4.1. Перемешивание шлаковой ванны4.1.1. Роль перемешивания шлаковой ванны.

Перемешивание шлаковой ванны определяющим образом влияет практически на все основные параметры технологии.

Боковая струйная продувка шлаковой ванны приводит к вертикальной турбулентной циркуляции шлака.

Характер перемешивания в шлаковой ванне обусловливает постоянное присутствие в шлаке 1,5 - 2,5 т эмульгированного металла.

Определяемые локальными условиями перемешивания структуры пограничного слоя у всех типов реакционных поверхностей (при восстановлении железа частицами угля; углеродом, растворенным в каплях металла; газовом восстановлении по поверхности пузырей) играют определяющую роль при протекании жидкофазного восстановления железа в диффузионном или близком к диффузионному режиме. При достижении определенного уровня интенсивности перемешивания шлака (при данном содержании в нем оксидов железа) восстановление железа может перейти в кине-тический режим, когда дальнейшая интенсификация перемешивания никак не сказывается на производительности агрегата.

Главная роль перемешивания шлаковой ванны, по нашему мнению, состоит в обеспечении развитого брызгообразования на поверхности шлака, а также эффективного замешивания угля в массу шлака.

Важной характеристикой эффективности перемешивания жидкости является мощность, передаваемая к жидкости извне (за исключением энергии, идущей на ор-

ганизацию движения жидкости как единого целого и повышения потенциальной энергии системы).

4.1.2.

К настоящему времени сложились устойчивые представления о методике теоретической оценки мощности перемешивания Nnep жидкой ванны при ее струйной продувке. Считается, что величина N„ep определяется интенсивностью ряда последовательно протекающих процессов: квазиадиабатического расширения внедряющейся в расплав струи (дозвуковой), изобарического расширения газа при его нагреве, изотермического всплывания газовых агрегаций к поверхности ванны. Часть энергии струи затрачивается на создание новой межфазной поверхности.

Процессы расширения и движения газа протекают в расплаве со значительными скоростями. В то же время, кинетическая энергия газа выделяющегося с поверх- _ ности ванны очень мала. Основная часть кинетической энергии газа передается жидкости, что обеспечивает ее перемешивание. Под действием вязкого трения в системе энергия механического движения жидкости преобразуется в ее внутреннюю энергию.

При оценке величины Nnep часто пренебрегают вкладом в нее кинетической энергии внедрения струи в расплав. Считается, что около 90-95% этой энергии дис- сипирует в тепло непосредственно в области внедрения струи [4Л, 42], В экспериментах [43] показано, что кинетическая энергия дутья начинает определять поле скоростей в системе, когда эта энергия становится в 8 - 12 раз больше, чем работа архимедовых сил всплытия газа.

Однако, ролью в перемешивании за счет кинетической энергии струи в некоторых случаях пренебречь приципиально нельзя. Например, при боковой струйной продувке циркуляция жидкости в под фурменной зоне полностью определяется именно силовым действием струи, поэтому в этой области вклад кинетической энергии дутья в мощность перемешивания является определяющим.

ему значения N„ePr (которые обычно определяются) сколько ее значения в локальных зонах.

При расчетах мощности пневматического перемешивания обычно пренебрегают вкладом работы изобарического расширения газа при его нагреве. Считается, что эта энергия также локально диссипирует в области прогрева струи, частично расходуясь на образование ударных волн [42].

Не учитывают и работу, затрачиваемую на создание новой межфазной поверхности «газ-шлак» при внедрении газа в жидкость. Оценки показывают, что эта работа на два порядка меньше других статей энергетического баланса перемешивания.

Таким образом, наиболее часто при расчетах N„ep учитывают только работу, совершаемую газом над жидкостью при его всплытии (иными словами, в энергию движения жидкости переходит потенциальная энергия раздутой ванны).

Впервые теоретическое выражение для таким образом определенной мощности перемешивания дал В. С. Кочо [44]. Формула В. Кочо с небольшими вариациями используется во многих современных исследованиях пневматического перемешивания. В табл. 15 приведены некоторые выражения для оценки N„ep, встречающиеся в научной литературе.

Все представленные в табл. 15 и многие другие известные формулы расчета Nnep были выведены различными авторами из «общефизических» соображений.

