Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны
Проведены экспериментальные исследования влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамические процессы в чугуновозном ковше в условиях обработки чугуна диспергированным магнием на холодной модели. Для количественной оценки степени диспергирования струи в жидкости впервые была р...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии |
|---|---|
| Datum: | 2007 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21918 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны / С.А. Шевченко, А.П. Толстопят, Т.А. Рузова, А.Ф. Шевченко // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2007. — Вип. 14. — С. 132-139. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859713384191098880 |
|---|---|
| author | Шевченко, С.А. Толстопят, А.П. Рузова, Т.А. Шевченко, А.Ф. |
| author_facet | Шевченко, С.А. Толстопят, А.П. Рузова, Т.А. Шевченко, А.Ф. |
| citation_txt | Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны / С.А. Шевченко, А.П. Толстопят, Т.А. Рузова, А.Ф. Шевченко // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2007. — Вип. 14. — С. 132-139. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии |
| description | Проведены экспериментальные исследования влияния угла инжектирования
затопленной струи на гидрогазодинамические процессы в чугуновозном ковше в
условиях обработки чугуна диспергированным магнием на холодной модели. Для
количественной оценки степени диспергирования струи в жидкости впервые была
разработана и применена методика компьютерной обработки видеоизображения.
Определены наиболее рациональные углы инжектирования
|
| first_indexed | 2025-12-01T06:51:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
132
УДК 669.162.26:669.046.003.12
С.А.Шевченко, А.П.Толстопят, Т.А.Рузова, А.Ф.Шевченко
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УГЛА ИНЖЕКТИРОВАНИЯ ЗАТОПЛЕННОЙ
СТРУИ НА ГИДРОГАЗОДИНАМИКУ БАРБАТИРУЕМОЙ ВАННЫ
Проведены экспериментальные исследования влияния угла инжектирования
затопленной струи на гидрогазодинамические процессы в чугуновозном ковше в
условиях обработки чугуна диспергированным магнием на холодной модели. Для
количественной оценки степени диспергирования струи в жидкости впервые была
разработана и применена методика компьютерной обработки видеоизображения.
Определены наиболее рациональные углы инжектирования.
Современное состояние вопроса. Для инжектирования магнийсо-
держащих реагентов при внепечной обработки чугуна применяют различ-
ные типы фурменных устройств [1]. Конструктивным отличием данных
фурменных устройств является различный угол размещения сопла αº от-
носительно вертикали. Истечением струи в сторону от оси фурмы решает-
ся ряд задач. В частности, для многосопельных фурм, изменение угла по-
зволяет реакционные зоны отдалить друг от друга. Уменьшить износ
днища ковша и футеровки фурмы. Переместить зону брызговыноса ближе
к носу заливочного ковша или в торец миксерного, этим снизить бурность
процесса.
Процесс диффузии паров магния из пузыря в расплав протекает через
межфазную поверхность пузыря. В силу этого, эффективность десульфу-
рации напрямую связана со степенью диспергирования газомагниевой
струи и равномерности ее распределения в объеме жидкометаллической
ванны. Уменьшение размера газовых включений с одной стороны увели-
чивает межфазную поверхность, с другой продлевает время пребывания
пузыря в расплаве. Кроме этого, дробление газовой струи и распределе-
ние ее в объеме снижает бурность процесса, волнообразование на поверх-
ности жидкометаллической ванны.
Постановка задачи. В силу вышесказанного, оценка влияния инжек-
тирования под различным углом на эффективность процесса сводится к
исследованию особенности пузыреобразования, степени диспергации
всплывающих пузырей, развитие (распределения) зоны барботирования в
объеме ванны.
Процесс рафинирования чугуна в ковшах вдуванием диспергирован-
ного магния представляет собой достаточно многосторонний технологи-
ческий комплекс, натурные исследования которого весьма сложны в силу
целого ряда естественных причин. Но динамическая сторона отдельных
явлений может быть исследована на холодных моделях путем вдувания,
например, воздуха в ванну с водой [2,3], при условии сохранения геомет-
рического и гидрогазодинамического подобия процессов.
