Работа 4. Экспериментальные исследования истечения воздуха при его нагреве

Истечение газов из отверстий и насадок, фурм, сопел подчиняется строгим закономерностям. На основании этих закономерностей получена формула для расчета удельной дутьевой нагрузки, отнесенной к 1 см² площади сечения отверстия, через которое происходит истечение газа:

u_уд = 72,8 m j Р₁ , нм³/см²×мин (1)

где j – коэффициент аэродинамики фурменной системы – зависит от геометрической формы и качества изготовления элементов этой системы; m – степень чистоты рабочего отверстия фурмы, насадки сопла; Т – температура струи, К; Р₁ и Р₂ – давление истечения и давление в среде, куда происходит истечение, ата; k – коэффициент адиабаты.

Из приведенного выражения следует, что нагрев газа приводит к снижению пропускной способности сопел, фурм и т.д.

Цель работы. Экспериментальная проверка зависимости удельной дутьевой нагрузки отверстия от температуры.

Описание установки

Количество воздуха, поступающего от компрессора, измеряется с помощью дисковой диафрагмы, дифференциального манометра и манометра; далее воздух направляется в однотрубный рекуператор, обогреваемый электрической печью. Он представляет собой трубу из нержавеющей стали, внутри которой для увеличения поверхности теплообмена вмонтированы штыри, также из нержавеющей стали.

Рекуператор данной конструкции выдерживает нагрев до 1000-1100°С, при этом воздух может нагреваться до 600-800 °С.

Для того, чтобы шланговое подсоединение воздуха к рекуператору не испытывало чрезмерного нагрева, входной конец рекуператора снабжен специальным радиатором.

Для регулирования температуры в нагревательной электропечи служит автотрансформатор, питающий нагревательную печь через амперметр. Меняя силу тока, можно изменить режим нагрева печи. Для контроля за температурой нагрева рекуператора служит хромель-алюмелевая термопара с передачей ЭДС на милливольтметр, градуированный непосредственно в градусах Цельсия.

Участок воздухопровода от рекуператора до исследуемой насадки выполнен из медной трубки и теплоизолирован. Температура воздуха перед насадкой измеряется с помощью жидкостного термометра и термопары, помещенных в тонкий медный патрон, вмонтированный в измерительную колодку. Давление воздуха перед насадкой измеряется пружинным манометром, подсоединенным к измерительной колодке металлическим импульсопроводом. ЭДС термопары, предназначенной для измерения температуры воздуха, передается на милливольтметр, градуированный как в милливольтах, так и в градусах Цельсия.

Схема установки аналогична схеме на рисунке 5 (стр. 37).

Порядок выполнения работы

До включения силового щита изучить схему установки, убедиться в наличии заземления электроприборов, в том числе корпуса электропечи и трансформатора.

Выполнить расчет теоретического расхода воздуха. Для этого преобразуем формулу (1), обозначив выражение

72,8mj через суммарный коэффициент К_S.

m – примем равным 1, поскольку в условиях опыта сечение отверстия сохраняется чистым, j = 0,8.

Тогда, u_уд = К_S , нм³/см²×мин (2)

Поскольку К_S – есть только функция давления, для дальнейшего расчета вычислим его значение в зависимости от давления в диапазоне от 0 до 9 кГ/см² (докритический режим).

Не включая нагревательной печи, подать от компрессора воздух и установить на манометре последовательно значения от 0,2 до 0,8 кГ/см² с шагом 0,2. На каждом из этих режимов измерить перепад на диафрагме Dh и давление на диафрагме Р_д.

Отключить компрессор и включить нагревательную печь. Установить через трансформатор силу тока по амперметру 5 А. Следить за показаниями милливольтметра, измеряющего температуру печи, а тем временем заготовить таблицу следующей формы.

Таблица результатов эксперимента

по определению условий истечения воздуха при нагреве

№	tвозд, °С	Показания диафрагмы	Расход по диафраг. u, м³/час	Удельная нагрузка, uуд м³/см²×мин	Давление истечения Р1, кГ/см²	Расчетная удельная нагрузка
Dh	Рд

Формулы для расчета: u = К_д , м³/час

u_уд = u/F, м³/см²×мин

При обработке первых результатов наблюдать за температурой печи. При температуре 200°С повторить эксперимент на ранее принятых значениях Р₁, доведя нагрев печи до 400°С, вновь повторить измерения. Аналогично провести измерения при температуре в печи 600°С.

