MODELOWANIE FIZYCZNE PROCESU WDMUCHIWANIA PROSZKÓW DO CIEKŁEGO METALU

Transkrypt

1 14/40 Solidifiation of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 40 Krzepnięie Metali i Stopów, Rok 1999, Roznik 1, Nr 40 PAN Katowie PL ISSN MODELOWANIE FIZYCZNE PROCESU WDMUCHIWANIA PROSZKÓW DO CIEKŁEGO METALU JANERKA Krzysztof, GAWROŃSKI Józef, CHOLEWA Mirosław, SZAJNAR Jan, SZLUMCZYK Henryk, JEZIERSKI Jan Katedra Odlewnitwa Wydziału Mehaniznego Tehnologiznego, Politehnika Śląska Gliwie Towarowa 7, POLAND STRESZCZENIE Wdmuhiwanie sproszkowanyh materiałów do iekłego metalu jest metodą pozwalająą na intensyfikaję prowadzonego proesu metalurgiznego (nawęglanie, wprowadzanie dodatków stopowyh, ząstek dyspersyjnyh w elu otrzymania kompozytu). Bardzo ważnym zagadnieniem jest poznanie oddziaływania strumienia dwufazowego w iekłym metalu. Szzególnie istotne znazenie ma głębokość przenikania strumienia w zależnośi od sposobu wprowadzenia lany oraz natężenia przepływu gazu i materiału. Jedyną drogą umożliwiająą określenie tyh parametrów jest przeprowadzenie badań modelowyh. Stąd w pray przedstawiono zagadnienia modelowania fizyznego wdmuhiwania ząstek o różnej gęstośi, położeniu lany i zmiennyh parametrah strumienia dwufazowego do wody. Stanowią one podstawę do określenia optymalnyh parametrów wdmuhiwania ząstek zbrojąyh do osnowy kompozytu wytwarzanego na bazie stopów aluminium. 1. Wprowadzenie Proes wdmuhiwania ząstek zbrojąyh do osnowy kompozytu jakim jest iekłe aluminium powinien zapewniać: Stabilne parametry strumienia dwufazowego w trakie realizaji eksperymentu (natężenie przepływu gazu i materiału), Równomierne rozprowadzenie ząstek dyspersoidu w ałej objętośi iekłego metalu, Odpowiednią dynamikę strumienia dwufazowego dla zapewnienia jego przenikania wgłąb kąpieli metalowej przy jednozesnym ogranizeniu natężenia przepływu gazu w elu ogranizenia rafinaji i wypływania ząstek na powierzhnię,

2 134 Krótki zas wdmuhiwania dla ogranizenia spadku temperatury iekłego metalu. Powyższe zynniki wymagają analizy harakterystyki pray urządzenia nadawzego jak również wizualizaji strumienia dwufazowego w ośrodku iekłym, o jest przedmiotem niniejszej pray. Jej głównym elem jest określenie optymalnego zakresu pray urządzenia i sposobu wprowadzania lany w aspekie uzyskiwania kompozytu dyspersyjnego. 2. Stanowisko badawze Stanowisko badawze zostało skonstruowane na bazie podajnika komorowego transportu pneumatyznego wysokoiśnieniowego - rys.1. Składa się ono z następująyh układów: nadawzego A, zasilania gazem nośnym B i wprowadzania proszku C [1, 2, 3]. Rys. 1. Stanowisko badawzo pomiarowe Fig. 1. Researh stand Układem nadawzym jest zbiornik iśnieniowy (1) o pojemnośi 0,01 m 3. W dolnej zęśi znajduje się zawór obrotowy (8); stanowiąy jednoześnie komorę mieszania; pozwalająy na odinanie dopływu materiału do ruroiągu transportowego. Posiada on kształt dyszy Lavala z wydrążonym gniazdem, w którym umieszzona jest wymienna dysza regulayjna. Zmiana średniy dyszy pozwala na sterowanie natężeniem przepływu powietrza. Przy otwartym zaworze materiał zsypuje się do ruroiągu i jest unoszony przez strugę gazu. Obrót zaworu o ok. 90 powoduje odięie dopływu proszku do ruroiągu. W górnej zęśi zbiornika znajduje się zawór dzwonowy (9). Nadiśnienie w zbiorniku, mająe wpływ na wydajność urządzenia regulowane jest zaworem redukyjnym (4). Do pomiaru nadiśnienia w poszzególnyh punktah stanowiska zamontowano manometry sprężynowe. Układ zasilania zynnikiem nośnym może składać się ze sprężarki lub butli z gazem obojętnym (np. argonu), rotametru do pomiaru natężenia przepływu gazu (5), oraz reduktora do regulaji nadiśnienia zasilania (3), wpływająego na natężenie przepływu gazu. Układ bezpośredniego wprowadzania proszków do iezy

