Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали
Рассмотрены различные способы интенсификации массообменных процессов дегазации стали. Установлено, что при выборе способа интенсификации массообменных процессов необходим индивидуальный подход, учитывающий материальные и энергозатраты....
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2010
|
| Назва видання: | Процессы литья |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49819 |
| 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: | Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали / Н.И. Захаров // Процессы литья. — 2010. — № 4. — С. 8-12. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-49819 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-498192013-09-29T03:03:44Z Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали Захаров, Н.И. Получение и обработка расплавов Рассмотрены различные способы интенсификации массообменных процессов дегазации стали. Установлено, что при выборе способа интенсификации массообменных процессов необходим индивидуальный подход, учитывающий материальные и энергозатраты. Розглянуто різні способи інтенсифікації масообмінних процесів дегазації сталі. Встановлено, що при виборі способу інтенсифікації масообмінних процесів необхідний індивідуальний підхід, що враховує матеріальні та енерговитрати. Different kinds of intensification mass-transfer processes for degasing of steel are discussed. Using the concrete kind, we must calculated material and energetical expenses. 2010 Article Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали / Н.И. Захаров // Процессы литья. — 2010. — № 4. — С. 8-12. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49819 669:532.516.13 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 Захаров, Н.И. Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали Процессы литья |
| description |
Рассмотрены различные способы интенсификации массообменных процессов дегазации стали. Установлено, что при выборе способа интенсификации массообменных процессов необходим индивидуальный подход, учитывающий материальные и энергозатраты. |
| format |
Article |
| author |
Захаров, Н.И. |
| author_facet |
Захаров, Н.И. |
| author_sort |
Захаров, Н.И. |
| title |
Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали |
| title_short |
Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали |
| title_full |
Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали |
| title_fullStr |
Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали |
| title_full_unstemmed |
Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали |
| title_sort |
интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Получение и обработка расплавов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49819 |
| citation_txt |
Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали / Н.И. Захаров // Процессы литья. — 2010. — № 4. — С. 8-12. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT zaharovni intensifikaciâmassoobmennyhprocessovvnepečnojdegazaciistali |
| first_indexed |
2025-07-04T11:05:20Z |
| last_indexed |
2025-07-04T11:05:20Z |
| _version_ |
1836714162316640256 |
| fulltext |
8 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82)
Получение и обработка расплава
15. Коновалов Р. П., Ланевский Э. Б. // Сталь. − 1974. − № 8. − С. 695-699.
16. Уразгильдеев А. Х., Пронских С. Н., Алымов А. А. и др. // Сталь. − 1977. − № 9. − С. 796-799.
17. Ebnett W. A., Ruttiger K., // Arch. Eisenh u tt. −1972. − № 12. − S. 879-886.
18. Fischer W. A., Bardenheuer P. W. // Arch. Eisenh u tt. − 1968. − № 8. − S. 559-570.
19. Бааре Р. –Д., Бекерс Э., Пелике В. Г. // Чер. металлы. − 1962. − № 22. − C. 39-49.
20. Русов Р., Батев М., Петров П. // Рудодобив и металургия. − 1970. − № 8-9. − С. 36-40.
21. Коновалов Р. П., Ланевский Э. Б. // Металлургия черных металлов. – Алма-Ата: Казах.
политехн. ин-т, 1973. − Вып. 1. − С.87-92.
22. Коновалов Р. П., Ланевский Э. Б. // Изв. вузов. Чер. металлургия. − 1974. − № 9. − С. 67-72.
23. Mayer E. // ARS J. − 1961. − V. 31, № 12. − Р. 1783-1785.
24. Adelberg M. // AIAA J. − 1976. − V. 5, № 3. − Р. 1408-1415.
25. Корпачев В. Г., Попель С. М. // Физическая химия металлургических процессов.
– Свердловск: Металлургиздат, 1959. – № 93. – С. 64-92.
26. Коновалов Р. П., Ланевский Э. Б., Просвиров С. Н. // Изв. вузов. Чер. металлургия.
− 1978. − № 6. − С. 40-44.
