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自由喷枪铁水脱硫

发布时间:2019-09-29 21:41:04 阅读: 来源:铣床厂家

自由喷枪铁水脱硫

核心提示:喷射冶金通常是指在工业上广泛应用的固定式喷吹法:喷枪从炉底,炉壁和炉顶向熔池喷吹时都处于静止状态。当喷枪从炉底向上喷吹时喷射冶金通常是指在工业上广泛应用的固定式喷吹法:喷枪从炉底,炉壁和炉顶向熔池喷吹时都处于静止状态。当喷枪从炉底向上喷吹时,固定式喷吹法是唯一的方法,即喷枪需固定在炉底的耐火层中。当喷枪从炉壁插入喷吹,一般也处于静止状态。只有在喷枪从炉顶插入,喷枪和炉顶有间隙时,才能实现喷枪的摆动或转动。铁水脱硫的钢包和鱼雷车都是上部开口式容器,炉顶插入喷枪有摆动空间,动态喷枪的脱硫应用有了可能。但是相比固定喷枪在水模拟,数学模型,高温试验上积累的大量文献,动态式喷吹法在理论和工业应用的研究很少。Sino 教授等在1995 年发表了L 型旋转喷枪的水模试验,测定了搅拌时间和气流量,旋转速度和水池深度的关系,发现在浅池时,旋转速度对搅拌时间有明显影响,在深水池和慢旋转时,气流量对搅拌时间的影响变明显,关联了搅拌时间和参数之间的试验公式。在相同的水模型试验中,和固定喷枪相比,发现旋转喷枪使气泡变小,上浮速度变慢,上浮速度变慢与气泡变小,起泡的密集度和上浮轨迹有关。气液间的传质系数用CO2和NaOH 吸收测定,发现旋转喷枪的吸收速率比固定喷枪高,吸收系数的改变与气泡和液相的界面积有关。近来巴西Usiminas 钢铁公司脱硫站采用双孔旋转耐火喷枪在65 t 钢包中进行了工业测试,数据表明,可以将脱硫率提高20%~30%,降低金属喷溅损失,降温减小50%。旋转喷枪提高了铁水和脱硫剂的混合搅拌,改变了载气流上浮的轨迹,气泡变小,上浮速度变慢,脱硫剂和铁水混合更好,提高脱硫率并使喷溅强度降低。但是旋转喷枪需要有类似KR法的机械转动系统,而本文讨论的自由喷枪不需要传动装置,自由喷枪的摆动来自本身的气流喷射,在喷枪的改造上非常简单,为自由喷枪铁水脱硫的工业应用创造了条件,同时在学术上也提供了一系列值得研究的课题,如喷枪摆动对气泡大小的影响,喷口附近气流轨迹的改变,是否缩短搅拌时间,喷溅强度的改变,对枪体内应力的影响。2 m 长,15 kg 重耐火喷枪已用于自由喷枪冷试,检验了喷枪顶端的悬挂设计,观察了喷枪的摆动,分析了喷枪摆动的受力,对喷枪摆动的变量进行了量纲分析,认为重达上百公斤的耐火喷枪可以在铁水中摆动,以减小喷枪的机械应力,延长喷枪的使用寿命,扩大混合反应区域,并对脱硫剂和气泡进行搅拌,有望成为更有效的喷吹技术用于鱼雷车和单吹颗粒镁脱硫。

1 自由喷枪冷试

自由喷枪冷试是为了枪顶的悬挂设计和观察喷枪的摆动,以及评估耐火喷枪在铁水中摆动的可行性。长为2 m,重15 kg,喷口直径11 mm,用于冷试的耐火喷枪,耐火段的长度为1 m,直径90 mm。上半段为长度1 m,直径35 mm 的钢管。钢管的顶端和T 型管连接,T 型管挂在长200 mm 的铁链上,铁链的顶端被固定,喷枪可绕着铁链的顶端运动。T 型管也连接不锈钢软气管,高压气从不锈钢软气管进入喷枪。水池深为450 mm,喷枪口离水底的距离是150 mm,耐火喷枪的浸没深度为300 mm。

当气流量为30 m/s 时,可看到底端喷口在大约120 mm 的直径范围摆动。喷枪的运动有直线和弧线,大约为3 s完成一次往返游动。喷口的摆动速率估算在0.08~0.12 m/s。喷枪向左摆动时的瞬间,在喷口处形成一个向下的锥形气泡,气流沿着喷枪底部形成大气泡,然后上浮破裂成大量的小气泡,而小气泡在液面附近受到水波的震荡向下回冲,在液面附近形成小气泡层。

自由喷枪向右摆的瞬间,和向左摆瞬间一样大气泡破裂形成小气泡在液面附近形成小气泡层。

自由喷枪液面气流的照片可以看出,喷枪在往右运动,在液相的推力下,气流在偏向喷枪的左侧喷出水面,同时也给了喷枪推动力。

固定喷枪和自由喷枪的比较表明,在固定喷枪垂直喷射时,可见气流沿着枪体在浮力的作用下上浮,气泡不受喷枪干扰,尽管上浮时也能看到气泡破碎,但明显以大气泡的形式冲向液面,在喷枪浸没不深时,大气泡在喷枪四周容易形成以气相为主的气液流,部分气流可能击穿液体直达液面,和液相接触混合不充分。而自由喷枪的气流在喷枪的搅拌干扰下上浮,搅拌深度也是喷口到液面的距离。自由喷枪向左运动时,喷气流受到液相推力使气流偏向右边,气泡在上浮中受喷枪摆动干扰,导致气液界面不稳定,气泡破碎变小和液相混合充分,破碎的小气泡难以形成以气相为主的气流通道,在液面波的震动下容易回冲然后上浮,延长气泡在铁水中的停留时间。固定喷枪的上浮气流基本围绕在喷枪四周,而自由喷枪由于摆动的速率不大,上浮气流也围绕在喷枪四周,喷枪的摆动可以对气泡进行有效搅拌。自由喷枪是摆动幅度大而摆动频率小,能对上浮气流进行大幅度的横向推动搅拌,而固定喷枪的震动是震动幅度小而震动频率大,对上浮气流的干扰也就不明显。