3 135 składa się z przewodów transportowyh (2) zakońzonyh laną (6) wprowadzaną do zbiornika ylindryznego (7) wykonanego ze szkła organiznego. Przebieg proesu rejestrowano na kliszy aparatu fotografiznego (10). Proes wdmuhiwania obejmuje szereg zynnośi związanyh obsługą urządzenia. Po wsypaniu porji materiału do zbiornika iśnieniowego, następuje zamknięie zaworu dzwonowego i doprowadzenie powietrza nad materiał i do komory mieszania, skąd jest unoszony przez gaz nośny, a następnie przewodami transportowymi przemieszzany do lany. Poprzez lanę, mieszanina gazu i materiału, jest wprowadzana do iezy. 3. Parametry strumienia dwufazowego w ośrodku iekłym Dla opisania przemieszzania strumienia dwufazowego, w trakie badań posługiwano się poniższymi zależnośiami, umożliwiająymi oblizenie: Natężenie przepływu gazu to ilość gazu przepływająego przez dany odinek na jednostkę zasu. Może być określone jako masowe lub objętośiowe. - masowe m g wyrażone jest w jednostkah masy kg/s, - objętośiowe V N jest w jednostkah objętośi m 3 /s, Prędkość gazu na wyloie lany w = m& g A ρ (1) gdzie: A pole powierzhni wylotu lany, ρ - gęstość powietrza na wyloie z lany. Natężenie przepływu materiału transportowanego (wydajność) określa się poprzez stosunek masy transportowanego materiału m w zasie t stabilnej pray instalaji. Stężenie masowe mieszaniny określone przez stosunek natężenia przepływu materiału do natężenia przepływu gazu w ruroiągu. Przy wprowadzaniu strumienia gazu lub mieszaniny gazu z proszkiem do kąpieli metalowej wyróżnia się dwa stany przepływu, a mianowiie: barbotaż i przepływ strumieniowy. Barbotaż harakterystyzny dla małyh natężeń przepływów materiałów i prędkośi wylotowyh z lany. Transport masy odbywa się jedynie na powierzhni pęherzy, które ulegają deformaji i rozpadowi dopiero pod samą powierzhnią iekłego ośrodka, do którego są wprowadzane. Przepływ strumieniowy ma miejse przy dużyh natężeniah przepływu materiału i dużyh prędkośiah wylotowyh z lany. Deformaja i rozpad dużyh pęherzy występuje już na wyloie z lany przez o zwiększa się powierzhnia reakji iezy z wprowadzanym stałem materiałem. Drugi przypadek jest bardziej korzystny od barbotażu, tak wię należy dążyć do osiągnięia na wyloie z lany parametrów harakterystyznyh dla przepływu strumieniowego.

4 136 Jedną z prób rozgranizenia przepływu strumieniowego od barbotażu podjęli Farias i Robertson [4] przez wprowadzenie do analizy harakteru strumienia, współzynnika przepływu N E : N E m& h ρ g 0 (2) =, 75 m& gdzie: m masowe natężenie przepływu proszku w kg/s, m g masowe natężenie przepływu gazu w kg/s, d średnia wdmuhiwanej ząstki w m., ρ g gęstość gazu na wyloie z lany w kg/m 3, ρ l gęstość iekłego metalu w kg/m 3, h wskaźnik wielkośi pęherzy Po analizie badań stwierdzono iż dla N E < 3 zahodzi zjawisko barbotażu, gdy N E > 4,5 przepływ strumieniowy. Jeśli wynik oblizeń będzie w zakresie 3 < N E < 4,5 to zahodzi stan przejśiowy. Kimura,[5] wprowadził do analizy współzynnik strumienia N j wyrażony zależnośią: g d ρ l N j 2 m& w ρ g = 1,5 m& w d ρ g l (3) gdzie: w, w odpowiednio prędkość gazu i ząstek na wyloie z lany w m/s. Określił on, że dla N j poniżej 1000 strumień będzie wykazywał ehy barbotażu, natomiast dla N j > 1500 jednolity strumień zapewnia dużą penetraję w głąb kąpieli metalowej. Podobnie jak u Fariasa i Robertsona, także Kimura określił, że stan przejśiowy zahodzi dla N j w przedziale 1000 < N j < Dla prowadzenia proesu wdmuhiwania proszków do iekłego metalu istotnym zagadnieniem jest również poznanie głębokośi przenikania strumienia dwufazowego. Poniższa zależność określa odległość przenikania ząstek w funkji kąta pohylenia lany[6] L = 1 3 3m& w sin α (4) 2 ( 2 ) π tan θ ρ g gdzie: L odległość penetraji ząstek, L 0 odległość między wniknięiem ząstek do ośrodka a wirtualnym punktem rozejśia się strumienia w dyszy, α - kąt wprowadzenia lany, θ - kąt stożka rozejśia strumienia,

