Создаваемая над зоной продувки струйная газодинамической завесы образует локальный объем из которого монооксид углерода удаляется в атмосферу конвертера путем подсоса в систему струй ГДЗ с последующим дожиганием в ней или в результате проскока в межструйное пространство. Эффективность дожигания оксида углерода углерода над зоной продувки при использовании двухъярусной фурмы зависит от соотношения расходов кислорода на продувку и дожигание, расстояния между ярусами сопел фурмы, угла наклона этих сопел и газодинамических свойств струйной завесы. В этой связи представляется важным изучение вопросов массообмена между поднимающимся из зоны продувки потоком {СО}0 и струями ГДЗ.
Особенностью струйной газодинамической завесы является то, что при отсутствии ГДЗ содержание оксида углерода в отходящих газах в полости конвертера над соплами второго яруса фурмы {СО}∞ соответствует значению содержания его в газах над ванной {СО}0. При наличии режима дожигания компонента {СО}∞ меньше {СО}0 вследствие дожигания последней в объеме струйной ГДЗ. Чем выше эффект дожигания оксида углерода в кислородных струях ГДЗ, тем меньше {СО}∞, т.е. тем выше эффективность газодинамической завесы по дожиганию Θ = 1 - {СО}∞/{СО}0 и более высоким является коэффициент дожигания оксида углерода над ванной η = СО2/(СО+СО2).
Если дожигание отсутствует ({СО}∞={СО}0), то параметры Θ и η равны 0. И наоборот, если струи ГДЗ обеспечивают полное дожигание оксида углерода над ванной ({СО}∞=0), то Θ и η равны 1.
Относительная концентрация оксида углерода при организации дожигания его кислородом определяется в существенной мере газодинамическими свойствами системы струйной ГДЗ и, в частности, коэффициентом массопереноса βСО и температурой. Текущее значение {СО}∞ равно разности {СО}0 и {СО}S. Полагаем, что оксид углерода, подсосанный в струю, окисляется полностью, тогда изменение концентрации СО в объеме конвертера вне системы ГДЗ можно выразить следующим образом (%/с):
, (1)
где βСО - коэффициент массоотдачи, м/с; SПОВ/VК - отношение поверхности контакта струй ГДЗ с атмосферой к объему конвертера, м-1; τ - время взаимодействия струй ГДЗ с атмосферой, с.
После интегрирования выражения (1) получим, %:
(2)
Таким образом, текущее значение {СО}∞ в конвертере зависит от параметров газодинамической завесы и коэффициента массоотдачи. Компонента {СО}0 определяется расчетом или экспериментально и зависит от скорости обезуглероживания конвертерной ванны υС, а величина {СО}S определяется эмпирическим путем.
Коэффициент βСО находим из соотношения турбулентного числа Шервуда (ShТ) и эквивалентного числа Рейнольдса (ReТ) для системы струйных потоков ГДЗ. Можно применить следующее обобщенное критериальное уравнение для потока массы в поперечном сечении турбулентной струи:
, (3)
где ScT = εT/ДТ - число Шмидта; εT - коэффициент турбулентной вязкости газа, который для основного участка турбулентной осесимметричной струи находится как: εT = 0.031·ωС·dC, м2/с; dC - диаметр сопла, м; ДТ - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; ReT = ωC·l/νT - число Рейнольдса; ωC - скорость потока газа, м/с; l - характерный размер, м.
Для условий массопередачи в осесимметричной струе величины показателей степеней равны n=0.8 и m=0.33. С учетом этого выражение (3) примет вид:
. (4)
Коэффициент А определяется экспериментально.
Турбулентное число Шервуда можно выразить следующим образом:
, (5)
где lC - длина оси струи в системе ГДЗ, м.
Приравняв уравнения (4) и (5) и решив относительно А, получим:
. (6)
Площадь поверхности струйной ГДЗ в первом приближении определяется как площадь боковой поверхности усеченного конуса с высотой НС:
, (7)
где Dmax - диаметр зоны продувки, м; dФ - диаметр фурмы, м; α - угол наклона образующей конуса к его высоте.
Значение коэффициента А определяли по данным экспериментов, проведенных на установке горячего моделирования с системой струй ГДЗ. Рассчитанный по полученным результатам коэффициент А равен: А = 0,0435 ± 0,0037.
С учетом вышесказанного, уравнение (4), характеризующее условия массообмена при взаимодействии струйной системы ГДЗ со встречным потоком оксида углерода, примет вид:
. (8)
Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями коэффициента массоотдачи не превышает 10%.
Таким образом, уравнение (8) можно считать приемлемым для условий дожигания оксида углерода кислородными струями ГДЗ.