Исследование динамики газовой струи при истечении в расплав методом моделирования

                                                               

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Отчёт по лабораторной работе.

По дисциплине:               Пирометаллургическое оборудование.                                                                                 

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема: Исследование динамики газовой струи при истечении в расплав методом моделирования.

Выполнил: студент  гр. АПМ-03     ______________    /Никифоров М.Н./

                                                                                                     ^{(подпись)                                  (Ф.И.О.)}  

ПРОВЕРИЛ:

Руководитель:                                     ____________         /Горленков Д.В./

                                                                                                      ^{(подпись)                                   (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург                                 

2006 год.

Цель работы: показать практическое применение метода моделирования для изучения динамики газовой струи при истечении ее в расплав.

Теоретические сведения.

Во многих металлургических процессах встречается подача газа в виде струй в слой расплава. К таким процессам откосят­ся конвертирование штейнов, фьюмингование; огневое рафинирова­ние, новый процесс - плавка с погруженным факелом и ряд других. Во всех этих случаях условия протекания процесса, механизм его массообмена и теплообмена в слое расплава во многом определя­ются динамическими характеристиками газовой струи, поступаю­щей в расплав.

Рассмотрим наиболее типичный случай процесса, протекав­шего при струйной подаче дутья в слой расплава, - работу горизонтального конвертера.

Из схемы работы конвертера видно, что размещение зон физико-химических и тепловых процессов, условия циркуля­ции ванны, условия службы огнеупорной кладки определяются динамикой газовой (в данном случае воздушной) струи, поступающей в конвертер.

Наиболее важной характеристикой струи для варианта погру­женной подачи дутья является величина осевого проникновения струи в расплав. Теоретическим путем определить эту величину не представляется возможным, так как нет математического урав­нения, описывающего закономерности распространения газовой струи в слое жидкости. Непосредственные замеры в струе в ван­не конвертера также выполнить невозможно из-за недоступности струйного участка для наблюдений.

Единственным методом, с помощью которого можно подучить представление о закономерностях распространения газовой струи в слое расплава, является метод моделирования.

Проникновение газовой струи в слой жидкости при погруженной подаче дутья определяется в основном соотношением сил инерции струи и сил всплытия газового факела из глубины слоя жидкости. В качестве безразмерной величины, характеризующей это соотношение, используют критерий Архимеда. 

В качестве безразмерной величины, характеризующей это соотношение, академик М.В.Кирпичев предложил использовать вариант критерия гидромеханического подобия, названный критерием А.

При высоких скоростях истечения газа, которые наблюдаются в фурмах конвертеров, процесс истечения газа можно рассматривать как адиабатический, пренебрегая теплообменом между струей и окружающим пространством.

Схема установки.

1. Модель

2. Средний уровень ванны

3. Выходное отверстие

4. Фурменное устройство

5. Диафрагма

6. Воздуходувка

7. Клапан

8. Зажим

9. Манометр

Расчетные формулы:

Теоретическое количество воздуха через отверстие 3:

.

Практический расход воздуха:

Критерий Архимеда для :

.

Критерий проникающей способности струи:

.

Осевое проникновение воздушной струи в слой штейна:

.

Результаты измерений и вычислений:

№	измерено		вычислено
	P, мм вд ст	∆Н, мм вд ст	Vпр, м3/с	Vтеор, м3/с	φ
1	100	45	0,0057	0,0049	1,17
2	150	61	0,0066	0,0060	1,11
3	200	88	0,0080	0,0069	1,15
4	250	110	0,0089	0,0077	1,15
5	300	132	0,0098	0,0085	1,15
				среднее	1,15

№	давление P, мм вд ст	противодавление H, мм вд ст	проникновение струи L, мм	критерий Архимеда	ω
1	200	80	55	45,10	0,35
2	300		75	82,68	0,26
3	450		90	139,06	0,18
4	500		95	157,85	0,17
5	600		100	195,43	0,15

Пример расчета:

Практический расход воздуха через отверстие:    

 (м³/с).

(м²),  (кг/м³).  

(Па).

Теоретическое количество воздуха:  

 (м³/с).

.

Критерий Архимеда: .

Критерий проникающей способности струи: .

График зависимости

График зависимости критерия Архимеда от давления

Зависимость проникновения струи от давления

Вывод: для изучения динамики газовой струи при истечении её в расплав был применён метод моделирования; были изучены методика метода и последовательность действий при его выполнении; результаты опыта вполне удовлетворяют задачам и требованиям для выполнения работы.