5 137 ρ - gęstość ośrodka iekłego, w szybkość ząstek w lany, g przyspieszenie ziemskie m natężenie przepływu ząstek. 4. Wyniki badań i oblizeń Bardzo duży wpływ na głębokość przenikania strumienia posiada natężenie przepływu gazu. Zmieniało się ono w realizowanym yklu badawzym w zakresie 0, , kg/s. Analizują uzyskane obrazy głębokośi przenikania strumienia, mają jednoześnie na uwadze niekorzystne zjawiska występująe przy wzrośie natężenia przepływu w aspekie prowadzonyh badań wdmuhiwania ząstek do iekłego metalu, należy stwierdzić iż m g = 0, kg/s zapewnia już korzystne warunki przebiegu proesu. Natężenie przepływu materiału zmieniało się w realizowanym yklu badawzym w zakresie 0,0109 0,0360 kg/s. Wielkość ta ma wpływ na współzynniki przepływu i strumienia. Wzrost natężenia przepływu materiału powoduje zwiększenie tyh współzynników. Deyduje ono również o stężeniu masowym mieszaniny, które zmieniało się w realizowanyh eksperymentah w zakresie 19,2 62,2 kg/kg. Większe wartośi tyh parametrów powodują skróenie zasu wdmuhiwania o z pewnośią powoduje mniejszy spadek temperatury. Jednak przy większyh wydajnośiah urządzenia (dla tyh samyh warunków geometryznyh) występują mniej stabilne warunki strumienia (pulsowanie), niekorzystne dla przebiegu wdmuhiwania do iekłego metalu. Jak już wześniej wspomniano do analizy strumienia można wykorzystać współzynniki strumienia i przepływu. Biorą pod uwagę ten pierwszy należy stwierdzić, iż w ałym zakresie prowadzonyh eksperymentów występował przepływ strumieniowy, bardziej korzystny dla proesów wdmuhiwania ząstek do ośrodka iekłego. Z kolei analiza współzynnika przepływu wskazuje, iż mieliśmy do zynienia w prowadzonym proesie z barbotażem. Jeszze raz potwierdziło to trudność w opisie i rozgranizeniu tyh dwóh przypadków. Współzynniki te ze względu na dużą ilość parametrów jakie ujmują w swyh postaiah zostały wykorzystane do oblizeń głębokośi przenikania strumienia. Uzyskane wyniki badań i pomiarów głębokośi przenikania strumienia różnią się dosyć znaznie w porównaniu z głębokośią oblizoną wg zależnośi 4. Jest to podyktowane z pewnośią faktem, iż równanie to nie ujmuje gęstośi ząstek, ih średniy, gęstośi ośrodka iekłego oraz gazu. Przeprowadzona analiza statystyzna głębokośi przenikania strumienia zmierzonej na fotografiah i oblizonej z zależnośi 4 wykazała bardzo małe ih korelaje, a mianowiie rzędu 0,18 i 0,5. Na podstawie uzyskanyh wyników badań, odzytów, oblizeń zasięgu wprowadzania i wielkośi harakteryzująyh strumień dwufazowy przeprowadzono analizę statystyzną, której elem jest określenie zależnośi głębokośi przenikania strumienia dwufazowego (mierzonej od powierzhni lustra iezy) w funkji

6 138 parametrów strumienia i własnośi ząstek. W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano następująe zależnośi: 5 6 L = 0, , ρ 0,873 H + 7, N (5) pow dla następująyh wartośi parametrów statystyznyh: L pow = 0,248 S = 15,7 % R=0,9313 F=67,58 w = 6,87 gdzie: L pow wartość średnia, S - odhylenie standardowe, R współzynnik korelaji wielokrotnej, F test Fishera, w test wiarygodnośi dla zbioru i funkji. L 6 = 0,199 8, ρ 0,907 H + 687,03 N (6) pow dla następująyh wartośi parametrów statystyznyh: L pow = 0,246 S = 14,4 % R=0,9166 F=52,53 w = 5,68 W obydwu przypadkah uzyskano zbliżone wartośi przenikania strumienia, mimo iż współzynniki te różnią się w opisie harakteru tegoż strumienia. Uzyskane z oblizeń wartośi głębokośi przenikania pokazują iż nawet dla najmniejszyh wartośi L pow będzie zahodziła penetraja ząstek w iekłym metalu na ałej głębokośi, o zapewni dobre mieszanie i rozprowadzenie dyspersoidu w ałej objętośi. 5. Podsumowanie Przeprowadzone badania modelowe pozwoliły na: przedstawienie obrazu strumienia dwufazowego w ośrodku iekłym, jego rozproszenia, mieszania iezy, przenikania wgłąb ośrodka iekłego. określenie wpływu natężenia przepływu gazu na głębokość przenikania strumienia. dobór położenia lany w stosunku do powierzhni lustra iezy, przy zahowaniu odpowiedniej głębokośi przenikania strumienia dwufazowego oraz zmniejszeniu lub nawet wyeliminowaniu niekorzystnyh zjawisk zahodząyh na powierzhni iezy, do której wprowadzany będzie reagent, określenie wpływu gęstośi materiału na uzyskiwane zasięgi strumienia dwufazowego, uzyskanie zależnośi, pozwalająyh na wyznazenie głębokośi przenikania strumienia dwufazowego w iekłym aluminium z dużą dokładnośią. Była to jedyna droga umożliwiająa stwierdzenie powyższyh faktów, wnoszą jednoześnie wiele bardzo iekawyh spostrzeżeń i uwag do prowadzenia proesu wdmuhiwania dyspersoidu do iekłego aluminium. Analizują zasięg przenikania strumienia jednofazowego w ośrodku iekłym należy stwierdzić, iż jest on bardzo mały nawet przy zanurzonej lany. Można E j

