Использование колебательных режимов сверхзвуковых струй в металлургии

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНИЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. №15

УДК 532.525.2:533.6.011.5

В.П.Дел иверов*

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ

СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ В МЕТАЛЛУРГИИ

На основе экспериментальных данных получены уравнения определяющие частоту и интенсивность акустического излучения основного дискретного тона в спектре шума сверхзвуковой перерасширенной струи. Представлена зависимость для определения области существования дискретного акустического излучения струи. Проведены эксперименты в кислородном конвертере с использованием режимов генерации дискретного акустического излучения при дутье кислородной фурмой.

Развитие металлургической промышленности, энергетического комплекса обусловлено возрастающей потребностью в использовании различных энергоносителей в том числе газового топлива и кислорода. Эффективным способом интенсификации и управления физико-химическими процессами, является продувка сталеплавильной ванны пульсирующими струями. Получение рациональных методов использования дутья связано с решением ряда задач газодинамики. К таким задачам относятся исследование процессов истечения из сопел, разработка методов расчета конструкций газогорелочных, дутьевых устройств.

Известны формулы [1-3], расчета частоты акустического излучения сверхзвуковых струй. Эти формулы в металлургии можно применять для приближенных расчетов, так-как они не всегда учитывают особенностей режимов истечения, геометрии сопл. В [4], приведены экспериментальные данные о частоте пульсаций струи для специальных газодинамических устройств, для фурм, но не учитываются режимы максимальной интенсивности колебаний.

Цель работы - определение зависимостей для расчета частоты и интенсивности дискретного акустического излучения сверхзвуковой струи, целесообразности применения устройств, рассчитанных с применением полученных формул, в металлургии

Исследования проводились на конических соплах с диаметром выходного сечения Б = (5-^9)-10~3 м, число Маха сопел составило: Ма= 1-^2,3; давление воздуха в ресивере Ро менялось в диапазоне 0-^1 МПа. Для акустических измерений использовался четвертьдюймовый микрофон МК-ЗОИЗГТ (Германия), установленный на срезе сопла. Сигнал с микрофона подавался на анализатор спектра СК4-56. Шум струи измерялся в диапазоне (80-^ 180)дБ. при частотах (0-^100) кГц. Погрешность измерений по частоте составила 1 %, по уровню шума 1-^2 %. Использовалась теневая картина от источника ахроматического излучения (лампа накаливания) и, впервые, от источника лазерного монохроматического поляризованного излучения для измерения расстояний в 1-й бочке от среза сопла и от положения масляного буртика, сечения отрыва на внутренней поверхности сопла. Описание установки приведено в [5].

Проведено исследование связи газодинамических параметров истечения, акустических характеристик излучения и длины элементов ударно-волновой структуры сверхзвуковой струи.

Приведены данные исследований по соизмеримости расстояния от сечения отрыва потока до диска Маха , Ьм с длиной волны дискретного пика, /.д. Преобразование известного соотношения для расчета Ьм от среза сопла для его использования при расчете Ьм от сечения отрыва. Расчет Ьм по известным газодинамическим параметрам струи. Как следствие, связь газодинамических параметров потока с длиной волны дискретного пика.

Для определения области существования и максимума интенсивности основного исследуемого пика дискретного акустического излучения в спектре шума струи были

ПГТУ. ст. препод

использованы ранее найденные зависимости из [6] и [7]. Проведенные эксперименты показали, что длина Ь{ от сечения отрыва до диска Маха струи соответствует отношению:

К

Ь

4

Использовалось шесть сопл. Изменялись: число Маха сопл от 1,66 до 2,107, давление в

ресивере от 2,5 до 6,5 кПа, проведено 30 замеров. Например: для сопл Ма =1,66, Ро=2,8 кПа,

)чД=10,0-10"3 м, 4- Ьм=10,1-10~3 м.; Ма =1,82, Р0=4,1 кПа, Яд=18,5-10"3 м, 4- Ьм=17,5-10"3 м; Ма =2,1, Р0=4,6 кПа, ^д=21,7-10"3м, 4- Ьм=20,7-10 3м.

Среднеквадратичная ошибка составила 0,683-10"3м, относительная ошибка не более 5 %.