133
Изложение основных материалов исследования. Объектом моде-
лирования при экспериментальном исследовании являлись гидрогазоди-
намические процессы, протекающие в заливочном ковше при следующих
основных параметрах вдувания:
- диаметр канала фурмы Dк = 12 мм;
- глубина погружения фурмы в расплав Hф = 2,5 м;
- расход инжектирующего газа Vг = 60 – 200 нм3/ч.
В качестве модели ковша, размеры которой соотносятся с размерами
натуры как 1:10, была выбрана прозрачная емкость из органического
стекла имеющая размеры: диаметр нижней – 330 мм, диаметр верхний –
390 мм, глубина – 430 мм. Эта модель соответствовала натурному образу
ковшей с массой чугуна более 160 – 180 т. В качестве жидкости использо-
валась вода, кинематическая вязкость, которой, близка к вязкости рас-
плавленного чугуна.
Моделирующее фурму дутьевое устройство представляло собой ла-
тунную трубку с наружным диаметром 3 мм и внутренним 2 мм. Величи-
на внутреннего диаметра модели фурмы была выбрана исходя из требова-
ния реализовать на выходе из нее скорость газа, близкую к натуре (в за-
данном диапазоне изменения расхода дутья). Изменение угла инжектиро-
вания осуществляли благодаря набору трубок, которые отличались ото-
гнутым на заданный угол концом.
С помощью компрессора через дутьевое устройство в жидкость вду-
вали воздух с заданным расходом. Прозрачные стенки емкости позволили
отснять зону барботирования на аналоговую видеокамеру с частотой ви-
деосъемки 25 кадров в секунду. Контрастность изображения всплываю-
щих пузырей обеспечивал белый экран, установленный за стенкой модели
ковша и подсвеченный с тыльной стороны осветительным устройством.
В ходе проведения исследований расход газа изменялся в пределах
0,6 – 2,0 нм3/ч, что соответствует натурному расходу 60 – 200 нм3/ч. При
этом скорость на срезе сопла равнялась 53 – 178 м/с и соответственно для
натуры 49 – 164 м/с. Угол отклонения от вертикали изменялся: α = 0º, 15º,
30º, 45º, 60º, 75º, 90º.
Следует отметить, что уменьшение на 2 порядка расхода газа на мо-
дели (по сравнению с натурой) отвечает геометрическому моделированию
с линейным соотношением 1:10. Поскольку в этом случае поперечное се-
чение модели (площадь зеркала ковша) уменьшается в соотношении 1:100,
то газовая нагрузка на единицу площади для модели и натуры будет оди-
накова.
Таким образом, была отснята серия экспериментов. Съемка каждой
серии длилась 5 секунд. Видеоизображение в последующем было оциф-
ровано, разрезано на отдельные кадры и представлено в виде точечных
графических объектов (формата ВМР). В итоге получили 56 серий по 125
кадров в каждой.
134
Фото- и киноматериалы по исследованиям гидрогазодинамических
процессов ранее, как правило, давали лишь качественную оценку. Появ-
ление компьютеров и связанных с этим методик исследований предоста-
вило новые возможности обработки и анализа видеоизображений на ос-
нове кинограмм процесса с последующей компьютерной обработкой их,
методика которой отрабатывалась в процессе выполнения настоящей ра-
боты.
Отметим, что поскольку модель (ковш) представляет собой тело вра-
щения, а обработка велась по фотографиям, то все определяемые по ним
параметры представляют собой условную проекцию на диаметральное
сечение ковша. Поэтому полученные результаты, приведенные к число-
вым значениям, следует рассматривать в сравнительном сопоставлении
измеренных параметров. При этом важным фактором является возмож-
ность программными средствами обрабатывать все полученные в данном
временном интервале изображения установившегося процесса и усред-
нять по ним полученный результат.