27. Дубров Н. Ф. // Сталь. −1943. − № 3-4. − С. 13-20.
28. Мылко С. Н. // Черная металлургия. − М.: Металлургиздат, 1955. − № 5. − С. 101-109.
29. Hoff H., Lessing H., Massing С. // St. Eis. − 1956. − № 22. − S. 1422-1452.
30. Колганов Г. С., Тарапуров Н. В. // Проблемы стального слитка. – М.: Металлургия,
1969. – С. 138-141.
Поступила 27.10.2009
уДк 669:532.516.13
н. и. Захаров
Национальный технический университет, Донецк
интенсиФикация массообменных Процессов
внеПечноЙ ДегаЗации стали
Рассмотрены различные способы интенсификации массообменных процессов дегазации
стали. Установлено, что при выборе способа интенсификации массообменных процес сов
необходим индивидуальный подход, учитывающий материальные и энергозатраты.
Ключевые слова: массообмен, интенсификация, дегазация, азот, вакуумирование, аргон,
электростатическое поле, диффузия, кинетическое звено.
Розглянуто різні способи інтенсифікації масообмінних процесів дегазації сталі. Встановлено,
що при виборі способу інтенсифікації масообмінних процесів необхідний індивідуальний підхід,
що враховує матеріальні та енерговитрати.
Ключові слова: масообмін, інтенсифікація, дегазація, азот, вакуумування, аргон, електро-
статичне поле, дифузія, кінетична ланка.
Different kinds of intensification mass-transfer processes for degasing of steel are discussed. Using
the concrete kind, we must calculated material and energetical expenses.
Keywods: mass transfer, intensification, degassing, nitrogen, vacuum processing, argon,
electrostatic field, diffusion, kinetics link.
Проблема дегазации стали остается одной из актуальных, так как газы, имеющиеся
в металле, ухудшают его эксплуатационные свойства.
Наиболее перспективные способы рафинирования расплавов от рас творенных
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82) 9
Получение и обработка расплава
газов (водорода, азота, кислорода) − внепечные, связанные с воздействием вакуума,
продувки инертным газом, электростатического поля и др.
Распространенным способом внепечной дегазации стали является ва-
куумирование. Ускорение вакуумирования расплавов путем интенсификации массо-
обменных процессов традиционно достигается сосредоточенной про дувкой аргоном
(при вакуумировании в ковше [1] или порционном вакуумировании [2]). Продувка ар-
гоном перемешивает жидкую сталь, приводя к уменьшению толщины диффузионного
пограничного слоя на границе «ме талл-вакуум» и к интенсификации массообменных
процессов [3].
Для большей активизации технологии используют предварительный нагрев аргона
перед подачей в жидкую ванну [4, 5]. Благодаря меньшему тер мическому расширению
аргонной фазы при внедрении в расплав металла для данной интенсивности продувки
образуется значительное количество мелких пузырей инертного газа. Интенсификация
массообменных процессов в этом случае обусловлена возрастанием суммарной
площади контакта «аргон-металл».
Как известно, в расплаве стали и на границе «вакуум-металл» раство ренный в нем
газ (водород, азот, кислород) находится в виде ионов. Поэтому интенсификатором
массообменных процессов может быть электростатиче ское поле с источником в
вакуум-камере.
Если его напряженность на рассматриваемой межфазной поверхности выше кри-
тического значения, то ионы удаляемого водорода срываются с зеркала неподвиж-
ного металла, ускоряя его дегазацию за счет возрастания градиента концентрации
удаляемого газа в жидкой ванне как движущей силы диффузионного процесса [6].
Этот интенсификатор эффективен как для диф фузионного, так и диффузионно-
адсорбционного лимитирования массопереноса.