Расчет расстояния Ьм, от кромки сопла до диска Маха, можно призвести по формуле с учетом избыточного импульса : 1=ЛГ апк + п-\, или по известной формуле [8], имеем:

Ц =0,69•£>•/ 54кп,

где / 5 - число Маха на срезе сопла, п - нерасчетность истечения,.

Это уравнение можно преобразовать для определения расстояния Ьм от сечения отрыва.

Обозначим М8 -число Маха потока, Ра -статическое давление потока в сечении отрыва внутри сопла, Рс -полное давление потока. Из уравнений приведенных в работе [9] при нормальных условиях для затопленной струи имеем:

(

п = Р,

1+ —М1

X

к

к-1

и

V

1 + —

к и

5

к~\

8 к-1

р/

к-1

-1

1-й2 и

и* 2

; Принимаем 1 —(—Л') =Ь.

и V

Подставляя (3) и (4) в (2), а затем, полученное выражение, в (1) после преобразований получим:

АЛ = 4 • а  Б

к-1 2 Р к -1

к-1 Ь

0,5

где а,Ъ — полуэмпирические коэффициенты, а=(0,5-2); Ь<1.

Полученная формула отличаются от (2) тем, что для вычисления длины волны достаточно знать давление в ресивере и диаметр сопла. Можно провести расчет частоты, /д дискретного акустического излучения по формулам из [1-3]. Например из [2]:

/ =0,567 —(^-1)°5

При Ь=1, эти близкие зависимости можно, с учетом Ра , получить из (5). На основе проведенных экспериментов для технических расчетов частоты акустического излучения получена так-же и полуэмпирическая зависимость:

30 ,

+---,

ак па

где ^ - частота дискретного пика акустического излучения, с1к - критический диаметр сопла. При сравнении данных эксперимента и расчетов по формулам для определению длины волны получены следующие коэффициенты корреляции: для (5): г = 0,971; для [1]: г = 0,941; для [2]: г =0.961; для [3]: г = 0,877; для (6): г = 0,957.

Для определения максимальной интенсивности, 1тах ,[дБ], акустического излучения для степени нерасчетности 0,4 < п < 0,9 получена приближенная формула [10]:

1тах=15-Ма+116

Для непосредственного исследований колебаний струи в ее теневую картину, полученную с помощью оптического лазерного излучателя, был установлен фотоэлемент, а непосредственно в струю -пьезодатчик, сигналы поступали на анализатор спектра и сравнивались с сигналом от микрофона.

Как было установлено в процессе экспериментов, частота акустического излучения точно соответствует частоте колебаний сверхзвукового участка струи, а интенсивность пропорциональна интенсивности колебаний струи. Таким образом данную формулу,(5) можно применять и для расчета частоты колебаний самой струи.

В соответствии с полученными формулами были рассчитаны параметры акустического излучения и интенсивность колебаний сверхзвуковой газовой струи истекающей из блока сопловых головок кислородной фурмы в реакционную зону конвертера

Были проведены испытания, [10] кислородно-конвертерной фурмы с аэроакустическим пульсатором-вставкой имеющей, в отличии от [4], акустический экран . Вставка была установлена в предсопловую область газоподводящего канала фурмы. В отличии от известных, сопло было рассчитано с учетом максимума интенсивности колебаний струи на заданных режимах. Были так-же учтены колебания струи, истекающей из сопл головки фурмы, колебания донного разрежения между экраном вставки и срезом ее сопла, колебания при натекании струи на преграду, которой является внутренняя поверхность блока сопловых головок фурмы, вынужденные колебания струи в обьеме реакционной зоны. Достижение совпадения частот, вызванных действием различных факторов вызывает резонанс и увеличение энергии колебаний, уменьшает потери энергии струи из-за разности частот и обеспечивает наиболее полное преобразование кинетической энергии струи в энергию колебаний.

Фурма с устройством испытывалась в конвертерном цехе комбината Ильича на 150-тонном конвертере. Было проведено 106 опытных плавок, в сравнении с обычными плавками, проведенными в тот же период (всего 110 плавок), [10].