Низкая контрастность изображения в целом, сочетающаяся с неодно-
родностью прорисовки контуров различных объектов, перекрытие одного
пузыря другим, присутствующие блики и ряд других неблагоприятных
факторов усложнили процесс обработки изображения. В связи с этим соз-
дана специальная процедура обработки изображений данного класса с
помощью которой, автоматически выделяется необходимая для исследо-
вания область кадра. Область позиционируется так, чтобы ширина ее сов-
падала с диаметром ковша, а бурность поверхности ванны не вносила
свои помехи. Фурменное устройство размещено строго по оси. Размеры
выделяемой области и положение его относительно сопла фурмы для всех
кадров постоянны. Так на рис.1 приведены вырезанные области двух спо-
собов размещения сопла α = 0º и 45º. После этого изображение переводит-
ся в ахроматический режим и по специальной процедуре осуществляется
выделение перепадов яркости нелинейными методами контрастирования
[4,5]. После очередных преобразований, применения математическую
модель выделения цветовых подпространств пространства RGB и дву-
цветную систему выделения объектов [5] с заливкой тела пузыря, для
корректного определения площади изображение приводится к итоговому
виду рис.2.
Программно определяются отличительные от фона места, соответст-
вующие проекциям газовых пузырей объема ванны на плоскость иссле-
дуемой области. В цифровом виде исследуемая область представляет со-
бой матрицу светлых и темных точек (пикселей). В результате чего по
полученному изображению методами численного интегрирования с при-
менением аппроксимационной модели описания периметров [5] опреде-
лялись площади и периметры пятен, выраженные в пикселях, и строились
их распределения в относительных величинах (рис.3).
135
Для количественной оценки гидрогазодинамических процессов про-
текающих в жидкой ванне использовали следующие относительные вели-
чины.
а) α = 0º б) α = 45º
Рис.1. Исходный вид исследуемой области на примере двух типов фурм
а) α = 0º б) α = 45º
Рис.2. Итоговый вид исследуемой области на примере двух типов фурм
Sг, % – величина характеризующая газосодержание в жидкой ванне,
является процентным отношением площади проекций газовых пузырей в
кадре (Sp) к общей площади исследуемой области – Sк.
100
к
г ⋅=
S
SрS %; (1)
Пs – коэффициент характеризующий условную фазовою поверхность
пузырей в объеме ванны и является отношением периметра проекций пу-
зырей (Пp) к общей площади исследуемого участка – Sк.
136
к
ПП
S
рs = ; (2)
Пп – аналог коэффициента дисперсности, характеризующий отноше-
ние фазовой поверхности газовых включений (аналог Пp) к эквивалент-
ному периметру газовых включений в жидкой ванне (Пэкв)
экв
ПрП
П
п = ; (3)
Пэкв определяется из суммарной площади газовых включений (Sp)
через эквивалентный радиус окружности (Rэкв) площадь которой равна
суммарной площади газовых включений:
эквπ2Пэкв R⋅⋅= ;
π
экв SpR = ;
В силу упомянутых ранее причин абсолютная погрешность данного
метода велика. Но, поскольку в рамках проведенного эксперимента выде-
ляемый участок для каждого кадра эксперимента имеет равные оптиче-
ские условия, одинаковые размер и расположение, оценку работы различ-
ных типов фурм провели путем сопоставления усредненных величин из
каждой серии кадров. С целью сохранения характерной зависимости из-
менения величин по диаметру ковша, их усреднение проводили по каж-
дому х-столбцу матрицы Sг(х), Пs(х), Пп(х) где х – номер столбца матрицы
(0<х<Dк), с последующим выведением среднего значения для всей серии
кадров Sгср, Пsср, Ппср.