При производстве ответственных марок стали может возникнуть по требность глу-
бокой деазотации металла, доведения концентрации растворен ного в жидкой ванне
азота до очень низких значений (< 0,01 %). В этом слу чае лимитирующим звеном
массопереноса является, как правило, кинетиче ское в силу энергетических труд-
ностей объединения ионов азота в молекулы на межфазной границе [7, 8]. На этой
стадии дегазации расплава целесообразно подключение электростатического поля
умеренных напряженностей, которое, экономя электроэнергию, перераспределяет
по зер калу металла ионы удаляемого азота с образованием очагов более активной
молизации этих частиц [9]. В этих условиях ускорение технологии достига ется за
счет интенсификации кинетического лимитирующего звена массопе реноса.
Исходная система нестационарных дифференциальных уравнений, описываю-
щих диффузионный процесс, включает уравнение конвективной диффузии, ги-
дродинамики и неразрывности, записанных, в силу осевой симметрии задачи,
в цилиндрической системе координат
0
00 0 0 0
Pe , , Lu
Fo
;
C
V C С
¶
n = ×D
¶
æ ö÷ç ÷+ ×ç ÷ç ÷çè ø
(1)
0
0 00 0 0 0 0 Pe
Pe Eu Pe Pr
Fo Fr
, ;ge
¶
+ Ñ Ñ D
¶
æ ön ÷ç ÷n n=- × × r+ × n+ ×ç ÷ç ÷çè ø
(2)
1 1 3
1 1 3
0,
n ¶n ¶n
+ + =
h ¶h ¶h
(3)
где
0
,LÑ Ñ= ×
0
2LD=D× − безразмерные дифференциальные операторы Гамильто-
на и Лапласа;
0
C = С/С0
, С0
− начальное размерное значение содержания раство-
ренного в расплаве азота; Lu =D/a − число Льюиса;
;gg ge=
0
0= ;P P P Pr / ;a= u
10 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82)
Получение и обработка расплава
Eu = P0 /
2
0( );rn
2
0Fr / ( )gL= n − критерии Прандтля, Эйлера и Фруда соответственно;
2Fo a / ;L= t
0
0/ ;n = n n
0Pe = / ;L an × Fo − критерий Фурье; Рекритерий Пекле;
0
n
− без-
размерный вектор скорости с компонентами v1 и vз ; L, v0 − масштабы длины и
скорости.
В рассматриваемом приближении на начальном этапе исследований анализи-
руется область малых интенсивностей продувки и пренебрежимо ма лого газосо-
держания расплава.
Граничные условия:
− на твердых поверхностях рафинировочной цилиндрической емкости приняты
нулевыми радиальная и вертикальная компоненты скорости жидкого металла, а
также удельный диффузионный поток;
− безразмерные компоненты скорости рас плава в рассматриваемом прибли-
жении на днище этой емкости определялись выражениями
1 = 0,n
2
1
3 o
-g×h
n = n (4)
в соответствии с характером распределения интенсивности продувки по днищу
рафинировочной емкости с пористыми элементами, где η1, η3
− без размерные ко-
ординаты; γ − положительная константа;
− осевая симметрия задачи сводит к нулю на оси симметрии ради альную ком-
поненту скорости стали и удельный диффузионный поток;
− на границе «вакуум - движущийся металл»
0
N N 02
/ ;EC K K P C= × × (5)
0 0
0,s n
n s
¶n ¶n
+ =
¶ ¶
(6)
где s и n − касательное и нормальное направления к межфазной границе; РN2 − парци-
альное давление удаляемого азота в полости вакууматора; КN − постоянная Сивертса
для азота; распределение КЕ
по межфазной границе определяется по методике
работы [10] для электростатического поля умеренных напряженностей.
На основании численного исследования по методу конечных разно стей можно
установить следующие закономерности:
− при увеличении времени обработки металла происходит достаточно малое
снижение содержания азота в расплаве в области малых интенсивностей его про-
дувки аргоном;
− увеличение давления в вакууматоре и снижение интенсивности про дувки за-
медляют процесс дегазации;
− отключение источника электрического напряжения приводит, как по казывает
расчет, к результатам по диффузионному процессу, близким к вари анту наличия
электрического поля.
