Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле

Обнаружен эффект интенсификации кинетической стадии процесса массопереноса при дегазации жидкой стали от водорода путем комплексного воздействия вакуумом, продувкой аргоном и электростатическим полем (0 << Е < <3...18 кВ/см). Это поле формирует область повышенной концентрации ионов водор...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Захаров, Н.И., Троянский, А.А., Дюдкин, Д.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Назва видання:	Современная электрометаллургия
Теми:	Электрометаллургия стали и ферросплавов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96815
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:	Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле / Н.И. Захаров, А.А. Троянский, Д.А. Дюдкин // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 49-52. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-96815
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-968152016-03-21T03:02:37Z Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле Захаров, Н.И. Троянский, А.А. Дюдкин, Д.А. Электрометаллургия стали и ферросплавов Обнаружен эффект интенсификации кинетической стадии процесса массопереноса при дегазации жидкой стали от водорода путем комплексного воздействия вакуумом, продувкой аргоном и электростатическим полем (0 << Е < <3...18 кВ/см). Это поле формирует область повышенной концентрации ионов водорода на поверхности вакуумДметалл, локализованную в окрестности проекции границы электрода на эту поверхность. Эффект теоретически обоснован с помощью классической электродинамики и проверен в лабораторных условиях. Обобщено соотношение закона Сивертса путем введения в него напряженности электростатического поля и степени ионизации атомов водорода. Соотношение качественно согласуется с результатами лабораторных исследований. Оно может быть использовано при компьютерном моделировании конвективного массопереноса водорода в жидкой стали для нового вида внешнего воздействия на металл. Revealed was the effect of intensification of kinetic stage of the process of mass transfer at degassing of molten steel from hydrogen by a complex vacuum effect, blow by argon and electrostatic field (0 << E << 3...18 kV/cm). This field forms a region of increased concentration of hydrogen ions at the vacuum-metal surface, localized in the vicinity of projection of electrode boundary on this surface. The effect was theoretically grounded using conventional electric dynamics and tested under the laboratory conditions. Generalized was the correlation of Siverts law by introduction of intensity of electrostatic field and level of hydrogen atoms ionization into it. The correlation is qualitatively coordinated with the results of laboratory investigations. It can be used in computer modeling of convective mass transfer of hydrogen in molten steel for a new type of external effect on the metal. 2014 Article Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле / Н.И. Захаров, А.А. Троянский, Д.А. Дюдкин // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 49-52. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96815 669.053:66.069.82 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Электрометаллургия стали и ферросплавов Электрометаллургия стали и ферросплавов
spellingShingle	Электрометаллургия стали и ферросплавов Электрометаллургия стали и ферросплавов Захаров, Н.И. Троянский, А.А. Дюдкин, Д.А. Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле Современная электрометаллургия
description	Обнаружен эффект интенсификации кинетической стадии процесса массопереноса при дегазации жидкой стали от водорода путем комплексного воздействия вакуумом, продувкой аргоном и электростатическим полем (0 << Е < <3...18 кВ/см). Это поле формирует область повышенной концентрации ионов водорода на поверхности вакуумДметалл, локализованную в окрестности проекции границы электрода на эту поверхность. Эффект теоретически обоснован с помощью классической электродинамики и проверен в лабораторных условиях. Обобщено соотношение закона Сивертса путем введения в него напряженности электростатического поля и степени ионизации атомов водорода. Соотношение качественно согласуется с результатами лабораторных исследований. Оно может быть использовано при компьютерном моделировании конвективного массопереноса водорода в жидкой стали для нового вида внешнего воздействия на металл.
format	Article
author	Захаров, Н.И. Троянский, А.А. Дюдкин, Д.А.
author_facet	Захаров, Н.И. Троянский, А.А. Дюдкин, Д.А.
author_sort	Захаров, Н.И.
