Mechanizm wymiany masy w procesie pneumatycznego nawglania ciekłych stopów elaza

Transkrypt

1 AMME th Mechanizm wymiany masy w procesie pneumatycznego nawglania ciekłych stopów elaza K. Janerka Zakład Odlewnictwa Instytutu Materiałów Inynierskich i Biomedycznych Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki lskiej, Gliwice, ul. Towarowa 7, Polska W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczce pneumatycznego nawglania ciekłych stopów elaza w piecach elektrycznych łukowych. Omówiono mechanizm przebiegu procesu nawglania oraz zasig i kształt strumienia dwufazowego wprowadzanego do orodka ciekłego. 1. WPROWADZENIE. Nowoczesne metody produkcji stopów elaza to obecnie nie tylko przetapianie złomu stalowego lub surówki i uzupełnianie składu chemicznego elazostopami. Poszukuje si cigle nowych i udoskonala znane ju materiały, wprowadza si szereg rozwiza intensyfikujcych przebieg procesów metalurgicznych, dc jednoczenie do obnienia kosztów wytwarzania. Do takich metod naley niewtpliwie wdmuchiwanie sproszkowanych materiałów w strumieniu gazu nonego do kpieli metalowej. Rozdrobniony reagent w połczeniu z mieszaniem ciekłego metalu przez gaz nony powoduje, e uzyskuje si prdkoci przebiegu procesu i stopie przyswojenia wdmuchiwanych czstek nieosigalny metodami tradycyjnymi. Metoda ta znalazła zastosowanie do nawglania ciekłych stopów elaza w piecach elektrycznych łukowych oraz wprowadzania modyfikatorów przy zalewaniu form. W Zakładzie Odlewnictwa prowadzone s od kilku lat badania w zakresie nawglania ciekłych stopów elaza metod pneumatyczn [1]. Obejmuj one eksperymenty w warunkach laboratoryjnych, które przyczyniły si do wielu zastosowa przemysłowych [2, 3] jak równie badania modelowe majce na celu wyjanienie zjawisk zachodzcych przy wprowadzaniu strumienia dwufazowego do kpieli metalowej [4, 5]. 2. SZYBKO NAWGLANIA Analizujc przebieg reakcji metalurgicznych konieczne jest rozpatrzenie szybkoci przebiegu reakcji w celu okrelenia czasu dochodzenia układu w poblie stanu równowagi lub przynajmniej w celu poznania czynników, które mog sprzyja jego przyspieszeniu. Przy

2 404 K. Janerka obecnej znajomoci bardzo skomplikowanego rzeczywistego przebiegu reakcji czsto jest moliwe tylko ustalenie czynników, które powoduj jej przyspieszenie. Nawglanie jest procesem rozpuszczania wgla ze stałego nawglacza w ciekłym elazie. Jest wic procesem heterogenicznym, który składa si z etapów nastpujcych po sobie w okrelonej kolejnoci a mianowicie [6]: wydzielanie wgla z nawglacza i powstawanie granicznej warstwy przy powierzchni nawglacza, dyfuzyjne przemieszczanie wgla poprzez warstw graniczn przyległ do nawglacza, doprowadzenie wgla wgłb ciekłego metalu. Nawglacz C% Warstwa dyfuzyjna Metal Rys. 1. Profil stenia wgla w metalu Decydujcy wpływ na szybko rozpuszczania w układzie heterogenicznym ma szybko najpowolniejszego procesu, którym w rozpatrywanym przypadku jest dyfuzja wgla poprzez graniczn warstw przyległ do nawglacza. Rozwaajc przebieg zjawisk wymiany składników midzy dwoma fazami wykorzystuje si czsto model warstw granicznych Nernsta. W wielu opracowaniach cytuje si wzór obrazujcy wpływ niektórych czynników na szybko zmiany stenia składników reagujcych faz [7] d C d t = D F c max max V ( C - C) = k c ( C - C) δ (1) gdzie: C - stenie wgla w ciekłym metalu w %, C max - stenie wgla odpowiadajce stanowi nasycenia w danych warunkach w %, D c - współczynnik dyfuzji w m 2 s -1, F -powierzchnia styku faz w m 2, V - objto fazy, w której zachodzi zmiana zawartoci składnika w m 3, δ - grubo przypowierzchniowej warstwy dyfuzyjnej w m, k c -współczynnik wymiany masy midzy nawglaczem a naweglanym metalem (stała nawglania). Jeeli nawglanie przebiega w warunkach zapewniajcych niezmienno współczynnika k c w czasie to prdko nawglania stopu w danym momencie jest tym wiksza im wiksze jest stenie nasycenia C max, które w technicznych stopach elaza z wglem maleje z obnianiem temperatury, ze wzrostem zawartoci krzemu i fosforu. Prdko nawglania ronie ze wzrostem wartoci współczynnika k c. W przypadku gdy nawglacz zawiera wiksz ilo popiołu i nawglanie odbywa si w warunkach uniemoliwiajcych jego usuwanie z powierzchni nawglacza, wówczas w miar rozpuszczania si wgla zmniejsza si powierzchnia nawglacza czystego, wskutek jego zuywania si.

