Оттегілік үрлеменің аэродинамикасы және гидродинамикасы

Оттегі фурма соплосынан өте тез өтетіндіктен, сыртқы ортамен жылу алмасу орын алмайды деп есептелінеді. Лаваль типті соплодан оттегінің шығу жылдамдығы анықталады, м/с [8]

(3.4)

мұндағы

φ – үйкелісті және идеалдан ауытқуды ескеретін коэффицент, φ≤1;

к – адиабата көрсеткіші, оттегі үшін 1,4;

R – газ тұрақтылығы;

T – оттегінің сопло алдындағы температурасы;

р₁ – оттегінің сопло алдындағы қысымы;

р₂ – конвертер кеңістігіндегі газ фазасының қысымы, 0,1 МПа.

Лаваль типті сопло оттегі ағынының тез арада дыбыстан жоғары жылдамдыққа жетуін (500 м/с жоғары) және оның жоғары кинетикалық энергиясы болуын қамтамасыз етеді. Соплодан осындай жылдамдықпен шыққан оттегі ағыны алдымен конвертер кеңістігінде өзін қоршаған ортамен әрекеттеседі. Салқын оттегі ағыны, металл бетінен көтеріліп келе жатқан, температурасы мен тозаңы әр түрлі ыстық газға тап болады. Оттегінің бір бөлігі СО газын тотықтандыруға жұмсалып, жылу бөлініп, температура көтеріледі. Оттегі ағынына ұшыраған металл тамшылары да тотығады.

Сонымен, фурмадан шыққан оттегі ағыны жолындағы СО газын, металл тамшыларын жандырып, жоғарғы кинетикалық энергиялы алау ретінде металл бетіне жетеді.

Оттегі ағынының сұйық металл бетімен кездесу жерін реакциялық зона деп атайды. Реакциялық зона металл мен оттегінің өте қарқынды араласуымен, элементтердің тотығуымен, экзотермиялық реакциялардан температураның тез көтерілуімен, қож және тозаңды қою түтіннің түзілуімен сипатталады.

Бұл үрдістерді конвертерден көріп, бақылау мүмкін болмаған соң, алғашқыда салқын үлгілеу әдісі арқылы үрдісті зерттеп, негізгі заңдылықтарды анықтады. Конвертерді органикалық шыны сияқты мөлдір заттан жасап, сұйық металды әр түрлі су ерітінділерімен, ал қожды минералды немесе органикалық маймен үлгілейді. Үрлеме ретінде ауа немесе басқа бір газ пайдаланылады.

Жүргізілген зерттеулер, сұйық пен газ ағынының өзара әрекеті үрлеменің қысымы, фурма конструкциясы және оның биіктігіне байланысты екенін көрсетті. Егер фурма биік орналасса, онда газ ағыны сұйық бетінде көлемі кішкентай “кратер” жасап, беттік үрлеу орын алады. Фурма биіктігі төмендеген сайын,түзілген “кратер” тереңдеп, ұсақ тамшылар мен көпіршіктер саны артып, сұйық пен газ аса қарқынды араласып, тереңдік үрлеу орын алады.

Баптизманский В.И мен Охотский В.Б. ұсынған кейінгі конвертер балқымасы құрылысының сұлбасы 3.10 суретте келтірелген [11].

Жоғарыдан үрлеу кезінде оттегі ағыны (1) балқымаға (2) еніп, төмен ағымды бірінші реттік реакциялық зона (3) құрылады. Екінші реттік реакциялық зонадан (4) көміртегі оксидтері газ көпіршіктері (5) түрінде шыға бастап, металл ағыны пайда болады.

Жоғары көтерілген газ көпіршіктері жарылып, металл шашырап шапшыйды (6). Көпіршіп жоғары көтерілген қожда (7) ұсақ (0,1-10 мм) металл тамшылары (8) түзіледі. Металл тамшылары мен қождың жанасу бетінде, көміртегі тотығуынан түзілген СО (9) қожды көпіршітеді. Қожметаллгаз эмульсиясының деңгейі көтеріліп, конвертердің ауыз (10) жағына таяй бастайды. Кейбір металл шапшымасы конвертер аузынан шығып, кейде қожметалгаз эмульсиясы төгіліп, тасыма орын алады.

3.10 сурет – Конвертер балқымасы құрылысының сұлбасы

Газ ағынының сұйықпен механикалық өзара әрекеті серпімді емес денелер соқтығысу заңы бойынша өрбиді. Жалпы алғанда газ ағынының кинетикалық энергиясы жұмсалады [8]:

1) ағындағы тамшыларға жылдамдық беруге және сұйықты араластыруға;

2) газдың сұйыққа серпімді емес соқтығысындағы энергия жоғалымына;

3) кері қайтарушы (архимедтік) күштерді жеңуге;

4) сұйықты бөлшектеуге;

5) қайтымды ағымға кеткен энергияға.

Оттегі ағынының сұйық металға ену тереңдігін мына теңдеумен анықтау ұсынылған [13]

(3.5)

мұндағы

h – оттегі ағынының сұйық металға ену тереңдігі, м;

Н_ф – металл деңгейінен фурмаға дейінгі биіктік, м;

ρ – сұйық металл тығыздығы, 7000 кг/м³;

Q – оттегінің жалпы шығыны, м³/мин;

Q₁ – бір соплоның оттегі шығыны, м³/мин;

f_м – Лаваль соплосының межелі қимасы, см²;

n – фурмадағы сопло саны;

m, k – эмпириялық коэффициенттер.

Көміртегінің қарқынды тотығуы кезінде, қождың тұтқырлығынан СО көпіршіктерінің жоғары көтерілу жылдамдығы төмендейді. СО көпіршіктерінің бір бөлігі қождан шыға алмай, оны көпіршітіп, деңгейін көтере бастайды. Сөйтіп, түзілген көпіршікті газметаллқож эмульсиясына конвертер кеңістігі тола бастайды. Енді металды жоғарыдан оттегімен үрлеу осы эмульсияның ішінде орын алады.

Балқыманы үрлеудің басы мен соңында, көміртегінің тотығу жылдамдығы төмендеу болғанда ғана, оттегі ағыны ашық, ал қалған үрлеме уақытында, оттегі ағыны газметалқож эмульсиясымен жабулы. Үрлеме барысында арнайы құрылғымен конвертердің түп жағынан алынған сынамалар негізінен металл болғанымен, жоғарылай сынамада қож бөлігі арта түседі. Конвертер кеңістігінен фурманы шығарғанда, оның ұш жағының 1,5-2,0 м металқож гарнисажымен қаптаулы болады.

Оттегі ағыны көпіршікті газметалқож эмульсиясымен жабулы кезде, конвертердегі массажылжым өзгере бастайды. Оттегі ағынына түскен эмульсияның ауыр компоненттері, оның жылдамдығын төмендетеді. Оттегі ағынындағы металл тамшылары және СО тотығады. Оттегі ағынының сұйық металмен өзара әрекеттесуінің жалпы заңдылықтары, металды ашық оттегі ағынымен үрлеу үрдісіндей.