Исследование физических явлений в барботажной зоне плавильного агрегата «Победа» методом холодного моделирования Сообщение 3. Гидрогазодинамика комбинированной продувки жидкости газом с помощью донной и боковой фурм

Методом холодного моделирования в интервалах величин критерия Архимеда для бокового (Arб = 12÷120) и донного (Arд = 5÷60) дутья применительно к условиям работы барботажного плавильного агрегата «Победа» (ПАП) исследованы гидрогазодинамические закономерности комбинированной продувки жидкости газом. Продувку осуществляли одновременно донной фурмой, установленной вертикально по центру реактора, и боковой, расположенной под углом 5° к горизонтальной оси. Проведена количественная оценка мгновенной и средней (Vср) скоростей циркуляции элементов потока жидкости на разных участках ванны в зависимости от местонахождения зоны продувки и критериев Архимеда. Определена траектория движения жидкости. Вблизи поверхности жидкости и корпуса реактора обнаружена вихревая зона, где мгновенная скорость движения элемента потока жидкости изменяется от 69,9 до 183,1 мм/с и Vср = 123,8 мм/с. В объеме жидкости циркуляционные потоки затухают, и Vср уменьшается от 123,8 до 47,0 и 54,1 мм/с. Показано, что в общем случае скорость циркуляции зависит от интенсивности продувки на фурмах и становится выше для области наложения боковой и донной струй. Определены динамические условия продувки, обеспечивающие непосредственный контакт бокового и донного факелов, приводящий к слиянию потоков и повышенному брызгообразованию. Приведена характеристика 3 видов колебаний поверхности раздела фаз «чистая жидкость – газожидкостный слой» и дана оценка влияния бокового и донного дутья на разновидность возникающих колебаний. Отмечено, что ввод донного дутья (Arд = 5) приводит, наряду с поперечными колебаниями 1-го типа, к появлению волнообразного движения жидкости (2-й тип), а при более высоких значениях Arд = 25 – к угловым колебаниям (3-й тип). Показано, что при комбинированной продувке наличие бокового факела уменьшает углы раскачивания ванны к горизонту до 8–12°. Для оценки интенсивности колебаний введена величина Δhж = (hж)max – (hж)min, т.е. разность между максимальной (hж)max и минимальной (hж)min высотой жидкости за полный цикл колебаний (τ). Построены зависимости высоты жидкости (hж) от τ, Arб и Arд, на основании которых определены величины Δhж, варьируемые при моделировании в интервале 7,7–69,5 мм. Для различных областей ванны и динамических условий продувки установлена взаимосвязь между скоростью циркуляции жидкости и величиной колебаний (Δhж). Рассмотрено влияние всех видов колебаний на возможный эрозивный износ футеровки ПАП и полноту усвоения шихтовых материалов вблизи поверхности ванны.

1. Булатов К.В., Жуков В.П., Братыгин Е.В., Томилов Н.А., Меньщиков 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; 27 (3): 15–23.

2. Булатов К.В., Жуков В.П., Братыгин Е.В., Томилов Н.А., Меньщиков В.А. 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. Известия вузов. Цветная металлургия. 2022; 28 (1): 4–14.

3. Bulatov K.V., Zhukov V.P., Bratygin E.V., TomilovN.A., Menshikov V.A. Investigation of Pobeda furnace bubbling zone physics using cold modelling method. Part 2. Hydrogas dynamics of liquid blowing by gas using bottom gasprotected lance. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2022; 63 (2): 113–120.

4. Nakanishi K., Fujii T., Szekely J. Possible relationship between energy dissipation and agitation in steelprocessing operations. Ironmaking & Steelmaking. 1975; 2 (3): 193–197.

5. 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; (8): 36–40.

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

7. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Современная технология производства стали. М.: Теплотехника, 2007.

8. Fluid Flow, Duan Zhang, Lifeng Thomas, Brian Conejo. Dissolution, and mixing phenomena in argon-stirred steel ladles. Metallurgical and Materials Transactions B. 2018; 49: 2722–2743.