2 自由喷枪的受力分析

从自由喷枪的冷试可见,喷枪的摆动有直线和弧线,喷气流的推力是喷枪摆动的动力来源。喷枪从左向右直线摆动过程中,当喷枪从左向垂直位置摆动时,喷枪的动力来自喷气流的推力和喷枪的重力,反力来自水池对枪体的阻力。当喷枪从垂直位置向右摆动时,喷枪的重力成了阻力。可见在直线摆动时,喷枪的重力既是喷枪摆动的阻力也可以成为动力。

耐火喷枪的摆动不但有直线,也有圆弧线,如以圆周轨迹来近似,喷枪的重力成了向心力,把喷枪拉回垂直位置,喷气流的推力成了离心力。如气流推力主要用于平衡喷枪的重力,忽略水池阻力,以喷枪顶端为支点的力平衡可表达为:

FL = (w-f )r /2 (1)

式中:F 为气流推力;L 为喷枪总长;w为喷枪重力;f 为喷枪受到的浮力;r 为喷口离圆心距离。喷口离圆心距离r 一般大大小于喷枪总长L,这样气流推力等于部分比例的喷枪重力,就可平衡喷枪完成圆弧运动。当喷气流速增大,气流对喷枪的推力F 加大,喷枪可在更大的圆周r 运动。喷枪也受到液体的浮力影响,浮力f 越大,相对使喷枪的重力向心力减小,气流推力容易在更大范围r推动喷枪摆动。

自由喷枪除了受到喷气推力,喷枪重力和液体浮力的影响,也可能受到液池震荡波的推力,震荡波有U 型和旋转型两种,U 型波为直线双向的来回震荡,可能推动喷枪的直线运动。旋转型波围绕中心作圆周波动,可能影响喷枪的圆弧线运动,但是自由喷枪的喷射摆动也可能对U 型波和旋转波的形成进行干扰,二者间的相互作用将影响喷枪的运动轨迹,波震荡的形成和喷溅的大小。

3 自由喷枪的量纲分析

量纲分析是利用量纲齐次原则建立数学模型的一种方法,然后通过试验确定各物理量之间的数学表达关系。从自由喷枪的受力分析可见,无论是直线和圆弧运动,气流推力,喷枪的的重力和浮力将对喷枪的摆动产生影响,设它们之间量纲分析关系式:

D =φ(v,,μ,ρ,L,h,d,w,g ) (2)

式中:φ 表示未定函数;D 为喷口摆动圆周直径;v 为喷口气流速率;μ 为液体黏度;ρ 为液体密度;L 为喷枪长度;h 为喷枪浸没深度;d 为喷枪外直径;w为喷枪重量;g 为加速度。9 个物理量减去3 个基本量纲(长度、质量和时间),有6 个相互独立的无量纲量,用h,w,g重复和其余物理量量纲齐次,可得:

П1 = D/h

П2 = v /(gh )0.5

П3 =ρh 3/w

П4 =μL 1.5/w g0.5

П5 = L/h

П6 = d/h

无量纲量П2 = v /(gh )0.5 可写为v 2/gh,在流体力学中称修正弗劳德准数。无量纲量П3 = ρh 3/w 可改为ρ(hd 2)/w,d 为喷枪的外直径,这样П3 为喷枪受到的浮力和喷枪重量之比值。喷枪摆动直径D 的显示表达式为:

D = hφ(v 2/gh,ρ(hd 2)/w,μL 1.5/w g0.5,L/h,d/h ) (3)

若把相同浸没深度的耐火喷枪在铁水中的摆动直径记为D ',水模中的摆动直径记为D,则

D'/D = (v'/v )a (ρ'/ρ)b (μ'/μ)c (4)

式中:a、b 和c 为待定系数,可通过水模试验数据获得;v' 为铁水中的喷口气流速率;ρ' 和μ' 为铁水的密度和黏度;v为水模中的喷口气流速率;ρ 和μ 为水的密度和黏度。

喷枪除了摆动范围直径,还有摆动的频率,如果没有喷气和浸没深度,喷枪就是一个简单的单摆运动,长度L 的喷枪在重力的作用下的摆动频率可表达为

f = C(g0.5/L 0.5) (5)

C 为常数,摆动的频率和喷枪的重量无关,和喷枪的长度成反比。当喷枪有喷气和浸没深度,频率的量纲分析关系式类似公式(2)

f = φ(v,,μ,p,L,h,d,w,g ) (6)

f 为喷枪摆动的频率,用h,w,g 重复和其余物理量量纲齐次,喷枪摆动频率f 的显示表达式为:

f = (g 0.5/L 0.5)φ(v 2/gh,ρ(hd 2)/w,μL 0.5/w g0.5, L/h, d/h ) (7)

若相同浸没深度的耐火喷枪在铁水中的摆动频率记为f,在水模中摆动频率为f,则

f'/f = (v'/v )x (ρ'/ρ)y (μ'/μ)z (8)

其中:x、y 和z 为待定系数,可通过水模试验数据获得。

得知D ' 和摆动频率f ',喷口在铁水中的圆周线速度可表达为:

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