0,29
0,16
0,14
Щ3
0,30
0,17
0,13
Однако это допустимо исключительно за счет удлинения щели, поскольку увеличение ее ширины ухудшает дробление газовой струи на пузырьки. Удлинение щели, в свою очередь, ограничено внутренним диаметром трубы – 33 м.. Отсюда и недостаточная эффективность продувки через щелевидную фурму.
В мартеновском цехе ОАО «Уральская Сталь» пытались устранить этот недостаток, придав соплу синусоидальную форму. Однако и это усовершенствование не позволило полностью решить проблему, поскольку площадь сечения сопла – около 55 мм2 все-таки осталась недостаточной.
Исходя из вышеизложенного была предложена конструкция фурмы с кольцевым соплом. В этом варианте при сохранении прежней толщины газовой струи – до 1,5 мм площадь сечения составила 95 – 140 мм2, что в 2-3 раза больше по сравнению с плоским щелевым соплом. Поскольку толщина так называемого «газового кольца» не возросла, то диспергирование газовой струи не должно было ухудшиться. Также не должна была снизиться эффективность механизма кавитационного зарожденя пузырьков.
Однако результаты опытно-промышленной компании, проведенной для сравнительной оценки эффективности фурм с плоским и кольцевым щелевым соплом, показали, что фурмы с кольцевым соплом неприемлемы для продувки расплава. На сердвевине наконечника очень быстро формировался «настыль», который перекрывал щелевое сопло и резко изменял характер продувки, что в свою очередь сказывалось на эффективности рафинирования стали. Поэтому в технологическую практику внепечной обработки стали инертным газом в струйно-кавитационном режиме (СКР) были внедрены фурмы с наконечниками, имеющими плоское щелевое сопло.
Опыт промышленного применения этих фурм на ОАО «Уральская Сталь в 1986-1991 гг. показал, в свою очередь, что возможности СКР ограничены: хотя продувка расплава аргоном в ковше через погружную фурму со щелевым соплом позволила несколько улучшить качество стали, она не оказала существенного влияния на выравнивание химического состава металла во всем объеме ковша, удаление из стали неметаллических включений, ее дегазацию и т.д.
Таким образом, производственные испытания в дополнении к данным лабораторных исследований объективно свидетельствуют о том, что максимальное повышение эффективности ковшевой обработки стали достижимо при продувке расплава нестационарным потоком инертного газа с амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) пульсаций дутья, охватывающими следующие диапазоны частот:
- инфразвуковой (4 – 10 Гц), в котором интенсифицируются массообменные процессы в объеме ванны:
- звуковой (300 – 500 Гц), в котором интенсифицируется дробление газового потока на пузыри, перемешивание металла непосредственно в зоне продувки и увеличивается поверхность контакта расплав-газ, на которой протекают процессы десорбции растворенных газов.
На основании этих результатов проводилась дальнейшая разработка дутьевого
режима обработки стали нестационарными струями инертного газа, конструировались и изготавливались фурмы для его реализации.
3.2 Интенсификация перемешивания металла и повышение поверхности контакта расплав - газ
Десорбция водорода и азота из жидкой фазы стали протекает на поверхности раздела с газообразной фазой. Такой поверхностью может являться свободная внешняя поверхность жидкого металла (незащищенная шлаком поверхность жидкого металла в вакуум-камере). Процессу десорбции газа с поверхности будет предшествовать перенос растворенных в металле атомов газа в молекулы на этой поверхности. Скорость переноса десорбирующихся молекул газа в объеме газовой фазы исключительно высоко и в промышленных условиях не может влиять на скорость всего процесса в целом. Поэтому процесс десорбции водорода и азота из стали можно представить себе состоящим из двух кинетических стадий:
- поступление растворенных в металле газов из объема металла на границу его раздела с газовой фазой;
- молизации растворенных атомов газа на поверхность раздела и их переход в газовую фазу.
Скорость всего процесса в целом будет лимитировать из кинетических стадий, скорость которой минимальна. Если скорость второй стадии (собственно десорбция молекул газа с поверхности) значительно превышает скорость массопереноса растворенных атомов газа из объема жидкости на внешнюю поверхность, процесс протекает в диффузионной области и описывается уравнением /30/.
(36)
где α – коэффициент скорости массопереноса растворенного вещества, см/с;
F – площадь поверхности раздела газ-металл;
Vмет – объем металла;
(С-Спов) – градиент концентрации, в случае десорбции измеряемый разностью
между средней концентрацией растворенного вещества в объеме
жидкости и на ее поверхности.