Продувка на опытных фурмах шла мягко, данные статистической обработки показали что, время шлакообразования сократилось, шлак на 8-12 минутах имел жидкоподвижную структуру, куски извести были растворены.Что согласуется с данными [4] по воздействию пульсаций около 600Гц. При одинаковом химическом составе чугуна и одинаковом составе шихтового материала, опытные плавки проходили в лучшем температурном режиме. На первой повалке температура стали была на 7,5 градусов выше, температура чугуна в среднем была меньше на 3 градуса. Продолжительность продувки снизилась на величину от 24 сек. до 2 мин., количество додувок уменьшился на 17 %.Это согласуется с предположением об

ускорении окислительных процессов при резонансе собственных колебаний пузырьков газа в расплаве и струи, исходящей из сопл фурмы.

Интенсивность продувки снизилась на 0,2 м3/т.мин. Расход кислорода на плавку снизился на 300 м3 .В среднем на 0,5 тонны за плавку увеличился выход годного, о чем свидетельствует акт опытно - промышленных испытаний. Всего было обработано 216 опытных плавок.

Выводы

Полученная формула (5), позволяет рассчитывать частоту акустических колебаний, а также частоту колебаний самой струи с учетом диаметра сопла, константы адиабаты, давления в ресивере (без учета потерь). Эксплуатация опытного устройства в кислородной фурме, рассчитанного с учетом полученных формул подтвердила необходимость учета влияния частоты и интенсивности колебаний газового потока исходящего из фурмы для улучшения основных показателей плавки.

Представляет интерес уточнение расчета Imax, частоты, для различных условий течений газа в фурме, в полости конвертера, при контакте со шлаком и поверхностью расплава.

Перечень ссылок

1. Анцупов A.B. Об излучении дискретного тона сверхзвуковой струей, истекающей из конического сопла/A.B. Анцупов, В.Г. Пимштейн //Изв. АН СССР.МЖГ.-1975.-№1.-С.153-156.

2. Мамин Е.М. Экспериментальное исследование тонального излучения, возникающего при истечении сверхзвуковых струй /Е.М. Мамин // Исследования по вибрационному горению. -1974. -№3. -С.85-87.

3. Толстошеее М.Н. Исследование дискретной составляющей шума осесимметричных струй воздуха, истекающих из сверхзвуковых сопел на режимах перерасширения /М.Н.Толстошеее II Тезисы VII Всесоюзн. акуст. конф. по физ.- техн. акустике: -Л.:-1973,-С.239-242.

4. Явойский В. И. Применение пульсирующего дутья при производстве стали / В.И. Яеойский, A.B. Явойский, A.M. Сизов-М.: Металлургия, 1985.-173с.

5.Разработать и внедрить новые типы экономичных газогорелочных устройств, использующих энергию природного газа среднего и высокого давления: Отчет о НИР / Мариуп.металлург.ин-т; Руководитель Е.А.Капустин.-Тема 01.02.01.И; №ГР.01870065332.-г.Мариуполь, 1987г.-200с.

6 Обратная акустическая связь сверхзвуковых струй при различных режимах истечения. Е.А.Капустин , И.А.Ленцов, П.А.Нещерет, О.Э.Шлик II В кн..: Гидроаэромеханика и теория упругости: Межвуз.сб.науч. тр.- Днепропетровск, 1981. -Вып.28. - С.23-27.

7. Деливеров В.П. Исследование акустических параметров сверхзвуковых газовых струй в области глубокого перерасширения I В.П. Деливеров II Вюник Приазов.гос.техн.ун-ту: Зб.наук.пр.-Мар1уполь, 2003. -Вип.13. -С. 255-258.

8. Льюис М.Л. Положение центрального скачка уплотнения в недорасширенной газовой струе и в струе газа с твердыми частицами / М.Л. Льюис, Д. Карлсон // Ракетная техника и космонавтика.-1964,- №4,- С. 239.

9. Арене М. Отрыв потока в перерасширенных реактивных соплах с коническим сверхзвуковым участком при взаимодействии скачка уплотнения с погранслоем / М. Арене, Е. Спиглер II Ракетная техника и космонавтика.- 1963. -№3. -С. 42-45.

10. Разработать и освоить в опытно-промышленных условиях новые аэроакустические методы интенсификациитепломассообменных процессов в металлургическом производстве на основе эффекта обратной акустической связи: Отчет о НИР / Мариуп.металлург.ин-т; Руководитель Е.А.Капустин.-Тема 0.01.11.01.06. - г.Мариуполь, 1985г.-180с.

Статья поступила 21.03.2005.