Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика

Рассмотрены гидродинамические процессы в зоне взаимодействия газопорошковых струй магния и кальция с металлом.

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автор:	Охотский, В.Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2013
Назва видання:	Процессы литья
Теми:	Получение и обработка расплавов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/131114
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2013. — № 1. — С. 22-28. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-131114
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1311142018-03-14T03:02:55Z Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика Охотский, В.Б. Получение и обработка расплавов Рассмотрены гидродинамические процессы в зоне взаимодействия газопорошковых струй магния и кальция с металлом. Розглянуто гідродинамічні процеси в зоні взаємодії газопорошкових струменів магнію та кальцію з металом. Hydrodynamical processes in the zone of magnesium and calcium gas-powder jets interaction with metal. 2013 Article Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2013. — № 1. — С. 22-28. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/131114 669.18 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов
spellingShingle	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов Охотский, В.Б. Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика Процессы литья
description	Рассмотрены гидродинамические процессы в зоне взаимодействия газопорошковых струй магния и кальция с металлом.
format	Article
author	Охотский, В.Б.
author_facet	Охотский, В.Б.
author_sort	Охотский, В.Б.
title	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика
title_short	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика
title_full	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика
title_fullStr	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика
title_full_unstemmed	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика
title_sort	парофазная десульфурация металла. гидродинамика
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Получение и обработка расплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/131114
citation_txt	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2013. — № 1. — С. 22-28. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT ohotskijvb parofaznaâdesulʹfuraciâmetallagidrodinamika
first_indexed	2025-07-09T14:47:59Z
last_indexed	2025-07-09T14:47:59Z
_version_	1837181156643045376
fulltext	22 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 1 (97) Получение и обработка расплавов 1. Цветное литье: Справочник / Н. М. Галдин, Д. Ф. Чернега, Д. Ф. Иванчук и др. / Под ред. Н. М. Галдина. – М.: Машиностроение, 1989. – 528 с. 2. Производство стальных отливок: Учебник для вузов / Л. Я. Козлов, В. М. Колокольцев, К. Н. Вдовин и др./ Под ред. Л. Я. Козлова. – М.: МИСИС, 2003. – 352 с. 3. Волков В. Б. Понятный самоучитель Excel 2010. – СПб.: Питер, 2010. – 256 с. 4. Microsoft Excel 2010 для квалифицированного пользователя: Учебное пособие. – М.: Ака- демия Айти, 2011. – 244 с. 5. Данилин Г. А., Куризна В. М., Курзин П. А. Математическое программирование с Excel: Учеб. пособие для всех специальностей МГУЛа. – М.: МГУЛ, 2005. – 113 с. Поступила 21.11.2012 УДК 669.18 В. Б. Охотский Государственная металлургическая академия Украины, Днеропетровск ПАРОФАЗНАЯ ДЕСУЛЬФУРАЦИЯ МЕТАЛЛА. ГИДРОДИНАМИКА Рассмотрены гидродинамические процессы в зоне взаимодействия газопорошковых струй магния и кальция с металлом. Ключевые слова: магний, кальций, десульфурация, металл. Розглянуто гідродинамічні процеси в зоні взаємодії газопорошкових струменів магнію та кальцію з металом. Ключові слова: магній, кальцій, десульфурація, метал. Hydrodynamical processes in the zone of magnesium and calcium gas-powder jets interaction with metal. Keywords: magnesium, calcium, desulphuration, metal. 