Продувку снизу газовыми струями изучали еще применительно к процессам донного воздушного дутья — бессемеровскому и тома — совскому.
Результаты холодного моделирования показали, что при малых давлениях дутья (6), (1.46)
Где р — постоянная, характеризующая темп смешения для данной пары газ — жидкость. Значение р колеблется в пределах 1,5—4,5, увеличиваясь с ростом давления дутья и уменьшением плотности жидкости. Процесс перемешивания при обычных для практики давлениях дутья в основном заканчивается на расстоянии 15—20 калибров от сопла.
В результате смешения с газовым потоком эжектированные объемы жидкости дробятся под действием динамического напора газа и превращаются в капли. Размеры капель составляют Ю-5— 10_3 м при высоких давлениях дутья. Они, как и в случае продувки сверху, подобны туману в газовом потоке. Значительная удельная поверхность капель, в частности при продувке жидких Fe — С сплавов, обеспечивает быстрое расходование кислорода на окисление металла. В продуваемом металле формируются первичная I и вторичная II реакционные зоны (рис. 1.11). В пределах первичной зоны металл эжектируется в струю окислительного газа 1 и на его сжигание расходуется кислород газа. Образовавшиеся окислы железа переходят во вторичную реакционную зону, где, смешиваясь с металлом ванны, окисляют растворенные в нем элементы. Если окисляется углерод, пузыри образующейся окиси углерода всплывают на поверхность ванны, вызывая при своем разрушении образование бурунов и всплесков.
Так же, как и при продувке сверху, в агрегатах с донным дутьем (кислородным или воздушным) в реакционных зонах периодически образуются большие газовые объемы (по размеру близкие к размеру реакционной зоны), дающие наиболее мощные всплески. Последние являются одной из причин выноса и выбросов жидкости в пространство над ванной. В том случае, когда длина реакционной зоны близка к глубине ванны или больше ее, возникают также «прострелы» ванны газовым потоком (см. рис. 1.9, в), пульсация которого вызывает изменение длины реакционной зоны. Волнообразование приводит к колебаниям толщины слоя металла над соплом, что обусловливает периодический характер «прострелов». «Простреливающий» ванну газовый поток уносит с собой объемы жидкости, это также служит причиной выноса металла. При наличии слоя вспененного шлака всплывание больших газовых объемов и «прострелы» вызывают его выбросы.
Глубина конвертерной ванны должна превышать длину реакционной зоны для обеспечения более спокойного хода продувки. Вместе с тем чрезмерное (выше оптимальных значений) увеличение толщины слоя металла в конвертере также способствует выбросам (уровень вспененной ванны приближается к горловине).
При донной продувке ванны технически чистым кислородом футеровка днища быстро изнашивается. Пульсация реакционной зоны вызывает периодическое движение газожидкостной среды реакционной зоны, противоположное направлению потока вдуваемого газа, т. е, в сторону футеровки. При продувке кислородом температура фаз в реакционной зоне достигает приблизительно 2500 0C и обратные удары вызывают контакт среды высокой агрессивности с футеровкой вокруг сопла. Поэтому для уменьшения скорости износа футеровки вокруг центральной кислородной струи создают поток защитной фазы III, подаваемой через кольцевой зазор 2 (см. рис. 1.11, б) и состоящей из восстановительного, диссоциирующего при температурах металла или нейтрального газа. Так как расход защитной среды по объему не должен превышать 5—10 % объема вдуваемого кислорода, ширина кольцевого зазора составляет максимум 1—3 мм. Даже в условиях достаточно высокого давления подаваемой защитной среды длина пути ее смешения с окружающим металлом не превышает 10 см. Указанная длина пути достаточна для изоляции (отдаления) реакционной зоны от футеровки и смягчения отрицательного действия обратных ударов. Однако она слишком мала, чтобы существенно сказаться на общей структуре реакционной зоны. В дальнейшем газовый поток разбивается на отдельные пузыри.
