SZYBKOŚĆ NAWĘGLANIA W FUNKCJI PARAMETRÓW STRUMIENIA DWUFAZOWEGO W PNEUMATYCZNYM NAWĘGLANIU CIEKŁYCH STOPÓW ŻELAZA

Transkrypt

1 33/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN SZYBKOŚĆ NAWĘGLANIA W FUNKCJI PARAMETRÓW STRUMIENIA DWUFAZOWEGO W PNEUMATYCZNYM NAWĘGLANIU CIEKŁYCH STOPÓW ŻELAZA JANERKA Krzysztof, JURA Stanisław, PIĄTKIEWICZ Zbigniew, SZLUMCZYK Henryk, JEZIERSKI Jan Katedra Odlewnictwa, Politechnika Śląska Gliwice, ul. Towarowa 7, POLAND STRESZCZENIE W artykule przedstawiono zagadnienia związane z nawęglaniem ciekłego metalu za pomocą urządzeń pneumatycznych. Szczególną uwagę zwrócono na mechanizm nawęglania w procesie wdmuchiwania sproszkowanego grafitu do kąpieli metalowej w piecach elektrycznych łukowych. Zagadnienia te rozpatrywano w aspekcie wpływu wielkości przepływowych na wylocie z lancy na szybkość nawęglania. 1. WPROWADZENIE Współczesna metalurgia dysponuje różnorodnymi technologiami, których zastosowanie prowadzi do osiągnięcia żądanych właściwości wytwarzanych metali i ich stopów. Istnieje szereg metod, które pozwalają na sterowanie czy to składem chemicznym stopu, jego strukturą, czystością czy też wręcz na programowanie jego własności ściśle według wymagań konstruktora danej części. Obróbka ciekłego metalu może odbywać się w piecu metalurgicznym, na rynnie spustowej, w kadzi a nawet w formie odlewniczej. Wszystkie te metody różnią się znacznie od siebie ale zdecydowana ich większość wymaga wprowadzenia do kąpieli metalowej dodatkowego składnika, dodanego w konkretnym celu: odsiarczenie, odfosforowanie, nawęglanie itp. Stosunkowo dawno zaobserwowano, że czas i skuteczność obróbki ciekłego metalu jest bezpośrednio uzależniony od sposobu wprowadzania do niego reagentów. Operacji tej dokonywano w różny sposób poczynając od dodawania ich we wsadzie, na powierzchnię ciekłego metalu, sypanie na strugę metalu czy też na dno kadzi. Na bazie obserwacji stwierdzono, że skuteczność działania reagentów zależy głównie od powierzchni styku z ciekłym metalem i intensywności mieszania kąpieli, zaproponowano metodę wdmuchiwania do kąpieli metalowej sproszkowanych reagentów w strumieniu gazu nośnego. Jak wykazały wieloletnie już doświadczenia z zastosowaniem tej metody w różnych