title	Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле
title_short	Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле
title_full	Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле
title_fullStr	Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле
title_full_unstemmed	Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле
title_sort	физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Электрометаллургия стали и ферросплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96815
citation_txt	Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле / Н.И. Захаров, А.А. Троянский, Д.А. Дюдкин // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 49-52. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT zaharovni fizikohimičeskieosobennostidegazaciirasplavastaliotvodorodaprivnepečnojobrabotkevélektrostatičeskompole AT troânskijaa fizikohimičeskieosobennostidegazaciirasplavastaliotvodorodaprivnepečnojobrabotkevélektrostatičeskompole AT dûdkinda fizikohimičeskieosobennostidegazaciirasplavastaliotvodorodaprivnepečnojobrabotkevélektrostatičeskompole
first_indexed	2025-07-07T04:04:51Z
last_indexed	2025-07-07T04:04:51Z
_version_	1836959496018067456
fulltext	УДК 669.053:66.069.82 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕГАЗАЦИИ РАСПЛАВА СТАЛИ ОТ ВОДОРОДА ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ Н. И. Захаров, А. А. Троянский, Д. А. Дюдкин Донецкий национальный технический университет. 83000, г. Донецк, ул. Артема, 58. E-mail: info@dgtu.donetsk.ua Обнаружен эффект интенсификации кинетической стадии процесса массопереноса при дегазации жидкой стали от водорода путем комплексного воздействия вакуумом, продувкой аргоном и электростатическим полем (0 << Е < < 3...18 кВ/см). Это поле формирует область повышенной концентрации ионов водорода на поверхности вакуум— металл, локализованную в окрестности проекции границы электрода на эту поверхность. Эффект теоретически обоснован с помощью классической электродинамики и проверен в лабораторных условиях. Обобщено соотношение закона Сивертса путем введения в него напряженности электростатического поля и степени ионизации атомов водорода. Соотношение качественно согласуется с результатами лабораторных исследований. Оно может быть использовано при компьютерном моделировании конвективного массопереноса водорода в жидкой стали для нового вида внешнего воздействия на металл. Библиогр. 8, ил. 6. Ключ е вы е с л о в а : сталь; водород; дегазация; вакуум; продувка аргоном; электростатическое поле; компь- ютерное моделирование Научно-исследовательские работы по использова- нию электростатического поля в технологии внепеч- ного рафинирования стали от водорода начались еще в прошлом столетии [1—4]. Вместе с тем вопрос о степени ионизации атомов водорода в расплавах металлов остается открытым. Можно предполо- жить, что при повышении температуры жидкого ме- талла параметры этой характеристики возрастают. Современные представления о форме нахождения водорода в расплаве металлов должны включать исторически сложившуюся концепцию электриче- ски нейтральных атомов этого газа как частный вариант, относящийся к жидкому (легкоплавкому) металлу с недостаточно высокой температурой. При компьютерном моделировании массопере- носа водорода в жидкой ванне в условиях комплек- сного воздействия на расплав вакуума, сосредото- ченной продувки инертным газом (например, через пористую пробку, установленную в днище ковша) и электростатического поля докритических напря- женностей возникает проблема постановки гранич- ного условия для уравнения конвективной диффу- зии на межфазной поверхности вакуум—металл. Классическая форма записи закона квадратного корня Сивертса не учитывает воздействия электро- статического поля на зеркало расплава. Одна из возможных форм записи этого закона в условиях рассматриваемого вида комплексного воздействия на жидкий металл может быть выраже- на соотношением Cn = KH√⎯⎯⎯⎯PH 2 [(1 — i) + iKE], (1) где Сn – концентрация атомов и ионов водорода на зеркале расплава; PH 2 – парциальное давление водорода в вакуум—камере; KН – постоянная Си- вертса; i – безразмерная степень ионизации атомов водорода на межфазной поверхности; KЕ – безраз- мерная