Длина реакцибнной зоны продуваемого снизу металла несколько больше, чем при верхнем дутье, что связано в основном с соотношением направлений векторов архимедовых и инерционных сил газового потока. Если в первом случае векторы взаимно противоположны, что тормозит проникновение газовой струи в металл, то при донной они направлены в одну сторону.
Длина реакционной зоны может быть описана критериальным выражением (1.37), причем для первичной реакционной зоны k = = 1,66; т=0,394, а для вторичной — соответственно 3,23 и 0,376. Содержание углерода в ванне существенно и неодинаково влияет на длину первичной и вторичной реакционнных зон. Если содержание углерода ниже 0,1 %, длина первичной реакционной зоны максимальна, при содержании же углерода 1—3%—минимальна. В случае продувки чугуна ее длина имеет среднее значение. Длина вторичной реакционной зоны с увеличением содержания углерода в металле изменяется симбатно скорости обезуглероживания vc, т. е. высоким скоростям окисления углерода соответствует максимальная длина зоны, а низким — минимальная.
Максимальный диаметр реакционной зоны в рассматриваемом случае меньше, чем при донной продувке. Он может быть описан выражением типа
Djdsbn = khxm, (1.47)
Где k и tn — некоторые постоянные. Для первичной реакционной зоны fe = 2,29, т=0,33, а для вторичной — соответственно 3,47 и 0,313. Величины диаметров первичной и вторичной реакционных зон зависят от содержания углерода в продуваемом металле: они минимальны, если [С] ^0,1 %, с увеличением содержания углерода в металле растут и при концентрации углерода [С]=1—3 % достигают максимума. Таким образом, диаметры реакционных зон изменяются симбатно скорости окисления углерода vc.
В обычных условиях донной продувки (цилиндрические сопла, давление дутья более 0,2 МПа) окислительный газ входит в ванну сжатым и резко расширяется на начальном участке. В связи с этим диаметр реакционной зоны внизу ванны («корень» зоны) существенно больше диаметра сопла d вых-
При донной продувке воздухом количество сопел в днище, как отмечено выше, весьма велико, а их диаметр небольшой. Если днище игольчатого типа, то расстояние между соплами составляет 5—20 калибров, а для фурменных днищ оно снижается до пяти калибров в пределах фурмы. Сопоставление этих размеров с соответствующей величиной диаметра реакционной зоны позволяет предположить, что реакционные зоны одной фурмы в значительной степени сливаются. При этом повышается вероятность возникновения «прострела» ванны газовым потоком, увеличиваются размеры всплывающих газовых объемов, высота всплесков металла и интенсивность его выноса. Для днищ игольчатого типа возможно лишь частичное наложение соседних реакционных зон. В этом случае указанные отрицательные последствия слияния значительно ослабляются.
При донной кислородной продувке расстояния между соплами достигают 20—25 калибров, что позволяет обеспечивать достаточную степень разведения образующихся реакционных зон и спокойную продувку.
Схема реакционной зоны при боковой продувке представлена на рис. 1.12. Совместное действие динамического напора газового потока с горизонтальным вектором и подъемной архимедовой силы, направленной вертикально вверх, приводит к искривлению зоны взаимодействия газовой струи с жидкостью. По мере удаления от среза сопла 1 в ванну 2 и уменьшения динамического напора в результате смешения газа с жидкостью удельное значение подъемной силы возрастает и искривление зоны увеличивается.
Процессы в первичной зоне I аналогичны описанным выше для верхней и донной продувки. Во вторичной зоне II окисляются примеси и периодически выделяются отдельные крупные газовые объемы 3, вызывающие на поверхности ванны образование буруна и всплесков. Таким образом, периодическое образование и движение вверх больших газовых объемов в реакционной зоне наблюдается при любом способе продувки, т. е. представляет собой универсальное явление.
Рис. 1.12. Схема реакционной зоны при боковой продувке
Длина реакционной зоны описывается выражениями типа (1.37) со следующими значениями коэффициентов: для первичной реакционной зоны L1 /г = 4, т = 0,35, а для вторичной L k = 4,27, яг=0,328.
Физико-химические явления в реакционной зоне во многом определяют механизм реакций конвертерных процессов и технологию плавки.