3 Mechanizm wymiany masy w procesie pneumatycznego nawglania 405 Analizujc wzór (1), mona zauway, e na szybko zachodzenia reakcji maj równie wpływ dalsze czynniki: szybko dyfuzji i grubo przypowierzchniowej warstwy dyfuzyjnej. Szybkoci dyfuzji składników ciekłych faz s małe, a drogi dyfuzji czsto do znaczne. Moliwoci przyspieszenia dyfuzji przez zmian temperatury, ze wzgldu na ograniczony zakres zmian temperatur procesów metalurgicznych, s nieznaczne. Mona natomiast dy do zmniejszenia dróg dyfuzji przez nadanie ruchu ciekłej fazie, w której i midzy któr przebiega wymiana składników (rys warstwa dyfuzyjna). Doprowadzenie reagujcych składników w ssiedztwo granic faz i odprowadzenie produktów reakcji z miejsca jej przebiegu odgrywaj istotn rol w szybkoci całego procesu. Due znaczenie dla transportu materiałów w ciekłym metalu maj równie zjawiska konwekcji. Dziki nim przemieszczanie materiałów odbywa si wielokrotnie szybciej ni za pomoc dyfuzji. Chocia ostatni etap ruchu przez graniczn warstw przypowierzchniow odbywa si zgodnie z prawami dyfuzji, to jednak intensywno ruchu ciekłej fazy wywiera istotny wpływ na grubo tej warstwy. W miar wzrostu szybkoci ruchu grubo dyfuzyjnej warstwy przypowierzchniowej wyranie maleje. Jest ona funkcj szybkoci ruchu ciekłej fazy i jej lepkoci kinematycznej. Std konieczno poznania obszarów strumienia oraz ruchu czstek i pcherzy. Obliczenia współczynnika wymiany masy mona prowadzi stosujc liczby bezwymiarowe Fouriera, Schmidta, Sherwooda, Grashofa, Pécleta, Stantona. Jednak taka analiza zostanie przeprowadzona po zakoczeniu załoonego etapu bada. 3. STRUMIE DWUFAZOWY W ORODKU CIEKŁYM. Z uwagi na złoono zjawisk wystpujcych w procesie wprowadzania czstek w strumieniu gazu do ciekłego metalu, wiele z nich nadal pozostaje niewyjanionych. Dlatego czsto prowadzone s badania modelowe. W niniejszym artykule podjto równie prób okrelenia wpływu parametrów pneumatycznego przemieszczania oraz gstoci i rednicy wdmuchiwanych czstek na zasig strumienia w orodku ciekłym. Z uwagi na zakres przeprowadzonych bada w pracy nie analizowano jak mona uzyska głboko przenikania strumienia dwufazowego w ciekłym metalu. To wymaga przeprowadzenia dodatkowych eksperymentów na innej cieczy modelowej i przy zastosowaniu analizy wymiarowej (liczb Re, Fr, We, Nj, Ma) mona podj prób obliczenia zasigu strumienia. Do bada wdmuchiwania zastosowano proszki polietylenowe, polistyrenowe oraz nasiona o okrelonej ziarnistoci, obliczonej rednicy zastpczej ziaren (d c ) i zmierzonej gstoci (ρ). Łcznie przeprowadzono 68 eksperymentów, w których uzyskano nastpujce wartoci parametrów pneumatycznego wdmuchiwania: natenie przepływu gazu m g = 1,075 3, kg/s, natenie przepływu materiału m c = 8,6 35, kg/s, prdko gazu na wylocie z lancy w = 29,6 85,6 m/s, stenie masowe mieszaniny µ = 4,06 18,67 kg/kg. W wyniku tak szerokiego zakresu zmian poszczególnych parametrów uzyskano głboko przenikania strumienia dwufazowego w zakresie 0,124 0,444 m. Obraz strumienia dla czci eksperymentów przedstawiono na rys. 2 4.