1. История и состояние вопроса Появление технологий производства стали в жидком состоянии и ее разливки со- провождалось ликвацией и сегрегацией элементов в стальном слитке, снижаю- щих качество проката. Наиболее отрицательно влияние серы, что заставило еще в 1890-х годах исследовать возможности десульфурации чугуна и стали оксидами, карбонатами, карбидами, цианидами и хлоридами щелочных и щелочноземельных ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013 № 1 (97) 23 Получение и обработка расплавов металлов. Некоторые из них используются и сегодня, но постепенно сформирова- лись (как ведущие) десульфурирующие чугун магнием и стали – кальцием. В 1949-1950 г. г. исследовали вдувание магния в чугун (США), которое получило промышленное развитие в 1960-х годах [1]. В 1970 г. фирма Cast Iron&Pipe Corp. (США) предложила для десульфурации магкокс, а в 1986 г. SOLLAC (Франция) использовала для этого порошковую проволоку (ПП) с магнием. Динамика произ- водства П в мире магния в 1960-2010 г. г. описывается зависимостью, т/год lg П = 0,015 Г-24,32, (1) где Г – год. В середине 1990-х годов на десульфурацию чугуна расходовали до 17 % производимого магния. На первой Electric Furnace Conference (США) в 1943 г. сообщалось об успешном использовании силикокальция для обработки стали. В 1961 г. в Великобритании были проведены эксперименты по вдуванию силикокальция в сталь для ее десульфурации, в том числе в смеси с известью, добавками магния и алюминия. В 1975 г. Pfizer Inc (США) для ввода силикокальция в сталь использовала порошковую проволоку (ПП), поступавшую в ковшовую ванну через погруженную фурму. Сегодня все три техно- логии ввода силикокальция в сталь используются не только при ее десульфурации, но и раскислении, модифицировании неметаллических включений [2]. Наибольшее распространение получили технологии вдувания порошков магния и кальция и ввод их с ПП благодаря управлению процессом и действию перемеши- вающего металла образующимися парами десульфуратора. Ниже, в разделах 2 и 3, приведены выражения, полученные на основании теории волнового взаимодействия в газожидкостных системах. Они могут быть использо- ваны при выражении входящих в них параметров в любой одной из существующих систем единиц. 2. Образование и дробление пузырей Во всех технологиях парофазной десульфурации металла образуются и всплы- вают пузыри размером D, содержащие пары магния или кальция, которые могут дробиться в капиллярном режиме или режиме ускорения волн [3]. В капиллярном режиме дробления капиллярная волна длиной λσ с минимальной продолжительностью роста амплитуды ασ до величины ασ≈λσ успевает вырасти пре- жде, чем пройдет по наветренной стороне пузыря длиной действию πD/4 со скоро- стью движения капиллярной волны. Используя из этого условия закономерности поведения капиллярных волн [3], определим, что дробление пузыря прекратится при достижении им размера σ σσ πβ ρ6 1/ 2 1 1= (2 / 3 ) ,D g (2) где σ 1 , ρ 1 – поверхностное натяжение и плотность металла; βσ = 0,3 [4]; g – грави- тационное ускорение. Дробление пузыря в режиме волн ускорения происходит, если волна ускорения длиной λ а с минимальной продолжительностью роста амплитуды α а до величины α а ≈ λа достигнет этого раньше, чем пройдет со скоростью волны ускорения по диа- метру пузыря. Используя выражения для закономерностей поведения волн уско- рения [5], получим, что дробление прекратится, когда пузырь достигнет размера θη π βα ρ ρ12 3 / 2 3 2 2 3 / 2 5/ 2 1/ 2 1/ 3 1 1 г= (2 cos / 3 ) ,DD C n ga (3) где СD ≈ 1, βα ≈ 1 [4]; θ – угол между осью пузыря и вертикалью; n – отношение дав- лений в скачке уплотнения; ρг – плотность газа в пузыре. 