浸入式侧吹气流在熔池中的穿透行为.pdf

第5 8 卷第2 期 20 06 年5 月 有色金属 N o n f e l T O U SM e t a l s V o I ．5 8 ．N O ．2 M a y 2 006 浸入式侧吹气流在熔池中的穿透行为 王明玉，张林楠，于三三，涂赣峰，隋智通 东北大学材料与冶金学院，沈阳 1 10 0 0 4 摘要利用摄像和量纲分析的方法研究了渣罐水模型中浸入式侧吹气体的最大穿透行为，从而为提高气液问的反应速率 及氧枪的布局等问题提供参考。研究表明，当喷枪直径一定时，气体的最大穿透深度随气流动量通量的增加而增大．当动量通量 相同时，液体的黏度越大，气体的最大穿透深度越小。气体无量纲穿透深度的经验数学表达式计算结果与实测气体穿透深度基本 相符。 关键词冶金技术；浸入式侧吹；量纲分析；穿透深度；黏度 中图分类号T F 8 0 3 ．儿1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 5 0 0 3 含钛高炉渣中T i 0 2 含量高达2 0 ％～2 2 ％，然 而这部分渣中的钛资源至今仍未能经济、合理、大量 利用，不仅造成资源的巨大浪费，而且严重污染环 境。为解决这一问题，根据“选择性富集、选择性长 大、选择性分离”[ 1 _ 3 】的技术路线，采取向熔渣中喷 吹气体来氧化熔渣、提高氧位达到富集、长大钙钛矿 的目的。了解渣罐熔池中气体的穿透行为，对于提 高气液间的反应速率以及氧枪的布局等问题具有重 要作用。针对高炉渣中喷吹气体的行为，研究了浸 入式侧吹气流在液体中的穿透深度，在实验基础上， 利用量纲分析法，得出了气体无量纲穿透深度的数 学表达式。 1实验方法 对浸入式侧吹气体在熔池中穿透深度的研究在 自制的有机透明玻璃容器中进行，有机玻璃容器表 面上刻有最小刻度为2 m m 的网格线，实验装置如图 1 所示。实验装置主要由三部分组成 1 由供气 源、阀门、压力表、转子流量、喷嘴和喷嘴高度调节装 置组成的供气部分； 2 由容器和液体组成的模拟系 统； 3 摄像系统。实验中的喷嘴由有机树脂制成， 液体为一种粘性介质，黏度可以调整。为了测量气 体在液体中的穿透行为，利用摄像机把过程拍摄下 来，然后利用计算机进行画面分析，测出气体的最大 收稿日期2 0 0 4 1 2 1 3 基金项目国家自然科学基金重点资助项目 5 0 2 3 4 0 4 0 作者简介王明玉 1 9 7 6 一 。男，山东博兴县人，教授，博士生，主要 从事二次资源综合利用等方面的研究。 穿透深度。为了使画面清晰，把喷枪紧贴透明有机 玻璃容器的壁面。文献[ 4 ] 表明，在相同流动条件 下，喷枪紧贴熔池壁面与喷枪离开熔池壁面时的射 流轨迹基本一致。因此认为当喷枪紧贴熔池壁面 时，熔池壁面对气体的最大穿透深度影响不大。 1 一G a sb o m b ；2 一B a r o m e t e r ；3 一V a l v e ；4 一R o t a m e t e r ； 5 一m a n o m e t e r ；6 一A p p a r a t u sf o ra d j u s t i n gl a n c eh e i g h t ； 7 一L a n c e ；8 一V i d i c o n 图1 实验装置示意 F i g ．1 S k e t c hm a po fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 2 试验结果与分析 图2 表示的是喷枪直径为3 r a m ，压缩空气气流 在不同黏度液体中的穿透深度随气体动量通量的变 化曲线。由图2 可知，当喷枪直径一定时，气体的最 大穿透深度随气流动量通量的增加而增大，当动量 通量相同时，液体的黏度越大，气体的最大穿透深度 越小。此外，试验结果也表明在所用容器范围内，喷 枪插入深度的变化对气体最大穿透深度影响不大。 万方数据 第2 期王明玉等浸入式侧吹气流在熔池中的穿透行为5 l I I I N 图2 气体最大穿透深度与气体动量通量的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m u mp e n e t r a t i o n d e p t ho fg a sf l o wa n dg a sm o m e n t u m 韩旭等【5J 的研究表明，气体的最大穿透深度还 与液体密度有关，并且可以忽略表面张力的影响。 因此，浸入式顶吹气体的穿透深度与气体的动量通 量、液体的黏度、喷枪直径、液体密度及重力加速度 有关。从而气体最大穿透深度H 可用式 1 表示， 式 1 中所有物理量的单位及量纲列于表1 中。 表1 气体最大穿透深度及其影响因素 的单位和量纲 T a b l e1D i m e n s i o no fa i rp e n e t r a t i o nd e p t ha n de f f e c tf a c t o r H 厂 叩，M ，P l ，g ，d 1 设气体的最大穿透深度可以表示为式 2 。通 过量纲分析得d 一b C ；e C b ／2 ；f 1 3 C b ／2 。 H K M 6 1 0 fr ] d g 。d ‘ 2 把气体动量通量M 艮 d 2 V 2 代入并引入修 正弗鲁德数F 7 。 P g u 2 ／ J D l g d ，式中为气体流速 m ／s ，经整理式 2 变为式 3 。 H ／d K 】F 7 b ， 1 0 1 d 1 5 ／7 6 。’ 3 试验中，喷管直径d 3 r a m ，1 0 ， 1 0 3 k g ／m 3 ，P g 1 ．2 9k g ／m 3 。将这些已知数据代入式 3 ，并结合图 2 中的数据得，K 1 2 ．6 ，b 0 ．4 1 ，c 一0 ．2 2 ，从 而可得气体无量纲穿透深度的数学表达式 4 。 H ／d 2 ．6 F 7 0 ，’4 1 p t d l 5 ／7 o 1 9 4 图3 为气体无量纲穿透深度的计算与试验结果 的比较，其中实线为式 4 的计算结果，离散点为试 验结果。可见，式 4 能够用来计算气体在溶液中的 无量纲穿透深度。 图3 气体无量纲穿透深度的计算值与实验值比较 F i g ．3 C o r r e l a t i o no fe x p e r i m e n t a ld i m e r m i o n l e s sg a s p e n e t r a t i o nd e p t hw i t hc a l c u l a t e dv a l u e 3结论 用摄像法测定了熔池中浸入式侧吹气体的最大 穿透深度，并得出了气体无量纲穿透深度的经验数 学表达式，H ／d 2 ．6 F7 0 ， 4 1 』D ∥1 。5 ／叩 o ‘1 9 。当喷枪 直径一定时，气体的最大穿透深度随气流动量通量 的增加而增大，当动量通量相同时，液体的黏度越 大，气体的最大穿透深度越小。气体无量纲穿透深 度的经验数学表达式计算结果与实测气体穿透深度 基本相符。 参考文献 [ 1 ] S u izT ，Z h a n gPX ，Y a m a u c h iC ．