2 208 procesach, jest ona skuteczna i opłacalna ekonomicznie, a także umożliwia aktywne działania proekologiczne. W Katedrze Odlewnictwa od wielu lat prowadzone są badania procesu nawęglania ciekłych stopów żelaza w piecach elektrycznych łukowych. Celem autorów jest znalezienie powiązań szybkości przebiegu procesu metalurgicznego z parametrami strumienia dwufazowego. W artykule tym przedstawiono szybkości nawęglania w funkcji parametrów przemieszczania proszków na wylocie lancy uzyskane w eksperymentach prowadzonych w piecach o pojemności 30 Mg. Wcześniejsze badania prowadzono w piecach o pojemności 6 i 12 Mg [1, 2, 3]. 2. SZYBKOŚĆ NAWĘGLANIA Rozważając przebieg zjawisk wymiany składników między dwoma fazami wykorzystuje się często model warstw granicznych Nernsta. W wielu opracowaniach cytuje się wzór obrazujący wpływ niektórych czynników na szybkość zmiany stężenia składników reagujących faz [4] d C = D c F max max d t V ( C -C) = k c (C -C) δ (1) gdzie: C - stężenie węgla w ciekłym metalu [%], C max - stężenie węgla odpowiadające stanowi nasycenia w danych warunkach [%], D c - współczynnik dyfuzji w [m 2 s -1 ], F -powierzchnia styku faz [m 2 ], V - objętość fazy, w której zachodzi zmiana zawartości składnika [m 3 ], δ - grubość przypowierzchniowej warstwy dyfuzyjnej [m], k c -współczynnik wymiany masy między nawęglaczem a nawęglanym metalem (stała nawęglania) [1/s]. W prowadzonej analizie teoretycznej procesu nawęglania [5, 6] wykazano, że w miejsce stężeń molowych można z dużym przybliżeniem stosować stężenia wagowe. Całkując równanie (1) otrzymano wzór: C= C max [1- exp(-k c t)] (2) gdzie c k c = D F t δv = k F (3) V Jeżeli nawęglanie przebiega w warunkach zapewniających niezmienność współczynnika k c w czasie to prędkość nawęglania stopu w danym momencie jest tym większa im mniejsza jest zawartość węgla w kąpieli. Prędkość nawęglania rośnie ze wzrostem wartości współczynnika k c. Decydujący wpływ na ten współczynnik posiada stosunek powierzchni styku faz - między którymi zachodzi wymiana składników - do ich objętości. Zmieniając ten stosunek, można w istotny sposób przyspieszać przebieg reakcji. Można to uczynić albo przez zwiększenie stosunku powierzchni styku faz (mniejsze średnice ziarn nawęglacza) lub zmniejszenie grubości przypowierzchniowej warstwy dyfuzyjnej (rys. 1) poprzez wymuszenie ruchu reagujących faz (mieszanie kąpieli metalowej). Możliwość przyspieszenia dyfuzji przez zmianę temperatury, ze względu na ograniczone możliwości zmian temperatury procesów metalurgicznych są nieznaczne.

3 209 Nawęglacz C% Warstwa dyfuzyjna (δ) Metal x[m] Rys. 1. Profil stężenia węgla w metalu Fig. 1. Carbon concentration profile in metal Doprowadzenie reagujących składników w sąsiedztwo granic faz i odprowadzenie produktów reakcji z miejsca jej przebiegu odgrywają istotną rolę w szybkości całego procesu. Stosując wymuszony ruch ciekłego metalu można więc w wyraźny sposób wpłynąć na przyspieszenie przebiegu reakcji metalurgicznych. 3. PRZEPŁYW STRUMIENIA DWUFAZOWEGO W CIEKŁYM METALU. Obserwując strumień gazu lub mieszaniny gazu z proszkiem wprowadzanym do kąpieli metalowej wielu autorów wyróżnia dwa stany przepływu: barbotaż i przepływ strumieniowy. Pierwszy jest charakterystyczny dla małych natężeń przepływów materiału i prędkości wylotowych z lancy. Kontakt reagentów z masą ciekłego metalu istnieje jedynie na powierzchni pęcherzy, które ulegają deformacji i rozpadowi dopiero pod samą powierzchnią ciekłego ośrodka do którego są wprowadzane. Drugi stan jest charakterystyczny dla dużych natężeń przepływu materiału i prędkości wylotowych z lancy. Dynamiczny strumień powoduje rozbicie pęcherzy już na wylocie z lancy i prawdopodobnie deformację i rozbicie kropel ciekłego metalu, co zwiększa powierzchnię reakcji cieczy z wprowadzanym stałym materiałem. Jest to przypadek znacznie korzystniejszy od barbotażu i należy dążyć do osiągnięcia na wylocie z lancy parametrów zapewniających przepływ strumieniowy. Z przeprowadzonych dotychczas analiz wynika, że najlepiej odzwierciedlają to dwa współczynniki: - przepływu N E wprowadzony przez Fariasa i Robertsona [7, 8]: m& c h ρ g N E = 0,75 (4) ρ m& g d c l Określono, że dla N E < 3 mamy do czynienia z barbotażem, a gdy N E > 4,5 przepływem strumieniowym. Przypadek gdy 3<N E <4,5 określono jako stan przejściowy. - strumienia N j, zaproponowany przez Kimurę określa wzór [9]:

4 210 2 c g N j = 1,5 mw mwd & g c c l & gdzie: m c - masowe natężenie przepływu proszku [kg/s], m g - masowe natężenie przepływu gazu [kg/s], r - promień lancy [m], d c - średnica wdmuchiwanej cząstki [m], ρ g - gęstość gazu na wylocie z lancy [kg/m 3 ], ρ l - gęstość ciekłego metalu [kg/m 3 ], h - wskaźnik wielkości pęcherzy, w, w c - odpowiednio prędkość gazu i cząstek na wylocie z lancy [m/s]. Przyjęto dla wartości liczby N j poniżej 1000, barbotaż, natomiast gdy N j > 1500 jednolity strumień zapewnia dużą penetrację w głąb kąpieli metalowej. Zakres wartości 1000 < N j < 1500 opisuje stan przejściowy. Z praktycznego punktu widzenia określenie wartości tych liczb jest uciążliwe ze względu na zawarte w niej takie czynniki jak: gęstość gazu i metalu oraz wskaźnik wielkości pęcherzy. Dokonując analizy wpływu gęstości ρ g i ρ l na liczbę N E stwierdzono, że w procesie nawęglania żeliwa i staliwa przy zastosowaniu sprężonego powietrza jako gazu nośnego (ze względu na ich małą zmienność) można przyjąć następującą zależność na obliczenie liczby N E dos [1, 2, 3]: -4 m& c N Edos = 1, (6) 0,6 m& g dc Podobnie jak poprzednio po przyjęciu średnich wartości gęstości i przekształceniu zależności uzyskano równanie pozwalające na obliczenie wartości liczby strumienia N j dos dla warunków technicznych nawęglania żeliwa i staliwa przy płytkim zanurzeniu lancy: -4 c 7 N jdos = 5, mw & (7) md & g c ρ ρ (5) 4. SZYBKOŚĆ NAWĘGLANIA A PARAMETRY STRUMIENIA DWUFAZOWEGO W celu określenia wpływu parametrów strumienia dwufazowego na szybkość nawęglania przeprowadzono szereg eksperymentów wdmuchiwania sproszkowanego grafitu do pieców elektrycznych łukowych o pojemności 30 Mg. Urządzenia nadawcze stanowiły podajniki transportu pneumatycznego wysokociśnieniowego o pracy cyklicznej systemu POLKO, przystosowane do współpracy z rurociągiem φ32 mm. W trakcie każdej próby dokonywano pomiarów zarówno parametrów pneumatycznego przemieszczania jak również składu chemicznego i temperatury ciekłego metalu oraz własności wdmuchiwanych cząstek grafitu. W prowadzonych badaniach uzyskano następujące zakresy zmienności parametrów wdmuchiwania: natężenie przepływu gazu m g = 0,0514 0,0695 kg/s natężenie przepływu materiału m c = 0,90 2,19 kg/s stężenie masowe mieszaniny µ = 13,0 42,0 kg/kg prędkość strumienia powietrza na wylocie z lancy w = m/s współczynnik przepływu N Ed = 1,8 5,2 współczynnik strumienia N jd =