Окончив работу, отключить печь и заполнить таблицу. Далее построить графики u_уд = f(Т) по расчету и эксперименту. Сделать выводы по результатам.

РАБОТА 5. Оценка УСЛОВИЙ ПОДАЧИ дутья В СЛОЙ РАСПЛАВА при различных вариантах

Одной из распространенных разновидностей металлургических печей являются аппараты, работающие на принципе подачи дутья в слой расплава. Впервые этот был предложен в 1855 г. англичанином Генри Бессемером для переработки чугуна и стали. Дутье в бессеморовский конвертер подается через вертикальные фурмы, расположенные в его днище. В 1870-е годы русские металлурги – питомцы Горного института А.Иосса, Н.Лалетин и В.Семенников разработали процесс «бессемерования» медных штейнов, основанный на продувке расплавленного штейна воздухом. Бессемеровский конвертер для этого процесса оказался непригодным. Питомец Горного института А.А.Ауэрбах предложил для конвертирования штейнов новую конструкцию конвертера («Реторта Аурбаха»), в котором дутье подается через фурмы, установленные горизонтально в боковой стенке конвертера. Эта конструкция получила широкое распространение в мировой практике медеплавильного производства, а затем и в никелевой технологии для продувки никелевых и медно-никелевых штейнов.

В начале ХХ века на смену вертикальному конвертеру в медеплавильном, а затем никелевом производстве пришла горизонтальная конструкция, разработанная американцами Пирсом и Смитом. При значительном отличии нового типа конвертера от прежнего в нем сохранен принцип боковой горизонтальной подачи дутья.

Такой же способ горизонтального подвода дутья, но уже двухстороннего, применен в новом типе печи для плавки руд цветных металлов – так называемой печи для плавки в жидкой ванне (ПЖВ), затем названной печью В.А.Ванюкова. Что касается сталеплавильного производства, то здесь бессемеровский процесс претерпел существенные изменения. Появился кислородно-конвертерный способ производства стали. Аппарат для этого процесса сохранил форму бессемеровской реторты, а кислородное дутье осуществляется сверху, в виде вертикальной непогруженной струи, подаваемой через единичную водоохлаждаемую фурму.

Цветная металлургия вновь сделала у сталеплавильщиков заимствование – в ряде процессов появилась вертикальная кислородная струя. такими процессами являются, например, рафинирование ферроникеля (Побужье), переработка медного концентрата от разделения файнштейна и автогенная плавка (Североникель).

На основе исследований динамических характеристик непогруженных высоконапорных газовых струй и механизма их взаимодействия с жидкой ванной возникла идея использования кинетической энергии этих струй для создания управляемого массопереноса в виде вращения массы расплава. Такая подача дутья осуществляется за счет нескольких пространственно-ориентированных непогруженных струй, которые при соприкосновении под определенным углом с поверхностью расплава, находящегося в цилиндрическом сосуде, создают эффект интенсивного вращения.

Таким образом, подача дутья в слой расплава может осуществляться по одному из пяти вариантов:

1. Донная подача дутья (Бессемеровский конвертер);

2. Боковая подача дутья односторонняя (Горизонтальный конвертер, а также Реторта Ауэрбаха);

3. Боковая подача дутья двусторонняя (ПЖВ)

4. Верхняя непогруженная, вертикальная (Вертикальный кислородный конвертер, ААП);

5. Пространственно-ориентированные струи (новый вариант).

Аэродинамические условия. Несмотря на разнообразие способов подачи дутья в расплав, все они подчиняются общим закономерностям газовой динамики.

Если в системе нагнетания дутья абсолютное давление Р₁ [ кГ/см² ], температура дутья Т [ К ], а в пространстве, куда подается дутье - абсолютное давление Р₂ [ кГ/см² ], то для всех случаев количество дутья может быть вычислено по формуле, выведенной из закономерностей свободной струи:

u_уд = 34,3 × n × d² × m × j × Р₁ × , нм³/час

где j – коэффициент аэродинамики фурменной системы – зависит от геометрической формы и качества изготовления элементов этой системы; n – число работающих фурм, насадок, сопел; d – диаметр фурм насадок, сопел, мм; m – степень чистоты рабочего отверстия фурмы, насадки сопла; Т – температура струи, К.

Для каждого варианта конструкции такой системы коэффициент j определяется экспериментальным путем. Для непогруженной подачи дутья m = 1. Для погруженной подачи (ГК, ПЖВ) m < 1 и принимается в зависимости от условий обслуживания фурм, заключающегося в их прочистке.

