ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В БАРБОТАЖНОЙ ЗОНЕ ПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТА «ПОБЕДА» МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Сообщение 2. Гидрогазодинамика продувки жидкости газом с помощью донной фурмы в защитной газовой оболочке

Выполнено холодное моделирование гидрогазодинамики барботируемой жидкой ванны плавильного агрегата «Победа» (ПАП) с использованием донной фурмы в защитной газовой оболочке. Показано, что внедрение газа в жидкость при величине критерия Архимеда Ar = 5÷60 протекает в пульсационном режиме. Исследована область взаимодействия газа с жидкостью при Ar = idem для раздельного и совместного истечения воздуха через кольцевое и круглое сопла. При всех рассматриваемых значениях Ar в жидкости образуется двухфазная зона, состоящая из «ножки» различной геометрической формы, каверны и газожидкостного слоя над поверхностью ванны. Выявлены наиболее характерные особенности формирования зоны продувки, геометрии факела и его структуры в зависимости от условий ввода дутья и значений Ar. Обнаружено, что при интенсивной продувке через центр фурмы и кольцевой зазор в структуре каверны преобладает эжектированная жидкость, доля которой возрастает при увеличении расхода газа в оболочке, а вблизи среза сопла «ножка» состоит из газовой фазы. Сформулировано предположение, что наличие в окислительной струе дополнительного количества сульфидного расплава обеспечивает более полное разрушение магнетита в объеме ванны и образование защитного гарнисажа в непосредственной близости от сопла. Проведена количественная оценка размеров наиболее характерных геометрических участков факела, свидетельствующая о периодическом и экстремальном характере распространения струи в жидкости. Получены эмпирические уравнения взаимосвязи максимальных продольных и поперечных размеров «ножки» с динамическими условиями ввода дутья в оболочку (Ar_об) и центральную трубу (Ar_ц) для двух областей значений Ar: Ar_об ≥ Ar_ц и Ar_об ≤ Ar_ц. Установлено, что ввод дутья в оболочку повышает скорость расширения «ножки» на срезе сопла до 137 мм/с. Определена зависимость средней высоты (H_ср, м) подъема брызг над спокойной поверхностью ванны, которая в интервалах 25 ≥ Ar_об ≥ 5 и 60 ≥ Ar_ц ≥ 12 имеет вид H_ср = 0,027(Ar_об + Ar_ц) ^0,27. По уравнению Шлихтинга рассчитана величина максимального удаления от среза сопла, когда сохраняется совместное осевое движение в жидкости кольцевой и круглой струй с равными скоростями. Предполагается, что защитный эффект работы донной фурмы с оболочкой проявляется в зоне фурменного пояса на расстоянии 7–10 см от среза сопел. Отмечено, что каверна после отрыва от сопла перемещается вниз по вертикали, а встречный поток жидкости, набегая на лобовую часть каверны, движется в противоположном направлении, обтекая поверхность раздела фаз с соизмеримой скоростью. На основании более интенсивного изменения поперечного размера зоны взаимодействия в области сопел и заметного бокового движения жидкости рекомендовано принятие соответствующих мер по снижению эрозивного воздействия расплава в зоне фурменного пояса ПАП в начальном участке развития струи.

1. Булатов К.В., Жуков В.П., Братыгин Е.В., Томилов Н.А., Меньшиков В.А. Исследование физических явлений в барботажной зоне плавильного агрегата «Победа» методом холодного моделирования. Сообщение 1. Исследование гидрогазодинамических закономерностей продувки жидкости газом с помощью боковой фурмы в защитной газовой оболочке. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021. No. 3. С. 15—23.

2. Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Нахаев М.Р. Физическое моделирование движения жидкой стали в промежуточном ковше при донной продувке инертным газом. Сталь. 2018. No. 3. С. 14—17.

3. Письменов С.А., Поволоцкий Д.Я., Устюгов А.А. Гидродинамика ванны при продувке металла в ковшепечи: Физическое моделирование. Известия вузов. Черная металлургия. 2007. No. 3. С. 5—6.

4. Тимофеева А.С., Кожухов А.А., Никитченко Т.В., Каменев А.А. Холодное моделирование продувки жидкой стали инертным газом через погружную фурму и донный продувочный блок. В сб.: Труды Междунар. науч. конф., посвященной 115-летию со дня рождения акад. А.М. Самарина (Москва, 14—15 ноября 2017 г.). М.: ООО Интерконтакт Наука, 2017. С. 16—18.

