РАЗДЕЛ 2
ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ И СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ В
СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ
Совершенствование процессов внепечной обработки стали, повышение требований к
качеству заготовок приводят к необходимости более тщательного изучения влияния
различных факторов на гидродинамическую картину в сталеразливочном ковше.
Управление процессами перемешивания и потоками расплава в ковше, сглаживание
флуктуаций концентрации и температуры металла при рациональных режимах
внепечной обработки может оказывать заметное влияние на качество металла
[111-121].
Для исследования гидродинамики внепечной обработки широко используются водяные
модели ([111-121] и др.). В экспериментах на моделях используют метод ввода
индикатора, который позволяет быстро получить требуемую информацию по
распределению времен пребывания в системе, и различные методы исследования поля
скоростей. Таким путем легко определяются условия, приводящие к возникновению
коротких контуров циркуляции [111-112], оцениваются объемы “мертвых” зон [113],
исследуется распределение потока по времени пребывания [115], рациональное
положение продувочной фурмы относительно центра сечения ковша и т.п.
Исследование переноса поперек потока, анализ кинетики удаления неметаллических
включений в шлак, оценка потерь кальция за счет окисления и т.п. требуют учета
и турбулентного диффузионного переноса.
Одним из сравнительно несложных и полезных направлений исследований является
физическое моделирование процессов перемешивания. При соблюдении условий
подобия между моделью и реальным объектом физическое моделирование позволяет
получить достаточно обширные и точные параметры исследуемого процесса. Основные
характеристики структуры потоков в ковше позволяет установить исследование
распределение индикатора в объеме моделирующей жидкости.
Физическое моделирование широко применяется для разработки и совершенствования
конструкции продувочных узлов [122], исследования распределения и усвоения
вдуваемых в струе инертного газа реагентов [123], оценки времени смешения и
необходимого времени гомогенизации [124-126].
Выбор основных размеров и конструкции модели
При исследованиях влияния на гидродинамику процессов истечения газа из фурмы
или сопла, начальной стадии формирования пузырей, структуры зоны барботажа, т.е
процессов, связанных с формированием поверхности раздела с газовой фазой,
обычно учитывается критерий Вебера, характеризующий соотношение сил инерции и
сил поверхностного натядения. При условии автомодельности по числу Рейнольдса
число Вебера используется [127-129] в качестве исходного для определения
линейного масштаба модели :
, (2.1)
где r – плотность металла; s – поверхностное натяжение; l – масштаб размеров.
При соблюдении условия подобия We = idem масштаб модели определяется
соотношением:
, (2.2)
где подстрочный индекс 2 соответствует модели; подстрочный индекс 1 – натуре. В
случае использования в качестве моделирующей жидкости воды масштаб
поверхностного натяжения ; масштаб плотностей [129]. Следовательно, при
использовании в качестве определяющего критерия числа Вебера линейный масштаб
модели должен составлять .
При отсутствии автомодельности по числу Рейнольдса даже без учета наличия
поверхности раздела с газовой фазой линейный масштаб модели оказывается около
1, т.к. необходимо соблюдение равенства критерией Рейнольдса и Фруда (т.е.
условий Re = idem и Fr = idem). В этом случае [127-129]:
, (2.3)
, (2.4)
где w – скорость потоков жидкости. Исключая из соотношений (2.3) и (2.4)
масштаб скоростей (по критерию Рейнольдса , по критерию Фруда ), получим .
Масштаб вязкостей для воды и стали близок к 1, поэтому в рассматриваемом случае
близок к 1 и линейный масштаб модели.
При гидравлическом моделировании структуры потоков в ковше нет необходимости
требовать выполнения соотношения We = idem. Для выполнения условия
автомодельности по числу Рейнольдса в условиях внепечной обработки и разливки
стали должно соблюдаться соотношение Re>5*103…7*103. Это соотношение
перекрывается даже для относительно небольших приведенных скоростях металла.
Следовательно, выбирая масштаб модели, достаточно обеспечить условие
автомодельности по числу Рейнольдса, выбирая масштаб скоростей по критерию
Фруда.
Кроме того, при определении условий подобия иногда учитываются и другие
критерии. Например, в [130] для холодного моделирования VI-процесса наряду с
критериями Рейнольдса и Фруда учитывалось и модифицированное число Фруда,
равное:
, (2.5)
где - плотности газа и жидкой фазы соответственно; D – внутренний диаметр
продувочной фурмы; vg – скорость струи газа. Однако модель ковша с
RH-вакууматором в работе [131] выполнена в масштабе 1:5, который сложно
обеспечить для исследования перемешивания в 350-т ковше.
Однако модифицированный критерий Фруда целесообразно применять не для оценки
геометрического масштаба модели, а для расчета соотношения расхода газа на
модели и на натуральном объекте.
Следовательно, при определении масштаба модели, рассчитанной на анализ
процессов перемешивания в ковше в целом (без исследования деталей процессов,
протекающих в барботажной зоне), кроме геометрического подобия, достаточно
обеспечить требование Fr = idem.
Описание экспериментальной установки
Моделирующей жидкостью являлась водопроводная вода, а индикатором служил водный
раствор хлорида калия.
Концентрация индикатора в воде определялась кондуктометрическим методом с
использованием специального датчика, предварительно отградуированного
- Київ+380960830922