4 406 K. Janerka m c = 0,01065 m g = 0, m c = 0,02234 m g = 0, Rys.2. Obraz strumienia dwufazowego przy wdmuchiwaniu czstek o rednicy d c =1,2 mm i gstoci ρ=755 kg/m 3. m c = 0,01165 m g = 0, m c = 0,02667 m g = 0, Rys. 3. Obraz strumienia dwufazowego przy wdmuchiwaniu czstek o rednicy d c =1,2 mm i gstoci ρ=626 kg/m 3 m c = 0,01446 m g = 0, m c = 0,03158 m g = 0,00221 Rys.4. Obraz strumienia dwufazowego przy wdmuchiwaniu czstek o rednicy d c =0,39 mm i gstoci ρ=626,9 kg/m 3

5 Mechanizm wymiany masy w procesie pneumatycznego nawglania 407 Na podstawie wyników bada przeprowadzono analiz statystyczn w celu okrelenia wpływu rednicy zastpczej czstki (d c ) i jej gstoci (ρ) oraz natenia przepływu gazu (m g ) i materiału (m c ) na głboko przenikania strumienia (L). Uzyskano nastpujce równanie: L = 0,209 4,28*10 2 * d c 2,44*10 4 * ρ + 6,89 * m + 54,02 * m (2) c g przy nastpujcych wartociach parametrów statystycznych: L = 0,268 F = 172 R = 0,961 S = 7,7 % α = 0,005 gdzie: L - warto rednia, F - test Fishera, α - poziom ufnoci, R - współczynnik korelacji wielokrotnej, S odchylenie standardowe w [%] Z uzyskanej zalenoci wynika, e wzrost zasigu strumienia dwufazowego mona uzyska przez zwikszenie natenia przepływu gazu i materiału. Czstki o wikszej rednicy zastpczej i gstoci bd wnika do ciekłego metalu na mniejsz odległo. Wynika to zapewne z faktu, i ziarna mniejsze i lejsze mog uzyska w trakcie przemieszania wiksze prdkoci (wiksze wartoci współczynnika polizgu) a w konsekwencji wiksz energi kinetyczn, która zapewni lepsze przenikanie strumienia. Podobne spostrzeenia nasuwaj si przy obserwacji obrazu strumienia przedstawionego na rys Dodatkowo widoczne jest przy wdmuchiwaniu drobnych i lejszych czstek, e strumie wylotowy posiada mniejszy kt rozwarcia. Na rys 5. przedstawiono hipotetyczny obraz strumienia dwufazowego. Wyróni w nim mona pewne charakterystyczne strefy. Strefa I bezporednio na wylocie lancy. W obszarze tym powstaj due pcherze gazowe o nieregularnych kształtach. Ich wielko i ilo jest zalena od przepływu gazu. Przy wikszych nateniach znacznie szybciej bdzie zachodziło ich odrywanie od krawdzi lancy, rozpad i powstawanie nowych. Prawdopodobnie zostan w nich zamknite czstki nawglacza, które bd miały kontakt z ciekłym metalem po pkniciu pcherza. Moe to jednak nastpi tu pod lub na powierzchni lustra metalu. Wymiana masy nastpi wówczas na wskutek ruchu metalu i pływajcych na powierzchni ziaren nawglacza. Jest to zjawisko niekorzystne i mona je minimalizowa zwikszajc prdko gazu na wylocie z lancy. Rys. 5. Kształt i obszary strumienia dwufazowego, 1 czstki nawglacza, 2 pcherze gazowe.

