3.1. Параметры фигичсской модели

Полученную в гл. 2 совокупность критериев подобия для холодного физического моделирования шлахоу юльных суспензии в печи Ромелт использовали при расчете параметров физической модели, на которой проводили эксперименты.

При моделировании были использованы следующие параметры опытно- промышленной печи и процесса Ромелт в режиме стабильной плавки с производительностью 8 т металла в час [1J (на основе данных, полученных при эксплуатации установки Ромелт на Новолипецком металлургическом комбинате (1985-1994 гг.)).

Геометрические параметры'

ширина ванны в фу рменной зоне - 2.5 м;

угол раскрытия ванны в верхней ее части - 20°:

межфурменное расстояние - 0.8 м;

число барботажных фурм - 16;

высота пояса фурм oi уровня подины - 1.5 м:

высота спокойною шлака над осью фурмы - 0.8 м.

толщина ванны металла на нодине - 0,5 м;

расстояние от крайней фурмы до торца печи - 1,2 м;

калибр сопел фурм - 0.03 м;

диаметр частиц угля, ограниченно замешивающихся в глубину ванны - 7- 14 мм (частицы меньших размеров образуют взвесь).

Физические параметры •

плотности:

газа на выходе из фурмы - 1,66 кг мл (использовали кислородовоздушное дутье (70 % 02), гидростатическое давление на уровне фурм -1,2 атм.);

шлака - 2650 кт 'м';

часптцококсованного у гольного остатка - 900 кг/м\

общее содержание частиц угля в ванне - 1 - 3"о от массы ванны; вязкость шлака при 7"*,=1450е С - 0,5 Па*с: Динамические параметры.

скорость газа на срсзс сопла фурмы - 205 м.с (расход дутья на 1 фурму - 625 нм'/час).

При моделировании поведения «крупных» частиц угля, сконцентрированных преимущественно в верхней части барботируемой шлаковой ванны, использовали следующую совокупность критериев подобия:

-V; Р,

{ Frn, Re. Gn. А>\,. И. у ~ .С) (57)

-' и / \

где Л"; - линейные параметры печи (кроме диаметра сопел фурм) и характерный размер частиц.

симплекс Н=~г~ - относительная высота ванны над уровнем фурм.

Л?

Геометрический масштаб модели выбрали исходя из возможностей лаборатор-

1

ны.х компрессоров - 1:20 (^ - ^ ). Соответственно высота ванны над уровнем фурм

на модели составляла 0,8; 20=0,04 м (40 мм). Помимо этого «базового» варианта в опытах использовали еще два значения высоты ванны: 20 мм и 80 мм над уровнем фурм.

Диаметр фурмы на модели d^ , соответствующий условиям продувки в печи Ромелт (кислородовоздушное дутье. 10% О;), рассчитали по (34):

(

0,03 ^ 172.3 , 2650*1.29-10 '(Ю5 t 2650'9.S1 • O.St ..

«'Г =— l-^гг' —' 0 з -•!,.•«« (J')

20 :7' j (1.4.1 ¦ 0.7 i 1.2^ * 0.3J * 10*2 •(!()''+ 0.4 * 265В * У 81 *Г

(обоснование выбора плотности модельной жидкое!и дано ниже).

ОТ

: 62 s 1 Р23 "^г/ ¦, . "(V7T) = °'00056 (М-' с) (33,4 Л/мин) (58) эоОО 1,1 Из

Расход воздушного дутья на одну Фурму на модели, соответствующий условиям продувки в нечн Ромелт, определили по формуле (231 с учетом среднею гидро- ста т ического давления в барботажном с толбе Р.-1,1атм:

В качестве материала для модельных частиц использовали измельченную па-рафинированную пробку плотностью 320 кг/м '.