P r e c i p i t a t i o ns e l e c t i v i t yo fb o r o nc o m p o u n d sf r o ms l a g s [ J ] 1 3 3 7 1 3 4 4 ． [ 2 ] M aJ u n ．w e i ，S u iZ h i t o n g ，C h e nB i n g ．c h e n ．S e p a r a t i n gt i t a n i af r o mt r e a t e ds l a gb yg r a v i t ys e p a r a t i o no rf l o t a t i o n [ J ] ．T r a n s N o n f e r r o u sM e tS o cC h i n a ，2 0 0 0 ，1 0 4 5 2 0 5 2 3 ． [ 3 ] 王明玉，刘晓华，隋智通．冶金废渣的综合利用技术[ J ] ．矿产综合利用，2 0 0 3 ， 3 2 8 3 2 ． [ 4 ] H o e f e l eEO ，B f i m a c o m b eJK ．F l o wr e g i m e si ns u b m e r g e dg a si n j e c t i o n [ J ] ．M e t a l lT r a n s ，1 9 7 9 ，1 0 B 6 3 1 6 4 8 ． [ 5 ] 韩旭，彭- - JJ I ，萧泽强，等．浸入式顶吹气流在熔池中穿透行为的实验研究[ J ] ．化工冶金，1 9 9 6 ，1 7 2 1 6 4 1 6 7 ． 万方数据 5 2 有色金属 第5 8 卷 P e n e t r a t i o nB e h a v i o ro fI m m e r s i o nS i d e - b l o w i n gA i r s t r e a mi nM o l t e nB a t h W A N GM i n g - y u ，Z H A N GL i n n a n ，y US a n s a n ，T 【，G a n - f e n g ，S U IZ h i 。t o n g S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep e n e t r a t i o nb e h a v i o ro fi m m e r s i o ns i d e ．b l o w i n gg a sf l o wi nas l a gl a d ew a t e rm o d e li si n v e s t i g a t e db y p h o t o g r a p h ya n dd i m e n s i o n a la n a l y s i sm e t h o d ，i no r d e rt op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s ef o ri m p r o v i n gt h er e a c t i o n s p e e db e t w e e ng a s ．1 i q u i di n t e r f a c ea n do x i g e ng u n j e td i s t r i b u t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mp e n e t r a ‘ t i o nd e p t ho fg a sf l o wi si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fg a sm o m e n t u mw h i l et h ed i a m e t e ro fo x i g e ng u n j e tk e e p s c o n s t a n t ．I ft h em o m e n t u mo ft h ea i r s t r e a mi sc o n s t a n t ，t h ep e n e t r a t i o nd e p t ho fg a sf l o wi sd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo ft h el i q u i dv i s c o s i t y ．T h em a x i m u mp e n e t r a t i o nd e p t hc a l c u l a t e db yt h ee m p i r i c a le q u a t i o ni si na g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e dd a t af r o mt h ee x p e r i m e n t s ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；i m m e r s i o ns i d e b l o w n ；d i m e n s i o n a la n a l y s i s ；p e n e t r a t i o nd e p t h ；v i s c o s i t y ，、，～、 ，，，v - 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j u n ，L I A N GG o n g - y i n g D 伽r t r n e n to fM a t e r i a l sP h y s i c s ，F a c u l t yo fS c i e n c e ，Ⅺ，口nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，Ⅺ么7 27 1 0 0 4 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h el a t e s tr e s e a r c hd e v e l o p m e n to fn e wm u l t i c o m p o n e n tb u l ka m o r p h o u sa l l o y sa r ed e s c r i b e d ．T h ep r o p e r t i e sa n df o r m a t i o nm e c h a n i s m so ft h e s ea l l o y sa r ee x p l a i n e d ．T h ed e v e l o p m e n tt r e n da n dt h ei m p o r t a n tp o i n t sf o r f u t u r er e s e a r c ho fb u l ka m o r p h o u sa l l o y sa r ep r o p o s e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；b u l ka m o r p h o u sa l l o y s ；r e v i e w ；f o r m a t i o nm e c h a n i s m s 万方数据