Полученные распределение площади газовых включений по диаметру
ковша позволяет провести оценку неравномерности распределения газо-
вых включений в объеме ванны:
cp
cp
S S
xSS
K
г
)(гг −
= ; для всех Sг(х)≤Sгср. (4)
Определенная величина КS является характерным параметром для
данного варианта эксперимента и режима, а следовательно и конструкции
фурмы. Величина KS, изменяющаяся в диапазоне [0–1) численно опреде-
ляет качество ведения процесса или эффективность работы выбранной
фурмы. При К → 1 неравномерность распределения исследуемого пара-
метра по диаметру наибольшая, при К → 0 достигается наибольшая рав-
номерность распределения параметра.
Аналогично определяется неравномерность распределения межфаз-
ной поверхности газовых включений:
cp
cp
П П
)(ПП
s
xss
K
−
= ; для всех Пs(х) ≤ Пs ср. (5)
137
Полученные для единичного кадра относительные величины и их
распределения по диаметру ковша демонстрируются на рис.3, где нагляд-
но представлено отличие работы фурм без отгиба (а) и с отгибом сопла на
45º.
Видно, что истекающая газовая струя образует пульсирующую, но
стационарную газовую полость, вытянутую вдоль оси сопла под тем же
углом. Ее размер, по длине, увеличивается с увеличением скорости исте-
чения [6]. В случае прямого расположения сопла (α=0º) образование и
отрыв отдельных газовых включений от основной стационарной полости
происходит в верхней ее части с некоторой периодичностью. При этом
включения могут иметь относительно большой объем, равный примерно
объему стационарной полости. Зона барботирования сконцентрирована
вдоль ствола фурмы. Дробление такой газовой полости на более мелкие
пузыри, по мере всплытия, не значительно. Что подтверждается количест-
венными величинами (рис.3,а), где изменяющееся по диаметру ковша га-
зосодержание практически накладывается на изменение условной фазо-
вой поверхности. В случае вдувания под углом образование и отрыв от-
дельных газовых включений происходит ближе к хвостовой части ста-
ционарной полости и их размеры значительно меньше, чем в случае с
прямоточной фурмой. По мере всплытия большего размера пузыри про-
должают дробиться и рассредоточивается в объеме ванны, что отражают
количественные величины и характер их изменения по диаметру ковша
(рис.3,б). Также заметно снижается волнообразование на поверхности
жидкой ванны.
Рис.3. Исследуемая область барботируемой ванны и характеризующие
ее величины, полученные по ходу компьютерной обработки экспери-
ментальных данных для двух типов фурм.
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Диаметр ковша , доля
Га
зо
со
де
рж
ан
ие
, %
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
0,05
Ф
аз
. п
ов
ер
хн
ос
ть
,1
/м
Газосодержание (%)
Фаз.пов ерхн.,1/м
Sг = 14.65 %, Ks = 0.45, Kп =
0.44
Sг = 7.46 %, Ks = 0.72, Kп =
0 64
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Диаме тр ковша, доля
Га
зо
со
де
рж
ан
ие
, %
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
Ф
аз
. п
ов
ер
хн
ос
ть
, 1
/м
Газосодержание (%)
Фаз.пов ерхн.,1/м
138
При анализе всех кадров подряд из одной серии имеет место немоно-
тонность изменения величины газосодержания и фазовой поверхности с
характерной периодичностью по длине серии, что, может быть обуслов-
лено пульсирующим характером процесса отрыва пузырей от стационар-
ной газовой полости в прифурменной зоне. На основе итоговых величин,
полученных после обработки всех массивов и последующего их усредне-
ния, построены наглядные графические зависимости, учитывающие изме-
нение угла инжектирования и расходов газа. Некоторые из них представ-
лены на диаграммах рис.4 и рис.5.
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2Vг, нм3/ч
Пs
a = 0
a = 1 5
a = 3 0
a = 4 5
a = 6 0
a = 7 5
a = 9 0
Рис.4. Изменение условной межфазной поверхности в зависимости от
расхода газа для различных углов инжектирования.