/),

Плотность модельной жидкости рассчитали из условия ~-idem. На иро- А

мышлением образце имели 90()'265()~0,339 кг'м'. Близкое соотношение должно

Р и

бьиь на модели. При >том. как говорилось выше, вязкость модельной жидкое in

должна удовлетворять требованиям Ar-'idem и Re - — ~ 'idem. Оказалось, что

при равенстве геометрического масштаба для молельных частиц масштабу модели, ним условиям достаточно хорошо удовлетворяв! 20%-ный раствор глицерина в воде (V масс.) Отметим, что если в качестве модельной жидкости использовать воду, то из (56) следует масштаб геомемрического подобия для частиц 1:33. что практически

трудно обеспечить на модели. Равенство 6,г S позволяет использовать практически

удобное условие С=idem для определения необходимого при моделировании количества час шц в ванне.

дельной жидкости при Р, =i0>J кт/м' дает

з 1

0.0023 (Па*с). (59)

„ - J 1 ЪГ (Ю52-320)* 1052

-OV — I — —

' (_20_ 1 (2650-900)* 2650

что близко к реальной вяшкти модельной жидкости.

Отношение на модели составляет 0.304, что также олизко к условиям на

Рх

промышленном образце (0,339).

Для окончательною утверждения выбранной модельной жидкости нсобходи-

d -i

мо проверить выполнение условия Ке - —^ - idem (формула (20)).

Рассчитаем число Рейнольдса для продувки п печи Ромелт при нормальном режиме се работы. Для расчета входящей в критерий Рейнольдса Re средней скорости жидкости в струе U ,, но формуле (201. необходимо оцени1ь характерный «радиус» R част ванны, приходящейся на 1 действующую фурму. Поскольку межфурменное расстояние равно 0.8 м. R приняли равным 0,4 м. Тогда из (18) для печи Ромелт иол\чим: 625 , 1 , 1723. * U ) ,..,„ ,,13600 1.1 4 273 L - л1

0,4

Отсюда: ¦0.8""

— = 5.0 м/с (60) Расчет для модели дает практически такое же значение числа Рейнольдса: (0.000561"31 *Г—

= 1.1

20

0.4] 0.8

м/с (62)

Re - '^-=2.640' (63

1052*1.1 -( 00018

Таким образом, использование на модели выбранного водог.шцеринового рас- шора обеспечивает удовлетворительное выполнение требуемых условий подобия (в практике физического моделирования птдродинамнки газожидкостных систем расхождение в значениях критерия Рейнольдса на модели и в образце в 20-50% считается приемлемым).

В отдельной серии опытов исследовали перестройку структуры суспензии при изменении вязкости жидкости. Выбор соответствующих модельных растворов обоснован в разделе 4.4.

Крупность модельных частиц выбрали из следующих соображений. В шлаковой ванне печи Ромелт в заметных количествах присутствуют угольные частицы с размерами от 0,1 до 14 мм [15].

Количество модельных части в ванне в опытах изменяли от 1.0 до 9.1% or массы барботнруемо1 о раствора (слой спокойной жидкости под фурмами не учитывали). Особое внимание уделили исследованию состояния суспензии при значительных содержаниях твердых частиц в ванне.

Параметры продувки модели в ее «базовом варианте» рассчитали исходя из следующих соображении. Структура шлакоугольной суспензии при гидродинамическом режиме ванпь:, соответствующем нормальному ходу процесса, была изучена в прямых экспериментах [15J. В этом режиме продувка расплава проходила в струйном режиме: величина критерия Gil составляла 3,3. Такое значение критерия Оп достаточно близко к критическому (Gn <3 [29, 30]). когда струйный режим истече- ния газа начинает случайным образом перемежаться с пузырьковым режимом, что значительно снижает интенсивность перемешивания ванны и технологически неприемлемо. От имитации на модели ранее изученного режима продувки с Gn _3,3 отказались Исследовали более устойчивый режим струйной продувки - при Gn 5.3. который приняли за базовый вариант. При этом расход дутья на 1 фурму на

модели составлял Qa - 37.5 л/мин, а диаметр фурмы -1.4 мм (при Gn =3,3, как было рассчитано выше, нужно, соответственно, 33.4 л'.мнн и 4,7 мм). Критерий Фруда (/'V,,. ), определяющий подобие в расходе жидкости, "прокачиваемой" через струю, при этом практически не изменялся (увеличился в 1.0*7 pasa).