9. Gajjar Prince, Haas T.N., Kwaku Boateng Owusu, Moritz Eickhoff, Pruet Kowitwarangkul, Herbert Pfeifer. Physical study of the impact of injector design on mixing, convection and turbulence in ladle metallurgy. Engineering Science and Technology. 2019; 22: 538–547.

10. Роготовский А.Н., Шипельников А.А., Бобылева Н.А., Роготовский В.Н. Моделирование движения расплава в промежуточном ковше машины непрерывного литья заготовок с различными модификаторами потока. Вестник Липецкого государственного технологического университета. 2018; 37 (3): 87–94. Rogotovskii A.N., Shipelnikov A.A., Bobyleva N.A., Rogotovskii A.N. Modeling of the melt movement in the tundish of a continuous casting machine with the presence of flow modifiers. Lipetsk State Technical University. 2018; 37 (3): 87–94. (In Russ.).

11. Пантейков С.П. Технология комбинированной продувки кислородом сверху и неактивными газами через днище в конвертерах. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2017; (7): 55–67.

12. Чернатевич А.Г., Молчанов Л.С., Сигарев Е.Н., Дудченко С.А., Вакульчук В.В., Юшкевич П.О., Чубин К.И., Похвалитый А.А., Чубина Е.А. Видеофиксация физико-химических процессов в полости конвертера при верхней продувке ванны с использованием различных конструкций кислородных фурм. Сообщение 1. Установки и методика проведения исследований. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2021; 77 (8): 969–976.

13. Чернятевич А.Г., Сигарев Е.Н., Молчанов Л.С. Картина продувки конвертерной ванны с использованием двухъярусной кислородной фурмы. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2017; (12): 39–45.

14. Jiang X., Cui Z., Chen M., Zhao B. Mixing behaviors in the horizontal bath smelting furnaces. Metallurgical and Materials Transactions B. 2019; 50 (1): 173–180.

15. Jiang X., Cui Z., Chen M., Zhao B. Study of plume eye in the copper bottom-blown smelting furnace. Metallurgical and Materials Transactions B. 2019; 50: 765–778. https://doi.org/10.1007/s11663-019-01516-0

16. Shijie Wang, William Davenport. Coppersmelting: world copper smelter data. Copper. 2016; 3: 29–31.

17. Liam J., Joel P.T. The 2019 copper smelting survey. In: Pyrometallurgy. Smeltihg operation: Proceedings Copper 2019 – Cobre International Conference (Montreal, Quebec, Canada). 2019; 4 (1): 10.

18. Matusevic R.W., Baldock B.R., Robert J.S. Ausmelt technology recycling of computer board and other high value materials. In: European Metallurgical Conference EMC (Friedrichshafen, Germany). 2001; 2: 151–163.

19. Baldock B.R., Short W.E. Australian technology on the world scene. Update on Ausmelt plants and projekts. In: MINREX 2000: International Congress on mineral processing and extractive metallurgy (Melbourne, Australia). 2000. Р. 164–169.

20. Yusupkhodjaev A.A., Matharimov S.T., Nosirhodjaev S.K. Wirkungen Technologien in der Kupferpyrometallurgien. `Deutschland: Lambert Academic Publishing, 2019.

21. Yusupkhodjaev A.A., Khojiev S.T., Berdyarov D.O. Technology of processing slags of copper production using local secondary technogenic formations. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering. 2019; 9 (1): 5461–5472. https://doi.org/10.35940/ijitee. A4851119119.119119

22. MacQueen J. Some methods for classification and analysis of multivariate observations. In: Proceedings 5th Berkeley Symposium on mathematical statistics and probability. 1967; 281–297.

23. Мюллер А., Гвидо С. Введение в машинное обучение с помощью Python: Рук-во для специалистов по работе с данными. М.: O’Reilly, 2017.