Содержание к диссертации
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..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 НЛМК
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
10. Заключение
Библиографический список
Приложения
Введение к работе
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: - 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 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 температуры 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 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 №2803 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.
Из соотношения (1.5) следует, что в соответствии с теорией подобия химическая реакция в модели должна иметь скорость в /02 раз большую, чем 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.
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; - 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.