Попытки дать комплексный анализ пневматического перемешивания, основанные на рассмотрении замкнутого термодинамического цикла предпринимались в работах [51, 55]. Однако, только в работе А. А. Варенцова [56] на основе общего термодинамического анализа проведено полное энергетическое исследование пневматиче-ского перемешивания. Главный вывод этой работы - для описания принципиально необратимого неравновесного процесса перемешивания нельзя использовать выражения для работ газа в тех или иных равновесных процессах. Равновесные процессы могут быть проведены бесконечно медленно, что, естественно, запрещает макроперемешивание.

Исследователи Выражение для определения Nneo (Вт/т или Вт/м3) Кочо [44] QK, \PlgL) (б(нм3/с))

ж 'ая Bhavaraju et ah [45] 4QP"'T'y ln(l+P!gl) (0(нм3/с)) 298,2ttD2L Pat ^ Sinha, Mcnallan [46] 854^rMog(l (Q (нм3/с)) Themelis, Stapulewicz [47] 742ЙГМ,(и ' )„ З,

W 10,34 (Q (нт /с), для водяных моделей) Mazumdar, Guthrie [48] (6 (нт3/с))

PltuR L Nakanishi et al. [49] IOG(L + L /148) (L(cm); <2(НЛ/МИН); W(t))

W Engh, Lindskog [50] QPat Tl {\ + \n{P",+ Pl8L)) (0(KM3/C)) * 212WK K Pa, J * Asai et al. [51] + (6(HM3/C)) Koria, Pal [52] (ln(l + PfL) + V TJ )) (?(нм3/мин))

* at Schwarz [53] ((21N(l+PfV ) (б(нм3/с)) W Pol Pa, + pLgl Sano, Mori [54] QPLEL fnr 3. л w (2(нм /с) где Q - расход дутья; W-масса ванны; L - высота спокойной ванны; V-объем ванны; TL Tg-соответственно, температуры жидкости и газа; Ра, - атмосферное давление; pL - плотность жидкости.

По А.А. Варенцову общее выражение для определения мощности перемешивания несжимаемой жидкости в любом неравновесном процессе имеет вид:

N

t f j dt dt <4Л>

где 7V; - мощность J-Й силы, работающей на границах системы; ?} - j- й вид потенциальной энергии системы; UK — кинетическая энергия внешнего (квазитвердого) поступательного и вращательного движений системы. Таким образом, работа перемешивания определяется как алгебраическая сумма всех работ, совершаемых на границах системы (в том числе и технических работ (отрицательных), совершаемых самой системой), за вычетом энергетических эквивалентов тех работ, которые не связаны с ор-

ганизацией в системе внутреннего движения макрочастиц среды относительно друг друга. Формула А.А. Варенцова (4.1) является методической основой конкретных расчетов мощности перемешивания любых несжимаемых жидких сред.

Последовательное применение методики А.А. Варенцова полностью меняет физическую интерпретацию процессов пневматического перемешивания жидкости.

Работа перемешивания при изотермическом подъеме в жидкости газового пузыря:

р

гатм "У*

определяется по А.А. Варенцову как основная часть работы силы вязкого сопротивления движению пузыря (первый член в (4.2)), приблизительно равная работе архимедовой силы всплытия. Вторым членом в (4.2), представляющим собой работу неравновесной части давления в пузыре (~1 Па) можно пренебречь. Фактически, перемешивание жидкости при подъеме пузыря осуществляет сила тяжести, совершая работу по опусканию раздутой ванны.

Формально, выражение для мощности перемешивания при изотермическом всплытии пузырей, полученное А.А. Баренцевым в точности совпало с выражением, построенным B.C. Кочо на равновесной термодинамике. Однако, такое совпадение возможно только в особых частных случаях (в данном случае совершается работа по перемещению среды в поле пространственно изменяющегося давления, а объем среды связан с давлением уравнением некоторого равновесного (изотермического) процесса). При анализе перемешивания в различных системах следует использовать об-

щий подход, учитывающий принципиальную неравновесность процесса перемешивания.

В современных исследованиях особенностей перемешивания в металлургических агрегатах широко используется показатель удельной мощности перемешивания (BT/Mj или Вт/кг), рассчитываемый на весь объем или всю массу перемешиваемой жидкости.

Особенно важен правильный учет особенностей локального перемешивания при анализе тепломассообменных процессов в реагирующих перемешиваемых дисперсиях (суспензии, эмульсии, газожидкостные системы). Таким образом, бесспорно важнейшая характеристика - мощность перемешивания должна применяться в каждом конкретном случае с учетом особенностей технологии. Методика расчета мощности перемешивания должна основываться на учете принципиально неравновесной природы процесса перемешивания.