Заметим, что значение давления Р₂ различно для непогруженной и погруженной подачи дутья. Для непогруженной подачи, когда струя дутья попадает в свободное газовое пространство, без особой погрешности можно принять Р₂ = 1 кГ/см². Для погруженной подачи, когда струя попадает под слой расплава Р₂ = g×h + 1, где g - удельный вес расплава [ кГ/см³ ], h – высота слоя расплава над фурмой [ см ].

Технологический процесс. В металлургии меди и никеля аппараты струйно-окислительного типа применяются для переработки сульфидных материалов – руд, концентратов, штейнов.

С некоторыми упрощениями физико-химические процессы, происходящие с сульфидными материалами в металлургическом аппарате под воздействием кислорода, подаваемого с дутьем, можно представить следующими схемами:

1) зона окисления – зона непосредственного контакта расплава с дутьевой струей:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

3FeS + 5O₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂

2) Зона обменного взаимодействия – в объеме расплава за пределами дутьевой струи: МеО + FeS = МeS + FeО – эту реакцию примем при условии полного возврата цветных металлов в форму сульфида.

Fe₃O₄ + 1/3FeS = 10/3FeO + 1/3SO₂

Полнота протекания реакций обменного взаимодействия зависит от кинетических факторов, из которых главным является интенсивность массообмена в объеме расплава. Не имея возможности оценить кинетику этих реакций каким-либо уравнением, введем понятие условного коэффициента n как собирательной характеристики полноты протекания реакций взаимодействия магнетита с сульфидом железа.

Для рассматриваемой схемы, в которой выделим только поведение железа, получим:

Fe₃O₄ + n/3FeS = 10×n/3FeO + n/3SO₂ + (1-n)Fe₃O₄

3) Зона шлакообразования (верхняя часть ванны).

Вводим дополнительный коэффициент полноты ошлакования k.

10×n/3FeO + 5/3n(1-k)SiO₂ = 5/3n(1-k)(2FeO×SiO₂) + 10/3nkFeO

Предложенные уравнения реакций с использованием коэффициентов n и k отвечают факту наличия в конвертерных шлаках трех форм оксидного железа – магнетита Fe₃O₄, фаялита 2FeO×SiO₂ и вюстита FeO. Принятые коэффициенты играют роль косвенных характеристик температурных условий и интенсивности массообмена.

Вводим для расчетов также коэффициент «полноты окисления» сульфида железа m. Выполнив на основании стехиометрии реакций окисления, обменного взаимодействия и ошлакования количественные расчеты на 100 кг штейна, содержащего, %: FeS – d, Fe – е, Fe₃O₄ – f, с использованием коэффициентов n, k, m, получим удобные формулы для балансовых расчетов процесса

Теоретический расход кислорода:

V_O2 = 0,267 е + m (d - n (0,175 e +0,126 f)×18,18/(9+ n), нм³

G_O2 = 0,381 е + m (d-n (0,175 e +0,126 f)×5,454/(9+ n), кг

Соответственно расход воздуха при 21% кислорода:

L_теор = 1,27 е + m (d-n (0,175 e +0,126 f)×3,818/(9+ n), нм³

L_практ = a_изб L_теор,

где a_изб – коэффициент избытка воздуха (по данным практики a_изб = 1,1-1,2)

Как результат комплексного рассмотрения физико-химических взаимодействий, требующих для заданного состава штейна определенного количества воздуха, подаваемого в аппарат, значения параметров и состава дутья, количества и конструкции фурм, особенности работы самого аппарата, – построена обобщенная формула оценки его производительности (по файнштейну или «белому матту»):

, т/год

где М₁ – содержание Cu+Ni в исходном штейне, %; М₂ – содержание Cu+Ni в файнштейне (или “белом матте”), %; d – содержание FeS в штейне, %; е – содержание Fe в штейне, %; n – коэффициент распределения кислорода между FeO и Fe₃O₄ (при n = 1 образуется только FeO, при n = 0 – только Fe₃O₄); m – степень окисления FeS; n_р – число работающих фурм; m – степень чистоты фурм; j – коэффициент аэродинамики фурменной системы; q – доля кислорода в дутье (для воздуха q = 0,21); К_д – коэффициент использования конвертера под дутьем; N – число рабочих суток в году; d_ф – диаметр фурм, мм; Т – температура дутья, К.

Формула имеет универсальный характер и пригодна для расчетов конвертирования штейнов в аппаратах любой конструкции, при любом составе и давлении дутья, любом устройстве дутьевых систем, характеризуемых значением коэффициента j.