24 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 1 (97) Получение и обработка расплавов 3. Динамика частиц и капель Анализ литературных данных о размере d p используемых частиц магния (27 слу- чаев) и кальция (14 случаев) показал, что наиболее часто он составляет 0,3-1,5 и < 0,1-0,7 мм соответственно. Отношение массового G (кг/мин) и объемного I (м3/мин) расходов для магния (30 случаев) и кальция (16 случаев) соответ- ственно в 44 и 33 % случаев составляет ≤ 10 кг/м3, в 19 и 16 % − 10-20 кг/м3, а в дальнейшем плавно снижается. Величина безразмерного комплекса Kp ≡ ρpdp /ρd, где ρр, ρ – плотность частицы магния (3 случая), составляет 8-72 (ср. 38), для кальция (9 случаев) – 2-13 (ср. 64), а рассчитанные по работе [3] величины показателя трения f, соответственно, 0,045-0,02 (ср. 0,0109) и 0,0046-0,0360 (ср. 0,0180). Наиболее часто встречаются отношения массовых расходов частиц и газа х = 10 при этом коэффициент турбулентной структуры струи, несущей дисперсную фазу, составляет а = 0,03, а длина ее начального участка – около 16. Частицы магния достигают 0,54-0,89 скорости несущего газа, а кальция – 0,71-0,75. При обычной скорости газа на выходе из сопла 40-300 м/с этого достаточно для внедрения частицы в металл на глубину L, равную, по крайней мере, ее диаметру L ≥ dp для крупных частиц размером более 1 мм, но иногда не достаточно для мелких частиц dp ≤ 0,1 мм [3]. Частица десульфуратора dp, погрузившись в металл, испаряется и превращается в пузырь размером Dp = dp (υ T1 pp Kd / Md · 273 · 100)1/3, где υ – мольный объем газа; Т 1 – температура металла; Мd – мольная масса десульфуратора; Кd – его концентрация в сплаве частицы, %. Однако, образование отдельных пузырей из каждой частицы возможно, если расстояние между ними достаточно велико, чтобы предотвратить контакт образующихся пузырей, что обеспечивается при G/J ≤ 100 Md /Kd υ. (4) На рис. 1 эта зависимость представлена линией I, которая в большинстве слу- чаев находится ниже фактических соотношений (точки), и, следовательно, пузыри размером Dp, образующиеся от отдельных частиц, сливаются. Только в первых опытах по вдуванию магния в чугун [6] в 1949-1950 г. г. отношение G/ J составляло 0,03-0,05 кг/м3, что близко к выполнению условия (3). Сегодняшняя промышленная интенсивность продувки больше на порядок величины и, несмотря на гидродинами- ческую обеспеченность, возможности внедрения каждой отдельной частицы в металл образующиеся из них парофазные пузыри могут сливаться в один пузырь размером Рис. 1. Условия существования пузырей, образовавшихся при испарении отдельных частиц магния (а) и кальция (б): 1, 2 – отечественные и зарубежные данные а б G , к г/ м и н q, м3/мин5 100 100100 q, м3/мин 101 5 100 101 G , к г/ м и н R I I 1 2 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013 № 1 (97) 25 Получение и обработка расплавов Dv = kD(Gυ/Md+ J)2/5 (T1/273)1/3 g1/5, где kD=1,1835 [3]. Однако эти пузыри дробятся. Наи- более близко к линии подходят отечественные и зарубежные данные, в том числе рекомендации фирмы Remacor (США) (область R на рис. 1, а), ведущего произво-го произво- произво- дителя технологии и дутьевых устройств для десульфурации чугуна магнием, в том числе в ковшах миксерного типа [7]. На рис. 2 линиями I и II представлены размеры частиц, отвечающие равенству Dp = Dσ (1) и Dp = Dα (2), сопоставленные с фактическими (точки) для вдувания магния (рис. 2, а) и кальция (рис. 2, б), в зависимости от содержания десульфу- ратора в сплаве частицы. По-видимому, выбор величины d p на практике должен осуществляться, исходя из этого условия, что обеспечивает стабильность усвоения десульфуратора независимо от условий усвоения частиц в зоне взаимодействия газопорошковой струи с металлом. В отечественной и зарубежной практике раз- ницы в решении этого вопроса не замечено. Газовый поток с объемным расходом J набегает на переднюю точку образующе- гося пузыря, разворачивается в пределах зоны диаметра d и обтекает поверхность пузыря в режиме потенциального течения со скоростью w, равной скорости ис- течения из сопла. В результате на поверхности контакта газ-металл формируются капиллярные волны длиной λ, амплитуда которых α растет во времени