6 408 K. Janerka Strefa II to obszar bezporedniego zasigu strumienia. Składa si ona przede wszystkim z czstek materiału nawglajcego, gdy tylko one posiadaj na tyle du energi aby przenikn do ciekłego metalu na tak odległo. Porównujc wielko tych stref na rys. 2, 3 i 4 mona zauway rónice zarówno w długoci jak i kształcie. Z równania 2 wynika, e zwikszenie tej strefy jest moliwe przez zmniejszenie rednicy wdmuchiwanych czastek i wzrost parametrów przepływu strumienia dwufazowego. Naley przypuszcza i proces wymiany masy bdzie w tej strefie najbardziej intensywny. Strefa III to obszar czstek majcych bezporedni kontakt z ciekłym metalem. Jego powierzchnia bdzie najwiksza i naley przypuszcza, e decyduje on o skutecznoci procesu. Wielko tego obszaru jest konsekwencj powstawania strefy II. Strefa IV to pcherze gazowe o kształcie kuli, elipsoidy lub czaszy kulistej. Zalene to bdzie od miejsca powstania pcherza i jego wielkoci. Z pewnoci przesuwajc si w kierunku powierzchni bdzie malało cinienie hydrostatyczne, co spowoduje ich wzrost. W przypadku ciekłego metalu dodatkowo bd si one nagrzewały i zwikszały swoj objto. Ich pkanie nastpi tu pod lub na powierzchni lustra metalu i cz czstek zostanie tam wyniesiona. 4. PODSUMOWANIE Przedstawione wyniki bada stanowi fragment zaplanowanego cyklu badawczego. Dalsze eksperymenty s w trakcie realizacji. Na podstawie dotychczas wykonanych bada mona wywnioskowa, e wdmuchiwanie drobnych czstek jest bardzo korzystne nie tylko z punktu widzenia metalurgicznego (dua powierzchnia styku reagujcych faz), ale równie z uwagi na uzyskiwanie znacznie wikszych zasigów przenikania strumienia dwufazowego i zwikszenia przez to strefy bezporedniego oddziaływania metal nawglacz. Badania zrealizowano w ramach projektu badawczego Nr 4 T08B finansowanego przez KBN. LITERATURA 1. K. Janerka, Praca doktorska, Gliwice M. Kanafek, D. Homa, K. Janerka K, Przegld Odlewnictwa, 1999, nr 7 3. J. Kokoszka, J. Markowski, K. Janerka, J. Jezierski, D. Homa, W. Chmielorz, Krzepnicie Metali i Stopów, PAN Katowice, v.1, nr 41, K. Janerka, J. Gawroski, M. Cholewa, J. Szajnar, H. Szlumczyk, J. Jezierski, Krzepnicie metali i Stopów, PAN Katowice, v. 1, nr 39, J. Gawroski, K. Janerka, M. Cholewa, J. Szajnar, Acta Metallurgica Slovaca, v.5, S. Tochowicz, Biblioteka Metalurga - Wytapianie stali w piecach elektrycznych, Wyd. lsk, R. Krzeszewski, Kinetyka rozpuszczania wgla w ciekłym elazie, Prace Inst. Odl., nr 1-3, Kraków 1963