функция координат, характеризующая от- ношение концентрации полностью ионизированных атомов водорода на границе вакуум—металл (i = 1) к аналогичной характеристике при i = 0 (рис. 1). Теоретический анализ распределения атомов во- дорода по межфазной поверхности вакуум—металл проводили в предположении их полной ионизации. Соотношение (1) обобщает полученные результаты возможности их частичной ионизации. Кроме того, требуется достижение электродинамического рав- новесия системы, в рамках которого распределение плотности заряда ионов водорода на этой поверхно- сти в каждый момент времени для движущего рас- © Н. И. ЗАХАРОВ, А. А. ТРОЯНСКИЙ, Д. А. ДЮДКИН, 2014 49 плава идентично случаю его неподвижного состоя- ния. Искомое распределение плотности заряда ионов водорода на этой поверхности определяем из уравнения Максвелла [5] div E→ ′ = 4πρ, (2) где E→ ′ – напряженность собственного поля рас- сматриваемых ионов с плотностью ρ. Для расчета указаного уравнения рассмотрим плоский жидкометаллический проводник, плос- кость которого параллельна плоскости отрицатель- но заряженной пластины – источника электроста- тического поля (рис. 2). Будем считать, что при движении металла вдоль оси О __ x→∂Ex′/∂x >> ∂Ey′/∂y. Кроме того, поскольку вертикальная составляю- щая E → ′, т. е. Ez′, не оказывает влияния на движение ионизированной части атомов удаляемого газа в плоскости (xОy), то из уравнения (2) имеем ρ(x) = 1 4π dEx dx . При этом в динамически равновесном состоянии Ex′ = —Ex. Найдем значение Eх. Пусть Q – модуль заряда источника. Значение заряда в элементе dξdη при его равномерном рас- пределении по поверхности источника равно (Q/4ab)dξdη, где а, b – соответственно полудли- на и полуширина пластины. Напряженность внешнего поля в точке зеркала металла с координатой х следующая: d2Ex = kQ 4ab dξdη [H2 + (x + ξ)2 + η2] , где Н – расстояние между плоскостями; k = = 1 4πε0ε – постоянная Кулона. Путем интегрирования находим dEx = kQdξ 4ab ∫ —b +b dη [H2 + (x2 + ξ2) + η2] = = — ⎛⎜ ⎝ kQ 2ab ⎞ ⎟ ⎠ arctg ⎛⎝b/√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯H2 + (x2 + ξ2) ⎞⎠ √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯H2 + (x2 + ξ2) dξ. После вторичного интегрирования получим ρ(x) = 1 4π dEx dx = — 1 4π ⎛⎜ ⎝ kQ 2ab ⎞ ⎟ ⎠ d dx ∫ × × arctg ⎛⎝b/√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯H2 + (x2 + ξ2)⎞⎠ √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯H2 + (x2 + ξ2) dξ = — kQ 8πab ∫ —a +a F(x, ξ)dξ, где F(x, ξ) = d dx ⎡ ⎢ ⎣ arctg ⎛⎝b/√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯H2 + (x2 + ξ2) ⎞⎠ √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯H2 + (x2 + ξ2) ⎤ ⎥ ⎦ = = (x + ξ) [H2 + (x2 + ξ2)]2 × × ⎡⎢ ⎣ b + √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯H2 + (x2 + ξ2) arctg b √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯H2 + (x2 + ξ2) ⎤ ⎥ ⎦ . При компьютерном моделировании процесса в качестве исходных данных в системе СИ выбирали следующие значения параметров: H = 0,1 м; ρме = 7,0⋅10+3 кг/м3; Аме = 56 кг/кмоль; ε = 1; Ne = 2; а = 0,5 м; b = 0,25 м. Кроме того, в компьютерный модуль закладыва- лись следующие значения констант: ε0 = 8,85⋅10—12 Кл2/Н⋅м2; NA = 6,023⋅10+26 1 м3; eH = +1,6⋅10—19 Кл, где NА – число Авогадро; еH – заряд протона (иона водорода); ρме, Аме – соответственно плот- ность и масса 1 киломоля железа; Ne – количество электронов на внешней орбите этого элемента; ε0 – диэлектрическая постоянная; ε – проницаемость среды в вакуум—камере. Рис. 1. Распределение концентрации ионов водорода по межфаз- ной границе при напряженности электрического поля 1 (1) и 2 кВ/см (2) Рис. 2. Схема плоского жидкометаллического проводника и источника кулоновского поля в виде заряженной пластины: I – плоский жидкометаллический проводник и источник; II – источник внешнего поля; хОу, ξОη – системы координат, жест- ко связанные с проводником и источником 50 При этом безразмерная функция KЕ (рис. 1) определяется соотношением KE = (MH/eH)(ρKH√⎯⎯⎯⎯PH 2 ), где МН – масса иона водорода. Как следует из распределения концентрации Cn по межфазной поверхности вакуум—металл (рис. 3), в области проекции на эту поверхность границы электрода (источника внешнего поля) обнаружен максимум концентрации (сгусток) ионов водорода, размер которого возрастает с увеличением напря- женности этого поля (рис. 1) и степени ионизации атомов водорода (рис. 4). Непосредственная экспериментальная проверка соотношения (1) затруднительна из-за сложности экспериментального определения i. При косвенном подтверждении правильности этой аналитической формулы заметим, что при Е = = 0; KЕ = 1 соотношение (1) принимает классичес- кую форму закона Сивертса. Аналогичную форму оно принимает и при i = 0. Третьим критерием правильности формулы (1) является качественное экспериментальное подтверждение наличия макси- мума в распределении концентрации Сn по зеркалу металла, найденное расчетно-теоретическим путем. Результаты экспериментальных исследований под- твердили наличие сгустка свободных зарядов на по- верхности металла при его движении в электроста- тическом поле докритических напряженностей. В экспериментальном исследовании использова- ли установку для генерации электрического тока при вращении токопроводящей сферы в электро- статическом поле докритических напряженностей. Воспользуемся известным фактом классической электростатики. При внесении неподвижной токо- проводящей сферы в электростатическое (кулонов- ское) поле ее электроны проводимости вследствие электростатической индукции перераспределяются таким образом, что вблизи положительно заряжен- ного электрода на части указанной сферической по- верхности будет зафиксирован сгусток электронов. Согласно разработанной теоретической модели, если сфере придать вращение, то наличие и лока- лизация такого сгустка не изменится, но это воз- можно лишь при его перемещении относительно рассматриваемого проводника, что при замыкании электрической цепи позволит зафиксировать ток. При этом будет отмечена непрерывная последова- тельность перераспределений электронов проводи- мости, вызванная стремлением частиц к равновесию с внешним полем, приводящая к их перемещению относительно поверхности металлического провод- ника. В условиях электродинамического равнове- сия попадание в сгусток одних электронов сопро- вождается потерей других. Очевидно, что максимум концентрации электро- нов проводимости в сгустке будет возрастать при увеличении напряженности кулоновского поля. По- скольку сгусток неподвижен относительно элек- трода, то по отношению к поверхности токопрово- дящей сферы он будет перемещаться со скоростью ее вращения в противоположном направлении. Таким образом, значение генерируемого тока, если его природа определяется наличием, локализа- цией и перемещением сгустка свободных зарядов ме- таллического проводника, должно быть прямо про- порционально скорости вращения сферы и возрастать при увеличении напряженности внешнего поля. В эксперименте, показанном на рис. 5, использо- вали диэлектрическую сферу диаметром 0,25 м. Ее поверхность обклеена сегментами из алюминиевой фольги, которые играли роль проводников. В целях регистрации электрического тока сегменты (8 шт.) отделены друг от друга зазорами толщиной 0,003 м. В торцах сферы на изоляторах смонтированы две Рис. 3. Распределение безразмерной концентрации C ~ n атомов и ионов водорода на межфазной поверхности металл—вакуум при степени ионизации атомов 0 (1); 0,5 (2); 1,0 (3); E = 2,0 кВ/см Рис. 4. Зависимость максимальной концентрации C ~ n атомов и ионов водорода на межфазной поверхности металл—вакуум от степени ионизации i атомов при напряженности электрического поля 1 (1); 2 кВ/см (2) Рис. 5. Схема лабораторной установки по обнаружению сгустков свободных зарядов металлического проводника при его движе- нии в электрическом поле: 1 – диэлектрическая сфера; 2 – сегменты из алюминиевой фольги; 3 – мотор; 4 – электрод с токопроводящим слоем; 5 – гальванометр; 6 – токосъемные щетки 51 токосъемные щетки, соединяющие соседние сегмен- ты с гальванометром М1032. В нижней части сферы на расстоянии 0,01 м на специальной подставке установлен электрод, внеш- няя сторона которого имеет токопроводящий слой, на который подавался положительный заряд от внешне- го источника. Вращение сферы осуществлялось мо- тором. При ее вращении сгусток электронов проводи- мости рассеивался на границах сегментов в сторону торцов. Электроны сгустка проходили через