по законо-во времени по законо-о времени по законо- мерностям [4], и при достижении условия α ≈ λ от поверхности пузыря отрывается тороид металла, разрушающийся на капли размера λ. Этот процесс начинается по периметру зоны удара диаметра d и из условия, что за время прохождения газовым потоком τgb = d/2w волна с наименьшей продолжительностью роста успевает вы- расти по амплитуде до α ≈ λ, при этом получим условие образования этих капель размера λ н σ≤ β ρ π η ρ σ3 4 4 5 6 5 2 1/ 7 1 1 1(3 / 2 ) ,d q (4) где q = J/nc; nc – число сопел в фурме. Образование капель заканчивается при условии, что продолжительность оббе- гания потоком полупериметра пузыря τgb = πd/2w также равна продолжительности роста капель, но уже из волны длиной λk, что будет иметь место при условии Рис. 2. Условия равенства размеров пузырей от дробления и испарения частиц магния (а) и кальция (б) a б d р , м м К Mg , % 100 10-1 10-2 102 510-1 I II d р , м м 100 10-1 К Ca , % 101 102 5 10-2 I II 26 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 1 (97) Получение и обработка расплавов ≤ β ρ π η ρ σσ 3 3 4 4 31/ 5 6 2 2 3 / 5 1/10 1 1 1(3 / 2 ) .Dd k q g (5) С образованием капель размера λk в обоих случаях размер образующихся ка- пель будет σλ π η σ β ρ12 7 2 8 8 2 2 1/ 3 1 1 1 4= (2 / 2 ) .d p q (6) На рис. 3 для аргона и воздуха зави- симость (4) представлена линиями Ιa, Ιб, а (5) – ΙΙa, ΙΙб, с которыми согласуются отечественные и зарубежные производ- ственные данные (точки), попадающие в область между рассчитанными линиями и ниже их. Рекомендации Remacor Сorp. (область R), предотвращающие раз- брызгивание металла [7], качественно и количественно отвечают выражению (5). В соответствии с движением газового потока вдоль поверхности пузыря к соплу инициируемые им капли металла могут залетать в сопло и заметалливать его. Это можно предотвратить, использовав доста- точно большую скорость газа на выходе из сопла, чтобы отрыв капиллярной волны, движущейся по границе газ-металл, произошел раньше, чем она достигает края зоны удара диаметра d. Тогда образовавшаяся капля будет вколочена в металл газовым потоком и не вылетит в сторону сопла. Согласно этому условию необходимо, чтобы σ≥ σ β ρ2 1/ 2 12 ( / 3 ) ,w d (7) что представлено на рис. 4 линией I. Производственные данные (точки) в боль- шинстве случаев отвечают этому условию. В работе [1] упоминается, что IRSID (Франция) с 1976 г. использовал сверхзвуковую скорость W для предотвращения заметалливания сопла при вдувании гранулированного магния в чугун. Позже эта технология была освоена при десульфурации стали кальцием фирмами USINOR 100 d, м м 101 2 5 5 q, м3/мин Рис. 3. Условия диспергирования металла в зоне взаимодействия с ним вдуваемого газа R IIa IIб Ia Iб IIIa IIIб а б Рис. 4. Условия предотвращения заметалливания сопла при вдувании магния (а) и кальция (б): 1, 2 – отечественные и зарубежные данные I 102 6 5 101 2 d, мм W , м /c W , м /c 102 101 6 2 d, мм 5 R I ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013 № 1 (97) 27 Получение и обработка расплавов (Франция) [8] и CRM (Бельгия) [9]. На рис. 3 она представлена линиями IIIа при использовании в качестве несущего газа аргона и IIIб – воздуха, на которых рас- положены экспериментальные данные этих фирм. Таким образом, проблема заметалливания дутьевых устройств решается двумя разными путями: снижением динамического напора несущего газа, уменьшающим брызгообразование [7], или увеличением его, что препятствует попаданию обра- зующихся капель металла на дутьевое устройство [8-9]. Размеры капель по выражению (6), образующихся в начале обтекания газовым потоком поверхности пузы- ря (линия I) и в конце его (линия IIa, ΙΙб для аргона и воздуха), на рис. 5 сопоставлены с размерами частиц порошка магния и кальция, которые в большинстве случаев находятся в области между ними. В работе [7] для своих дутьевых устройств считают возможным использовать частицы магния