальное математическое моделирование процесса.

Библиографический список

1. Matusewicz R.W., Lin S.L. Large Scale Copper Smelting using Ausmelt TSL Technology at the Tongling Jinchang Smelter: Proc. "Copper 2010" (Hamburg, Germany. June 6-10, 2010). Vol. 3. P. 961-970.

2. Floyd J.M. Converting an Idea into a Worldwide Business Commercializing Smelting Technology // Metallurgical and Material Transactions B. 2004. Vol. 36 (B). P. 557-575.

3. Floyd J.M. The Emerging Role of New Bath Smelting: Mervyn Willis Symp. and Smelting and Refining Course (University of Melbourne, Australia. 1992). P. 13:1-13:51.

4. Morsi Y.S., Yang W., Achim D., Acquadro A. Numerical and experimental investigation of top submerged gas injection system: World Congress on Engineering. Wessex Institute of Technology. London, UK. 2002.

5. Morsi, Y.S., Atapattu, D.D., Yang, W. & Gray, N.B. Characterization of gas injection into liquid baths // American Society of Mechanical Engineers, Fluids Engineering Division (Publication) FED. 1997. Р. 51.

INFLUENCE OF BLOWING REGIME PARAMETERS ON HYDRODYNAMICS OF SMELTING PROCESS USING IMMERSION LANCE

© Kolmachikhin B.V., Zhukov V.P., Menshchikov V.A.

Hydrodynamic features of top submerged lance furnace bath were studied using cold modelling method

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»