Определение площади поверхностей контакта фаз в системах металл-шлак-газ в условиях значительной их деформации методами физического моделирования: Лабораторный практикум

УДК.541.1:669.18

Рецензенты:

кафедра металлургии стали СибГИУ (зав. каф. д.т.н. проф. )

Определение площади поверхностей контакта фаз в системах металл-шлак-газ в условиях значительной их деформации методами физического моделирования.

Метод. указ./Сост.: К.М. Шакиров, И.Н. Толкунова: СибГИУ.-Новокузнецк, 2003. –16 с., ил.

Содержит теоретическое описание и методику экспериментального определения на физических моделях одной из важнейших гидродинамических характеристик газожидкостных систем сталеплавильного производства: площади сильно деформированной струей газа поверхности продуваемой сверху жидкости.

Методическое указание предназначено для студентов специальностей «Металлургия черных металлов» (110100); «Информационные системы и технологии» (071900)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНТАКТА ФАЗ В СИСТЕМАХ МЕТАЛЛ-ШЛАК-ГАЗ В УСЛОВИЯХ ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ ИХ ДЕФОРМАЦИИ МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Общие сведения

Скорости гетерогенных процессов, к которым относится абсолютное большинство металлургических, в частности и сталеплавильных, реакций, при прочих равных условиях прямо пропорциональны площадям поверхностей взаимодействия. В современных сталеплавильных агрегатах (конвертерах кислородной и комбинированной продувки, струйного рафинирования и др.) достигается многократное увеличение скоростей реакций между компонентами металла, шлака и газа по сравнению с традиционными (мартены) благодаря именно сильно развитым поверхностям раздела фаз. Для целенаправленного воздействия на динамику этих реакций в условиях промышленных технологий необходимы количественные зависимости площадей контакта фаз от параметров состояния системы и управляющих воздействий. Однако при значительной деформации и разрушении поверхности, связанных с диспергированием одной или всех взаимодействующих фаз (разбрызгивание жидкостей, внедрение струи газа в жидкость и дробление ее на пузыри, взаимное эмульгирование фаз), определение ее площади путем прямого измерения невозможно. Поэтому в практике научных исследований приходится обращаться к методам косвенной оценки площадей контакта фаз. При этом наиболее эффективными оказались методы низкотемпературного физического моделирования, которые позволяют обойти серьезные, а очень часто и непреодолимые осложнения, связанные с проведением высокотемпературных экспериментов.

Для условий продувки металла сверху сущность одного из методов определения площади контакта жидкости с газом сводится к следующему. В качестве физической модели высокотемпературной системы, в которой струя кислорода ( другого газа или смеси газов ) взаимодействует с расплавленным металлом ( шлаком или металлом и шлаком ), выбирают низкотемпературную систему жидкость – струя газа, в которой может протекать гетерогенный физический или химический процесс.

В низкотемпературной системе (на «холодной» модели) на первом этапе при фиксированных значениях параметров, в том числе и площади S₀ контакта фаз ( без деформации поверхности ), определяют по наблюдаемой скорости W₀ константы в кинетическом уравнении гетерогенного процесса

,                   (1)

где - константа скорости;  - функция концентраций, определяемая кинетическим законом действия масс.

На втором этапе при тех же фиксированных параметрах системы (T, C_i и др.), но в условиях значительной деформации поверхности, площадь которой S подлежит определению, измеряют наблюдаемую скорость

                      (2)

и, сопоставляя равенства (1) и (2), находят величину площади «возмущенной» поверхности

                         (3)

Определяя таким образом площадь контакта фаз в различных условиях, можно изучить ее зависимость от основных параметров состояния системы и рассматриваемого процесса. Для кислородно-конвертерного передела с верхней продувкой основными параметрами, с помощью которых можно воздействовать на площадь контакта фаз и ход процессов, являются объемная скорость подачи кислорода q и высота фурмы h_ф  над «зеркалом» металла. Влияние q и h_ф на величину S качественно иллюстрируют рисунки 1 и 2.