5. Юшкевич П.О., Молчанов Л.С. Холодное моделирование циркуляционных потоков в конвертерной ванне при комбинированной продувке. Металознавство та термічна обробка металів. 2017. No. 3 (78). С. 44—50.

6. Роготовский А.Н., Шипельников А.А., Скаков С.В., Бобылева Н.А., Тюленев Е.Н., Кононыхин Г.Н., Глебов В.П. Моделирование гидродинамики стали в ковше при подаче аргона через донный пористый блок. В сб.: Труды III Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Липецк, 20—22 мая 2020 г.). Липецк: ЛГТУ, 2020. С. 105—111.

7. Гизатулин P.A. Закономерности распределения газовой фазы в жидкости при продувке снизу. Вестн. Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. Металлургия. 2006. No. 10 (65). С. 63—69.

8. Mazumdar D., Guthrie R. Modeling energy dissipation in slag-covered steel baths in steelmaking ladles. Metall. Mater. Trans. B. 2010. Vol. 41 (B) P. 976—989.

9. Nakanishi K., Fujii T., Szekely J. Possible relationship between energy dissipation and agitation in steelprocessing operations. Ironmak. Steelmak. 1975. Vol. 2 (3). P. 193—197.

10. Булатов К.В., Якорнов С.А., Ибрагимов А.Ф., Исхаков И.И. Промышленные испытания плавки сульфидного концентрата в ПАП на кислородном дутье с использованием донных фурм. Металлург. 2020. No. 8. С. 36—40.

11. Булатов К.В., Якорнов С.А., Ибрагимов А.Ф., Исхаков И.И., Жуков В.П. Горизонтальный конвертер и способ совмещенной плавки-конвертирования: Пат. 2734613 (РФ). 2020.

12. Chen L., Hao Z.D., Yang T.Z., Liu W.F., Zhang D.C., Zhang L., Bin S., Bin W.D. A comparison study of the oxygen-rich side blow furnace and the oxygen-rich bottom blow furnace for liquid high lead slag reduction. JOM. 2015. Vol. 67. P. 1123—1129.

13. Zhao B., Cui. Z., Wang Z.A. New copper smelting technology bottom blown oxygen furnace developed at dongying fangyuan nonferrous metals. In: Mater. 4-th Intern. Symp. on high temperature. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons. Inc., 2013. P. 1—10.

14. Cui Z., Shen D., Wang Z. New process of copper smelting with oxygen enriched bottom blowing technology. Youse Jinshu, 2010.

15. Jiang X., Cui Z., Chen M., Zhao B. Study of plume eye in the copper bottom-blown smelting furnace. Metall. Mater. Trans. B. 2019. Vol. 50. P. 765—778.

16. Shui L., Cui Z.X., Ma X.D., Rhamdhani M.A., Nguyen A.V., Zhao B.J. Mixing phenomena in a bottom blown copper smelter: A water model study. Metall. Mater. Trans. B. 2015. Vol. 46. P. 1218—1225.

17. Wang Q.M., Guo X.Y., Wang S.S., Liao L.L., Tian Q.H. Multiphase equilibrium modeling of oxygen bottomblown copper smelting process. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2017. Vol. 27. P. 2503—2511.

18. Shao P., Jiang L. Flow and mixing behavior in a new bottom blown copper smelting furnace. Int. J. Mol. Sci. 2019. Vol. 20. No. 22. Art. 5757. https://doi.org/10.3390/ijms20225757.

19. Shui L., Cui Z., Ma X., Jiang X., Chen M., Xiang Y., Zhao B. A water model study on mixing behavior of the twolayered bath in bottom-blown copper smelting furnace. JOM. 2018. Vol. 70 (10). P. 2065—2070.

20. Zhang Z.Y., Chen Z., Yan H.J., Liu F.K., Liu L., Cui Z.X., Shen D.B. Numerical simulation of gas-liquid multiphase flows in oxygen enriched bottom-blown furnace. Chin. J. Nonferr. Met. 2012. Vol. 22. P. 1826—1834.

21. Черемисин Д.Д. Разработка математических моделей процесса огневого рафинирования меди в агрегатах с донной продувкой: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург: УрФУ, 2019.

22. Сурин В.А., Назаров Ю.Н. Массо- и теплообмен, гидрогазодинамика металлургической ванны. М.: Металлургия, 1993.