Последнее имеет важное значение. Действительно, распределение концен-
трации удаляемого из металла азота на межфазной границе имеет об ласти повы-
шенного и пониженного значений этой характеристики в сравне нии с вариантом
Е = 0 [10]. Следовательно, ускорение диффузии во второй области компенсируется
замедлением процесса в первой области.
Отсюда следует вывод: электростатическое поле умеренных напря женностей
для малых интенсивностей продувки жидкой стали аргоном уси ливает локальные
характеристики кинетического звена массопереноса и практически не влияет на
интегральные характеристики звена диффузионно го.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82) 11
Получение и обработка расплава
Усиление кинетического звена массопереноса особенно важно при де газации
стали от растворенного азота, ионы которого, как известно, испыты вают энерге-
тические трудности при молизации на межфазной границе.
Если дегазация раскисленного металла от азота затруднена или бло кирована
слабым кинетическим лимитирующим звеном (малые концентра ции удаляемого
азота, либо повышенные значения концентрации поверхно стно-активных элемен-
тов в расплаве), то благодаря перераспределению ио нов этого газа по межфазной
границе с помощью электростатического поля возникают локальные очаги более
активной молизации рассматриваемых атомов и десорбции образованных молекул
в полость вакууматора. Дегазация при этом может быть интенсифицирована и до-
ведена до более низких кон центраций удаляемого газа. Эти положения согласуются
с выводами профессора В. И. Явойского, по которым, если дегазация лимитирует-
ся кинетическим зве ном массопереноса, то есть химическим актом объединения
атомов удаляемого газа в молекулы на межфазной границе, то это звено массо-
переноса (как и процесс дегазации в целом) усиливается с возрастанием квадрата
(локальной) концентрации этих атомов на рассматриваемой границе.
На интенсификацию массообменных процес сов существенное влияние оказыва-
ет рассредоточение продувки расплава аргоном по днищу ковша с использованием
пористых элементов [11, 12]. Благодаря порам малого диа метра реализуется вы-
сокая суммарная поверхность «аргон-металл», обеспе чивающая большие скорости
массопереноса удаляемого из расплава газа в пузыри аргона. Если интенсив-
ность продувки достаточно высокая и прибли жается к оптимальному, не выходя из
пузырькового режима внедрения аргона в металл, то в отдельных случаях можно
отказаться от одновременного вакуумирования, осуществляя продувку во время
выпуска расплава из печи в ковш [13].
В результате при выборе способа интенсификации массообменных процес-
сов технологии внепечной дегазации стали необходим индивидуаль ный подход,
учитывающий в том числе материальные и энергозатраты (дороговиз ну аргона,
импортных пористых огнеупорных блоков и др.).
Необходимо ускорить в Украине разработку и производство проду вочных
устройств на пористых элементах в направлении увеличения стойко сти и деше-
визны.
1. Металлургия стали / В. И. Явойский, Ю. В. Кряковский, В. П. Григорьев и др. – М.: Ме-
таллургия, 1983. – 584 с.
2. Каблуковский А. Ф., Крикунов Б. П., Неровный Ю. М. Промышленное внедрение аргон-
но-вакуумного порционного рафинирования стали // Металлург. – 1987. – № 8. – С. 19-20.
3. Явойский А. В., Явойский В. И., Терзиян С. П. Кинетические особенности удаления во-
дорода из расплавов на основе железа // Изв. вузов. Чер. металлургия. − 1981. − № 7.
− С. 5-8.
4. Пат. 3129234 ФРГ, МКИ С 22 В 9/02. Verta hrenzum Spulen von Metalschmechmelzen inebeson-
von stahlscglschmelzen mit inerten Gasen / E. Becker, G. Holtschneider, A. Kubon. − Опубл.
10.02.83.
5. Найдек В. Л., Наривский А. В., Ганжа Н. С. Дегазация алюминиевых сплавов вакуумно-
плазменной обработкой их расплавов // Процессы литья. − 2008. − № 3. − С. 35-38.
6. Кайбичев А. В., Лепинских Б. М. Рафинирование жидких металлов и сплавов в электри -
ческом поле. − М.: Наука, 1983. - 120 с.