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2Vг, нм3/ч
Ks
a = 0
a = 1 5
a = 3 0
a = 4 5
a = 6 0
a = 7 5
a = 9 0
Рис.5. Изменение коэффициента неравномерности распределения газосо-
держания в объеме ванны для различных углов инжектирования.
139
На основе проведенного анализа определено, что наибольшая степень
диспергирования газомагниевой струи и более равномерное распределе-
ние ее в объеме жидкометаллической ванны достигается при углах ин-
жектирования струи 30º – 60º.
Заключение. Таким образом, в ходе сопоставительного анализа опре-
делены наиболее рациональные углы размещения сопла αº относительно
вертикали фурменных устройств и рекомендуется при проектировании
фурм выбирать их в диапазоне 30º – 60º.
1. The VI International Symposium for desulphurization of hot metal and steel. –
September 14–16. – 2000. –Magdeburg/Germany. – Р.82
2. Явойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л. Теория продувки сталеплавильной
ванны. – М.: Металлургия, 1974. – 496с.
3. Ефименко С.П., Пилюшенко В.Л., Смирнов А.Н. Пульсационное перемешива-
ние металлургических расплавов. – М., Металлургия, 1989. –С. 168
4. Прэтт Р. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. –
302с.
5. Рузова Т.А., Карпов О.Н., Флеер Л.А. Оперативный контроль параметров час-
тиц дисперсных образований // Науковий вісник Національного гірничого
університету.–Дніпропетровськ.–2004, – № 2. – С. 83–88
6. Оценка параметров проникновения истекающей из фурмы магнийсодержащей
струи в расплав чугуна. / С.А. Шевченко, А.Ф. Шевченко, В.И. Елисеев и др.
// Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб. тр.
ИЧМ, вып..13. – 2006. – С.48–51.
Статья рекомендована к печати д.т.н. А.С.Вергуном
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21918 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0070 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T06:51:53Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Шевченко, С.А. Толстопят, А.П. Рузова, Т.А. Шевченко, А.Ф. 2011-06-20T08:02:12Z 2011-06-20T08:02:12Z 2007 Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны / С.А. Шевченко, А.П. Толстопят, Т.А. Рузова, А.Ф. Шевченко // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2007. — Вип. 14. — С. 132-139. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0070 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21918 669.162.26:669.046.003.12 Проведены экспериментальные исследования влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамические процессы в чугуновозном ковше в условиях обработки чугуна диспергированным магнием на холодной модели. Для количественной оценки степени диспергирования струи в жидкости впервые была разработана и применена методика компьютерной обработки видеоизображения. Определены наиболее рациональные углы инжектирования ru Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии Внепечная обработка чугунка и стали Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны Article published earlier |
| spellingShingle | Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны Шевченко, С.А. Толстопят, А.П. Рузова, Т.А. Шевченко, А.Ф. Внепечная обработка чугунка и стали |
| title | Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны |
| title_full | Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны |
| title_fullStr | Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны |
| title_full_unstemmed | Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны |
| title_short | Оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны |
| title_sort | оценка влияния угла инжектирования затопленной струи на гидрогазодинамику барбатируемой ванны |
| topic | Внепечная обработка чугунка и стали |
| topic_facet | Внепечная обработка чугунка и стали |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21918 |
| work_keys_str_mv | AT ševčenkosa ocenkavliâniâuglainžektirovaniâzatoplennoistruinagidrogazodinamikubarbatiruemoivanny AT tolstopâtap ocenkavliâniâuglainžektirovaniâzatoplennoistruinagidrogazodinamikubarbatiruemoivanny AT ruzovata ocenkavliâniâuglainžektirovaniâzatoplennoistruinagidrogazodinamikubarbatiruemoivanny AT ševčenkoaf ocenkavliâniâuglainžektirovaniâzatoplennoistruinagidrogazodinamikubarbatiruemoivanny |