Гідродинаміка багатофазних систем

Якщо в сталеплавильну ванну вводиться газовий струмінь, то ос­танній розпадається на окремі бульбашки. Кожна бульбашка, що спливав в рідині, рухається з певною швидкістю, яка залежить від розмірів бульбашки.

Якщо бульбашка має субміліметровий розмір, швидкість її спли­вання визначається співвідношенням гравітаційних і в’язкісних сил. При першому режимі швидкість спливання бульбашки:

де: – густина відповідно рідини і газу; - розмір бульбашки; – динамічна в^’язкість рідини.

При обумовленому розмірі бульбашки, що в сталеплавильних сис­темах становить порядку , швидкість ЇЇ спливання визна­чається хвильовими процесами і обчислюється за формулою

де: – питома поверхнева енергія рідини.

Згідно з (1.41) спочатку зі збільшенням розміру бульбашки, коли переважають поверхневі явища, швидкість спадає (другий режим), а потім, коли починають переважати гравітаційні – зростає (третій режим).

У практиці сталеплавильного виробництва найчастіше зустріча­ються випадки, коли бульбашка має досить великі розміри з переважан­ням гравітаційних сил. Тоді з рівняння (1.41) випливає, що при тре­тьому режимі швидкість спливання бульбашки

Зі збільшенням розміру бульбашки змінюється також її форма. При першому режимі бульбашка має сферичну форму, при другому – еліпсоїдну, а при третьому – чашоподібну.

Коли спливає велика кількість бульбашок, здійснюється барботаж рідини газом. У цьому разі швидкість спливання кожної бульбаш­ки змінюється порівняно зі швидкістю спливання однієї бульбашки завдяки їх взаємному впливу.

Характеристикою барботажу є зведена швидкість газу, яка визначається за рівнянням

де: – швидкість подавання газу;

– площа, через яку відбуваєть­ся барботаж.

У більшості випадків барботаж сприяє створенню динамічної піни, що характеризується певним газовмістом:

де: – висота ванни відповідно при барботажі і без нього.

Величина , яка є складною функцією , у більшості ви­падків збільшується зі зростанням останньої. Збільшення зведеної швидкості газу і відповідно газовмісту приводить до зростання , тобто підвищення рівня барботованої сталеплавильної ванни. До цього можуть додаватися поверхневі явища, про які йшлося раніше, що спри­чинює додаткове збільшення і може призвести до викидів рідких фаз, якщо розміри агрегату недостатні.

Окремі бульбашки в барботажній зоні можуть коалесціювати, збільшуючись у розмірах, і навпаки, великі бульбашки, втрачаючи стабільність, роздрібнюються. Унаслідок в зоні барботажу створюєть­ся розвинена поверхня розподілу газ – рідина, що сприяє масо- та теплообміну між ними.

Усі викладені явища певною мірою справджуються також для ви­падку, коли спливає крапля однієї рідини в іншій, з якою не змішу­ється, або коли спливають тверді часточки в рідині. Так, рівняння (1.40) можна використовувати в розрахунках спливання в сталі немета­левих включень, а рівняння 1.41 – у разі спливання рідкого шлаку, що був змішаний зі сталлю під час поза агрегатної обробки останньої.

Коли бульбашки, спливаючи, перетинають поверхню ванни і роз­міщеної над нею шлакової фази залежно від властивостей межових фаз нижча з них може захоплюватися бульбашкою у вищу. При цьому фрагмен­ти цієї фази можуть роздрібнюватись на краплі розміром порядку , що створює емульсію крапель нижньої фази у верхній, а може статись, навпаки. Такі шлакометалеві емульсії мають розвине­ну поверхню контакту, що сприяє тепло - і масообміну між ними. Розра­хунок доводить, що ця площа в раз перевищує площу поверх­ні ванни. Тому видалення з металу шкідливих домішок, сірки і фосфо­ру в шлак більшою мірою залежить від розвиненості процесу створення шлако-металевої емульсії. Унаслідок руху фази перемішуються, що усуває нерівномірність за вмістом компонентів і температурою між окремими ділянками ванни.

Певною мірою перемішування відбувається внаслідок існування нерівномірності, оскільки остання супроводжується різницею густини між окремими ділянками ванни й появою гравітаційних сил. Завдяки ос­таннім більш легкі ділянки ванни спливають, а важкі – осідають, спричинюючи течії рідини у ванні і перемішування.

Але в більшості випадків гравітаційне перемішування надто слабке, щоб забезпечити рівномірність ванни. Тому в сталеплавильному виробництві застосовують штучні засоби, що посилюють перемішування.

Так, у процесі позапічної обробки чавуну з метою його десульфурації використовують механічні мішалки з графіту. Існують стале­плавильні агрегати, що обертаються під час плавки подібно роторам або Калдо конвертеру. Ці засоби потребують складного устаткування та обладнання і великих витрат на їх утримання.

Тому більшого поширення набуло пневматичне перемішування шля­хом уведення газу в сталеплавильну ванну та її барботажу. У барбо­тажній зоні газові об’єми віддають свою потенціальну енергію рідині, втягуючи останню в рух у напрямі спливання бульбашок. Потоки ріди­ни, досягнувши поверхні ванни, розпливаються вздовж останньої і по­вертають знову вглиб ванни пози барботажною зоною. Унаслідок утворю­ється контур циркуляції рідини, який охоплює майже всю ванну.

Зі збільшенням інтенсивності подавання газу швидкість руху рідини збільшується і перемішування посилюється, зменшуючи нерівно­мірність ванни за вмістом компонентів і температурою. Це перемішу­вання може виконуватись штучно за рахунок уведення в ванну газів, переважно аргону або азоту. Найчастіше воно відбувається під час поза агрегатної обробки сталі або продування конвертерної ванни і є ефективним, простим і дешевим.

Під час окислювання вуглецю металу утворюється газ, який пе­реважно складається з монооксиду вуглецю. Останній у вигляді буль­башок спливає на поверхню ванни, спричинюючи її перемішування. Таке природне перемішування досить ефективне. Наприклад, у мартенівсько­му процесі незважаючи на великі розміри ванни ( ) остання майже не має нерівномірностей за складом і температурою металу. Але природне перемішування відбувається лише під час окислювання вугле­цю, яке спостерігається періодично. У цьому разі за потреби доводить ся виконувати штучне пневматичне перемішування.

Останнім часом у конвертерному процесі та безперервному роз­ливанні сталі застосовують електромагнітне перемішування, яке до цього використовували лише в електрометалургії. Воно ґрунтується на тому, що при створенні змінного магнітного поля стосовно рідкого ме­талу в останньому виникають вихрові струми, які, взаємодіючи з елек­тромагнітним полем, спричинюють рух металу. Використовують електрич­ний струм із частотою порядку , що зі збільшенням часто­ти зменшує швидкість руху металу..

Електромагнітне перемішування достатньо інтенсивне і не супроводжується контактом переміщуваної рідини (металу) зі сторонніми речовинами, що відбувається при пневматичному перемішуванні і в результаті спричинюються небажані зміни в складі металу. Але електромагнітне перемішування потребує додаткового устаткування і витрат на Його застосування.