После интегрирования получим:
(37)
где Со – начальная концентрация газа в металле
Концентрация растворенного в поверхностном слое газа, в этом случае, будет приближаться к равновесному с его парциальным давлением в газовой фазе, и при значительном разрежении она стремится к нулю, отсюда
(38)
При относительно больших значениях удельной поверхности процесс дегазации протекает в диффузионной области и контролируется скоростью массопереноса в объем жидкого металла. Поэтому скорость дегазации металла в вакууме будет определяться интенсивностью его перемешивания, т.е. величиной коэффициента скорости массопереноса α,, и удельной поверхностью металла.
Процесс дегазации стали имеет колебательную природу и характеризуются собственной частотой. Протекание этого процесса можно ускорить или замедлить, т.е. изменять в желательном направлении, а следовательно, управлять технологическими режимами и повысить эффект дегазации стали путем введения в резонанс желательных процессов. Реальным способом передачи расплаву в ковше колебаний с заданным набором частот является продувка его пульсирующим (нестационарным) потоком газа, вместо используемого в настоящее время в практике непрерывного дутья.
Пульсации газового потока вызывают колебания пузыря, когда последний периодически изменяет свою форму от сферической к эллипсоидной и обратно.
В результате этих колебаний увеличивается площадь межфазной границы газ-металл, что позволяет ускорить протекающие в нем процессы, к которым относится и дегазация металла. Следовательно, повышение эффективности дегазации стали в процессе продувки ее пульсирующим потоком инертного газа при внепечной обработке обусловлено в основном увеличением поверхности контакта газ-расплав, которое вызвано колебанием газовых пузырьков и диспергированием струи продуваемой газом на пузырьки меньшего размера.
Другой важной особенностью является то, что при пульсирующем режиме продувки газовые пузырьки поднимаются в ковше более широким фронтом и распределены по сечению ковша более равномерно /15/.
Увеличение площади поверхности раздела фаз при пульсирующей продувке существенно зависит от природы жидкости, ибо при продувке спиртов увеличение ее незначительно, в то время как при продувке ртути поверхность пузырей увеличивается в 1,7 раза (частота колебания 3,5 кГц).
Параметром, определяющим склонность жидкости к образованию пузырей, служит критический радиус с пузыря, при котором наступает его деление /31/.
(38)
где δ – поверхностное натяжение расплава
u – скорость всплывания пузыря
ρ, ρг – плотности жидкости и газа соответственно
Кf – числовой коэффициент.
Постановка величины возрастания поверхности раздела фаз при частоте пульсации 3,5 кГц в соответствии со значением критического радиуса пузыря для данной жидкости описывается уравнением /32/
(39)
Найдем акр для железа
Соответственно:
- ртути акр = 2,5 см;
- для изоамилового спирта акр = 0,8 см;
- для этилового спирта акр = 0,75 см.
Величина возрастания поверхности раздела при частоте пульсации 600 Гц
Рисунок 3 – Зависимость относительного увеличения поверхности раздела газ – металл от размера устойчивого в данной жидкости пузыря
Таким образом экстраполяция полученных для различных жидкостей данных по зависимости относительной поверхности контакта продуваемого газа и жидкости от частоты пульсации газового потока на железо-углеродистый расплав показала, что продувка его пульсирующим потоком аргона с частотой 3,5 кГц увеличивает общую поверхность газовых пузырей в 2,5 раза, т.е. позволяет значительно ускорить процессы дегазации стали при ковшевой обработке.
3.2.1 Технические средства для обеспечения пульсирующего дутья
Продувка производится на сталеразливочном стенде через погружную фурму типа ложный стопор. Для обеспечения пульсирующего дутья необходимо ввести в фурму газодинамический модуль.
В основе действия газодинамических устройств для создания пульсирующих или нестационарных газовых потоков лежит принцип возникновения отрывных течений или застойных зон, возникающих при прохождении газа через канал переменного сечения или обтекания им какого-либо препятствия. Давление газа, накапливающегося в застойных зонах повышается, в результате чего, прорываясь из этих зон, он периодически перекрывает основной поток, вызывая его пульсации. При определенном сочетании геометрической формы и размеров обтекаемых тел или каналов, а также давления и расхода газа, можно достаточно в широких пределах устанавливать заданные частоту и амплитуду пульсации газового потока.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19