7 139 jednoześnie zauważyć bardzo duże wzburzenie ośrodka iekłego na powierzhni. Z punktu widzenia proesu wdmuhiwania do iekłego metalu oznaza to, że należy unikać wprowadzania lany przy przepływie tylko samego gazu nośnego (przed otwariem dopływu materiału). Głębokość przenikania przy przepływie strumienia dwufazowego jest znaznie wyższa. Można zauważyć jej wzrost w miarę zanurzania lany i zwiększania gęstośi wprowadzanego proszku. Biorą pod uwagę uzyskane wyniki badań modelowyh można stwierdzić, iż dla proesu wprowadzania dyspersoidu do osnowy metalowej w elu otrzymania kompozytu najkorzystniejsze warunki można uzyskać przy położeniu lany bezpośrednio nad powierzhnią lustra metalu. Zapewni to odpowiednią przenikalność strumienia i równomierne rozmieszzenie ząstek w ałej objętośi przy zmniejszeniu rafinaji metalu przez gaz nośny. Ogranizy również w znaznym stopniu rozpryskiwanie iekłego metalu. Zwiększenie natężenia przepływu gazu powoduje wzrost zasięgu oddziaływania strumienia przy wzrośie zjawisk niekorzystnyh (wzburzenie powierzhni i rozpryskiwanie). Parametry strumienia dwufazowego powinny być tak dobrane aby zapewnić stężenie masowe mieszaniny w zakresie kg/kg (w zależnośi od wprowadzanego dyspersoidu). Literatura 1. Janerka K.; Nawęglanie iekłyh stopów żelaza za pomoą urządzeń pneumatyznyh. Praa doktorska, Gliwie 1995 r. 2. Janerka K, Jura S, Piątkiewiz Z, Szlumzyk H, Jezierski J.; Szybkość nawęglania w funkji parametrów strumienia dwufazowego w pneumatyznym nawęglaniu iekłyh stopów żelaza, Krzepnięie Krzepnięie metali i stopów, ZN PAN, z.38, Katowie, Gawronski J, Cholewa M, Janerka K, Szajnar J.; Wytwarzanie odlewów kompozytowyh metodą pneumatyznego wprowadzania i mieszania ząstek eramiznyh, Sprawozdanie z Projektu Badawzego finansowanego przez KBN nr 7 T08D , niepublikowane. 4. Farias L, Robertson D.G.C.: Physial modelling of gas - powder injetion into liquid metals, Eletri Furnae Conf. Pro., Dallas Farias L.R, Irons G.A.: A unified approah to bubbling - jeting phenomena in powder injetion into iron and steel, Metallurgial Transation B, nr 6, Engh T.A, Larsen K.: Penetration of partile-gas jets into liquids, Ironmaking and Steelmaking, nr6, 1979.

8 140 PHYSICAL MODELING OF POWDERS INJECTION PROCESS INTO THE LIQUID METAL. ABSTRACT Injeting of powdered materials into the liquid is a method making possible to intensify the metallurgial proess (rearburization, making additions, dispergated partiles in order to obtain omposites). The issue of the great onern is to learn the effet of the two-phase stream in liquid metal. The matter of the greatest signifiane is the depth of the stream penetration aording to the method of the lane inersion as well as gas and material rate of flow. The only one way making possible to determine those parameters is to arr out the model testing. Thereby, the work presents issues onerning modelling of a physial injetion of partiles having different densities, at various position of the lane as well as variable parameters of the two-phase stream into water. Obtained results were presented in the form of photographs. They form grounds for optimal parameters determination for reinforing partiles injetion to the matrix of the omposite produed from aluminum alloys. Reenzował Prof. dr hab. inż. Stanisław Jura