Диаметр фурм в разных сериях опытов составлял 4,4 (базовый вариант); 4,0,5,0 мм.

Диапазон изменения безразмерных параметров в опытах в сравнении с их значениями для характерного стабильного режима работы печи Ромелт представлен в табл. 1.

Таблица 1. Диапазон изменения критериев подобия Величины Знашввя Печь Ромелт СНЛМЮ Модель К 3,1 1 1 2,2-5,7 Re 21000 24400-29900 Gn з,4 :. 2,6-8,9 Re4 ^«Лд) 0,0-0,66 „ 0,0-0,83 Re4 (d4»A{j 0,97-16 1,13-18,70 H 0,8-1,2 0,5-1,5 Ar,, 0.0028-499 36,43-26558 С 0,003-0,090 0,010-0,090 EL. 0,339 0,304 Рк При моделировании поведения мелких частиц угля, взвешенных в объеме бар- ботируемой шлаковой ванны, использовали следующую совокупность критериев подобия:

{Fr^Re,Gn,H,Re4,^~, "Т",Q (64)

Л0 У»

Критерий Вебера не учитывали, так как его влияние при моделировании гидродинамики угольной взвеси в процессе Ромелт несущественно (гл. 2).

На модели использовали тот же водоглицериновый раствор. При этом с высокой точностью выполнялось условие Re idem. Действительно, при принятых параметрах гидродинамического режима печи Ромелт и модели мощность перемеши- вания расплава составляет соответственно ?псчь" '17 кВт/м' и — 1.8 KBI/M' (расчет

по формуле Кочо-Варенцова [100]). Таким значениям мощности перемешивания в образце и в модели cooiBeiciBVK)T следующие значения внутреннего масштаба турбулентности в системе (Лу): 0,85 мм (нечь) и 0.04 мм (модель). Тогда для частиц

взвеси с размерами печи и геометрически им подобных частиц на модели

из (41), соответственно, получим:

<1

1,07*10 v;

(65)

Re„„ _ 2650-900 2650

0.00085 (66)

Re.'

= 1.35*10' *d]

1052-320 1052

(- )*Ч 20

0,00004

Для частиц взвеси с размерами d^'^Ao в печи и геометрически им подобных частиц на модели числа Res (расчет по (45)), соответственно, составят: (67)

_ ,v„ (2650-900)1 Re, = — — ——

•Л ID' *2(>50J

1' - 0,12 +1

0.00085

0.00004

(68)

- 0.14МО5 V;

_ (1052-320)2 ^ 320'"Ч0525

(1 уч Г

'20 '

Видно, чго использование водоглицеринового раствора обеспечивает удовле-творительное выполнение условий подобия для модельной суспензии из взвешенных в перемешиваемой ванне часгиц.

Таким образом, на основе проведенных в данной главе расчетов, получили следующие значения параметров физической модели (1:20) ванны печи Ромелт. соответствующих базовому варианту гидродинамического режима и его вариациям в экспериментах (даны в скобках)' - расход дутья на фурму - 37,5 л/мин (26.25. 48.75 л'мнн); диаметр фурмы - 4.4 мм (4.0 и 5.0 мм);

высота ванны над боковыми фурмами - 40 мм (20 и 80 мм);

модельные частицы - измельченная парафинированная пробка плотностью 320 кг.;м\

общее количество частиц в ванне (C,,>L) - 1-3% <1. . 9% от массы ванны)

фракция «взвеси» 0-0.35 мм, фракция «крупных» модельных частиц 0,35-0.7 мм (з опытах исполыонаш ipn фракции, перекрывающие весь диапазон размеров час- 1иц: 0,0-0,5 мм, 0,5-1,25 мм и 2.0-2,5 мм|;

модельная жидкость: 20°о-ный водотлицериновмй раствор с />=1052 к::'м' И //-0,0018 11а*с (вода с /.г 1000 кгм'. дг(),0()1 Па*с и 65%-ный водоглицериновый раствор с /7=1165 кг/м"' и //-0.01554 Па+с).