гальва- нометр, который фиксировал постоянный ток [6]. На рис. 6 отражена зависимость значения гене- рируемого тока от скорости вращения сферы и на- пряженности внешнего поля. Таким образом, экспе- римент полностью подтвердил прогноз. Увеличение концентрации химически реагирую- щих частиц ведет к повышению скорости химичес- кой реакции [7]. Так, при Е = 1кВ/см увеличение скорости реакции молизации 2[H] = {Н2} составит 2,5 раза, а при Е = 2 кВ/см – примерно 6 раз. В результате фундаментальных (теоретического и лабораторного) исследований вскрыты научные предпосылки интенсификации рассматриваемой технологии, если молизационное звено участвует в лимитировании массообменного процесса [8]. Выводы 1. Можно считать теоретически обоснованным и экс- периментально подтвержденным эффект интенси- фикации кинетического (молизационного) звена массообменного процесса внепечной дегазации жидкой стали от водорода комплексным воздейст- вием вакуума, сосредоточенной продувки инертным газом и электростатического поля умеренных (до- критических) напряженностей (по данным Мюлле- ра для стали Екр ~ 3...18 кВ/см). 2. Механизм эффекта состоит в формировании этим полем области повышенной концентрации (сгустка) ионизированной части атомов водорода, находящихся в состоянии непрерывного перерас- пределения при перемешивании расплава. Сгусток локализован в области проекции границы электрода (источника кулоновского поля) на межфазную по- верхность вакуум—металл. 3. Проведено обобщение закона квадратного корня Сивертса, что позволило расширить диапазон его действия. В силу трудностей непосредственного измерения степени ионизации атомов водорода в расплаве стали справедливость разработанного обобщающего соотношения проверялась косвенно по трем критериям. 1. Явойский В. И., Баталин Г. И. Удаление водорода из металлов в электрическом поле // Сталь. – 1954. – № 6. – C. 5—6. 2. Мюллер Э. В. Автоионизация и автономная микроско- пия // Успехи физических наук. – 1962. – № 37. – C. 481—552. 3. Кайбичев А. В., Лепинский Б. М. Рафинирование жид- ких металлов и сплавов в электрическом поле. – М.: Наука. – 1983. – 120 с. 4. Романов А. Н. Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических мате- риалов. – М.: Наука, 1990. – 142 с. 5. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Краткий курс теоретичес- кой физики. Электродинамика. – М.: Наука, 1969. – 272 с. 6. Дюдкин Д. А., Захаров Н. И. Электродинамическая индук- ция и проблема ее приложения к процессам с движением металла в электростатическом поле // Металлургия и металлурги 21 века: Междунар. науч.-техн. конф. (Мос- ква, май 2001 г.). – М.: Институт стали и сплавов, 2001. – С. 500—505. 7. Харлашин П. С. Теоретические основы современных ста- леплавильных процессов. – Киев: Вищ. шк. – 2008. – 308 с. 8. Захаров Н. И., Троцан А. И., Овдиенко А. А. Об исполь- зовании электростатического поля в технологии внепечной дегазации стали // Процессы литья. – 2009. – № 1. – С. 8—11. Revealed was the effect of intensification of kinetic stage of the process of mass transfer at degassing of molten steel from hydrogen by a complex vacuum effect, blow by argon and electrostatic field (0 << E << 3...18 kV/cm). This field forms a region of increased concentration of hydrogen ions at the vacuum-metal surface, localized in the vicinity of projection of electrode boundary on this surface. The effect was theoretically grounded using conventional electric dynamics and tested under the laboratory conditions. Generalized was the correlation of Siverts law by introduction of intensity of electrostatic field and level of hydrogen atoms ionization into it. The correlation is qualitatively coordinated with the results of laboratory investigations. It can be used in computer modeling of convective mass transfer of hydrogen in molten steel for a new type of external effect on the metal. Ref. 8, Figures 6. K e y w o r d s : steel; hydrogen; degassing; vacuum; argon blow; electrostatic field; computer modeling Поступила 22.08.2013 Рис. 6. Зависимость тока I от скорости вращения vвр и напря- женности кулоновского поля 2 (1); 10 Вт/м (2) 52

Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле

Репозитарії

Схожі ресурси