Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика

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 intera...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Процессы литья
Date:	2013
Main Author:	Охотский, В.Б.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2013
Subjects:	Получение и обработка расплавов
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/131114
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2013. — № 1. — С. 22-28. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-131114
record_format	dspace
spelling	Охотский, В.Б. 2018-03-13T19:33:21Z 2018-03-13T19:33:21Z 2013 Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2013. — № 1. — С. 22-28. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/131114 669.18 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. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Получение и обработка расплавов Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика
spellingShingle	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика Охотский, В.Б. Получение и обработка расплавов
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
author	Охотский, В.Б.
author_facet	Охотский, В.Б.
topic	Получение и обработка расплавов
topic_facet	Получение и обработка расплавов
publishDate	2013
language	Russian
container_title	Процессы литья
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
format	Article
description	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.
issn	0235-5884
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/131114
citation_txt	Парофазная десульфурация металла. Гидродинамика / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2013. — № 1. — С. 22-28. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT ohotskiivb parofaznaâdesulʹfuraciâmetallagidrodinamika
first_indexed	2025-11-25T01:28:09Z
last_indexed	2025-11-25T01:28:09Z
_version_	1850503788316590080
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

Institution

Similar Items