размера 0,18 мм (рис. 5, линия III), что практически совпадает с рас- считанной по выражению (6) линией IIа при вдувании частиц аргоном. Массовый расход капель металла, образующихся в зоне взаимодействия из волны длиной λ, составляет Gλ = ρ 1 πd (πλ2/4)/τλ, где τλ – продолжительность роста ее амплитуды до α ≈ λ [4], а максимально возможная λ max = d/2. Интегрируя вели- чину Gλ для всех длин волн, получим массовую интенсивность образования капель металла в зоне взаимодействия σβ ρπ σ5/ 2 1/ 2 2 5/ 2 4 / 3 1/ 2 1 1= / 2 .kG pw d (8) Из теплового баланса расхода тепла на нагрев, плавление и испарение частиц десульфуратора и тепла перегрева капель металла можно найти соотно- шение массовых расходов G и Gk. На рис. 6 они представлены линиями Ι и ΙΙ для магния и кальция и сопоставле- ны с экспериментальными данными, приведенными в литературе. Если для кальция можно предположить, что ча- стицы испарятся в пузыре, то массовый расход магния превышает тепловые возможности поступающих капель. Более интенсивные разбрызгивания при испарении магния, чем для каль- ция, заставляют ограничивать расход несущего газа. По-видимому, усвоение магния и кальция металлом происходит в зоне взаимодействия, представля- ющей собой образующийся пузырь с диспергированными каплями металла, взаимодействующими с частицами десульфуратора, использующими их. В процессе всплывания пузыря идет массообмен паров с серой металла. Рис. 5. Сопоставление размеров капель металла и частиц десульфуратора l p , м м 1 2 6 4 101 2d, мм I III IIб IIa Рис. 6. Сопоставление интенсивностей об- разования капель и вдувания десульфуратора (w, м/с; d, мм) G d,к г/ м и н 5 101 100 w2d5/2 5 100 R II I 28 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 1 (97) Получение и обработка расплавов Выводы Проанализированы гидродинамические процессы, возникающие при вдувании порошковых магния и кальция в чугун и сталь. Получены выражения, позволяющие определить размеры пузырей, образующихся при парофазной десульфурации ме- талла и условия их дробления, соотношения расходов десульфуратора и несущего газа, условия предотвращения заметалливания сопел. 1. Воронова Н. А. Десульфурация чугуна магнием. – М.: Металлургия, 1980. – 240 с. 2. Обработка стали кальцием: Пер. с англ. / Под ред. Б. И. Медовара. – Киев: ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, 1989. – 216 с. 3. Охотский В. Б. Модели металлургических систем. – Днепропетровск: Системные техноло- гии, 2006. – 287 с. 4. Mayer E. // ARS J. − 1961. − V. 31, № 12. − Р. 1783-1785. 5. Adelberg M. // AIAA J. − 1961. − V. 5, № 8. − Р. − 1408-1415. 6. Kurcinski E. F. // J&S. Eng. − 1976. − № 4. − Р. 59-71. 7. Янг Дж. Х. // Сталь. − 2001. − № 4. − С. 22-24. 8. Дэвид М., Джанно М., Поумен М., Сенанюк Д. // Инжекционная металлургия. – М.: Метал- лургия, 1982. – 256 с. 9. Марике К. // Инжекционная металлургия. – М.: Металлургия, 1990. – 279 с. Поступила 15.06.2012 ВНИМАНИЕ! Предлагаем разместить в нашем журнале рекламу Вашей продукции или ре- кламный материал о Вашем предприятии. Редакция также может подготовить заказной номер журнала. Стоимость заказного номера - 4000 грн. Расценки на размещение рекламы (цены приведены в гривнях) Размещение Рекламная площадь Стоимость, грн. Рекламные блоки в текстовой части журнала Цветные 1/2 страницы 1/3 страницы 1/4 страницы 900 600 300 Черно-белые 1/2 страницы 1/3 страницы 1/4 страницы 550 380 200 Цветная реклама на обложке Третья страница обложки 1 страница 1/2 страницы 1/4 страницы 2800 1400 700 Четвертая страница обложки 1 страница 1/2 страницы 1/3 страницы 3100 1550 1000 При повторном размещении рекламы - скидка 15 % Наш адрес: Украина, 03680, г. Киев-142, пр. Вернадского, 34/1 Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины телефоны: (044) 424-04-10, 424-34-50 факс: (044) 424-35-15; E-mall: proclit@ptima.kiev.ua

Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика

Репозитарії

Схожі ресурси