7. Shiro B., Tadahiro S., Nideo T. Скорость десорбции азота из жидкого железа и его рас-
плавов // Тэцу то хаганэ. Iron and Steel Inst. Jap. − 1974. − V. 60, № 10. − Р. 1443-1453.
8. Tosisada S., Akira S. Masaesu Н. Исследование механизма выделения азота из жидкого
железа // Тэцу то хаганэ J. Iron and Steel Inst. Jap. − 1975. − V. 61, № 12. − Р. 450-451.
9. Захаров Н. И., Троцан А. И., Овдиенко А. А. Об использовании электростатического поля
в технологии внепечной дегазации стали // Процессы литья. — 2009. − № 1. − С. 8-11.
12 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82)
Получение и обработка расплава
10. Захаров Н. И., Троцан А. И. Учет в законе Сивертса фактора воздействия на движу-
щийся металл электростатического поля // Там же. − 2009. − № 3. − С. 15-16.
11. Баканов К. П., Бармотин И.П., Власов Н. Н. Рафинирование стали инертным газом.
− М.: Металлургия, 1975. − 229 с.
12. Борнацкий И. И., Мачикин В. И., Живченко В. С. Внепечное рафинирование чугуна и
стали. − Киев: Техника, 1979. − 167 с.
13. Захаров Н. И., Троцан А. И., Дюдкин Д. А. Массообменные процессы внепечной дегаза-
ции стали. − Донецк: NORD PRESS, 2009. − 156 с.
Поступила 22.02.2010
уДк 669.162.275:669-154
в. б. бубликов, в. П. латенко, в. в. суменкова,
а. и. хоменко*, е. П. нестерук, Ю. Д. бачинский,
в. я. хоружий, т. в. Зеленская
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
*Институт проблем материаловедения НАН Украины, Киев
исслеДование Процесса Плавления ФерросПлава
Фс65рЗм15 в жиДком чугуне
Проведены исследования процессов, протекающих при плавлении ферросплава ФС65РЗМ15
в жидком чугуне. С использованием закалочно-структурного метода исследована диффу-
зия и физико-химическое взаимодействие основных компонентов системы «ферросплав
- жидкий чугун». Показано, что параллельно с процессом плавления интенсивно протекает
диффузионный перенос кремния и РЗМ в чугун, а железа – в ферросплав. Определены ско-
рости диффузии кремния и железа в переходной зоне. Содержание РЗМ в зоне плавления в
несколько раз меньше по сравнению с исходным ферросплавом. Повышение температуры
жидкого чугуна на 50 0С в два раза уменьшает ширину переходной зоны и увеличивает ско-
рость встречной диффузии химических элементов.
Ключевые слова: чугун, плавление, модифицирование, ферросплав, диффузия, фазовый
состав.
Проведено дослідження процесів, що протікають при плавленні феросплаву ФС65РЗМ15 в
рідкому чавуні. З використанням гартівно-структурного методу досліджені дифузія і фізико-
хімічна взаємодія основних компонентів системи «феросплав - рідкий чавун». Показано, що
паралельно з процесом плавлення інтенсивно протікає дифузійний перенос кремнію і РЗМ
в чавун, а заліза - в феросплав. Визначено швидкості дифузії кремнію та заліза у перехідній
зоні. Вміст РЗМ в зоні плавлення в кілька разів менше в порівнянні з вихідним феросплавом.
Підвищення температури рідкого чавуну на 50 0С в два рази зменшує ширину перехідної зони
та збільшує швидкість зустрічної дифузії хімічних елементів.
Ключові слова: чавун, плавлення, модифікування, феросплав, дифузія, фазовий склад.
Researches of the processes proceeding at ferroalloy FeSi65REM15 fusion in liquid cast iron are
conducted. By using of a quenching-structural method diffusion and physico-chemical interaction
of the basic components of system «ferroalloy - liquid metal» are investigated. It is shown that in
parallel with fusion process diffusion transfer of silicon and REM in cast iron and iron in ferroalloy
|