5 211 Na podstawie uzyskanych wyników badań i obliczeń szybkości nawęglania i wielkości charakteryzujących strumień dwufazowy przeprowadzono analizę statystyczną, której wynikiem są następujące równania: 3 4 = 1, , N Ed (8) o parametrach statystycznych: (/) = 0,00442 F = 66,6 R = 0,88 S = 12,8 α = 0,025 w = 4,12 gdzie: / - wartość średnia, F - test Fishera, α - poziom ufności, w - test wiarygodności dla zbioru i funkcji, R - współczynnik korelacji wielokrotnej, S - odchylenie standardowe. 3 6 = 1, , N jd (9) (/) = 0,00422 F = 66,07 R = 0,88 S = 12,8 α = 0,025 w = 4,10 Przedstawione powyżej zależności wykazują duży wpływ parametrów procesu wdmuchiwania na szybkość nawęglania, podobnie jak miało to miejsce w poprzednich eksperymentach. W obydwu przypadkach można stwierdzić wzrost szybkości nawęglania przy dużych natężeniach przepływu materiału i niskich natężeniach przepływu gazu oraz dla małych średnic wdmuchiwanych cząstek. Należy zdawać sobie sprawę z istnienia górnej granicy natężenia przepływu materiału wynikającej z kinetyki rozpuszczania węgla w ciekłym metalu. W realizowanych eksperymentach w całym zakresie zmienności m c nie zauważono spadku szybkości nawęglania mimo jego dużych wartości m c = 0,90 2,19 kg/s. Powyższa analiza dotyczy oddziaływania tylko wielkości przepływowych urządzenia na szybkość nawęglania, nie ujmując parametrów ciekłego metalu takich jak początkowa zawartość węgla C p, temperatura T p i masa ciekłego metalu m m istotnych dla analizowanego procesu. Na podstawie uzyskanych wyników badań i obliczeń przeprowadzono analizę statystyczną w wyniku której uzyskano następujące zależności: = 2, , 9 10 NEd 8, 3 10 Tp 2, 3 10 mm 1, 3 10 Cp (10) (/ )= 0,00422 F = 27,07 R = 0,93 S = 10,6 α = 0,025 w = 5, = 2, , 2 10 N jd 8, 3 10 Tp 2, 4 10 mm 1, Cp (11) (/) = 0,00422 F = 27,22 R = 0,97 S = 12,8 α = 0,025 w = 5,98 Uzyskane zależności podobnie jak poprzednio [1, 2, 3] wykazują zmniejszanie szybkości nawęglania przy wzroście masy metalu i początkowej zawartości węgla w ciekłym metalu (jest to zgodne z zależnością (1)). Podobnie jak poprzednio uzyskano odwrotnie proporcjonalny wpływ temperatury na szybkość przebiegu procesu. Budzi to pewne wątpliwości, ze względu na fakt, iż ze wzrostem temperatury rośnie współczynnik dyfuzji D. Być może wzrost ten jest mały i zanika w obliczeniach statystycznych mających określony błąd.

6 PODSUMOWANIE Prowadzone w warunkach przemysłowych badania potwierdziły bardzo wysoką skuteczność procesu nawęglania metodą wdmuchiwania sproszkowanego nawęglacza. Uzyskano również potwierdzenie znaczącego wpływu parametrów strumienia dwufazowego na wskaźniki procesu nawęglania. Jest to o tyle istotne, że znając parametry pracy urządzenia można z dużą dokładnością określić końcową zawartość węgla w ciekłym metalu i czas prowadzenia procesu. W chwili obecnej pracuje już w odlewniach krajowych kilkanaście urządzeń pozwalających na wytwarzanie żeliwa i staliwa z wykorzystaniem metody wdmuchiwania proszków. LITERATURA [1] Janerka K, Jura S, Piątkiewicz Z, Szlumczyk H.: Wskaźniki nawęglania ciekłych stopów żelaza w funkcji parametrów strumienia dwufazowego, Krzepniêcie Metali i Stopów, z. 24, PAN Katowice, 1995r. [2] Janerka K, Jura S, Piątkiewicz Z, Szlumczyk H.: Szybkość nawęglania w procesie pneumatycznego wprowadzania materiału węglowego, ZN Pol. Śląskiej, Mechanika, z. 128, Gliwice 1997r. [3] Janerka K.: Nawęglanie ciekłych stopów żelaza za pomocą urządzeń pneumatycznych, Rozprawa doktorska, Gliwice, 1994 [4] Kosowski A. :Kinetyka nawęglania żeliwa w piecu indukcyjnym, Przegląd Odlewnictwa, nr 1-3, [5] Tochowicz S.: Biblioteka Metalurga - Wytapianie stali w piecach elektrycznych, Wyd. Śląsk, 1988r. [6] Krzeszewski R.: Kinetyka rozpuszczania wêgla w ciekłym żelazie, Prace Inst. Odl., nr 1-3, Kraków [7] Farias L, Robertson D.G.C.: Physical modelling of gas - powder injection into liquid metals, Electric Furnace Conf. Proc., Dallas [8] Farias L.R, Irons G.A.: A unified approach to bubbling - jeting phenomena in powder injection into iron and steel, Metallurgical Transaction B, nr 6, [9] Engh T.A, Larsen K.: Penetration of particle-gas jets into liquids, Ironmaking and Steelmaking, nr6, RECARBURIZATION RATE AS A FUNCTION OF A DIPHASE JET PARAMETERS IN PNEUMATIC CARBURIZATION OF LIQUID IRON ALLOYS. ABSTRACK This article presents issues connected with recarburization of liquid metal by means of pneumatic devices. The particular attention has been paid to the mechanism of recarburization in the process of injection of the powdered graphite into metal bath in electric arc furnaces. This issue has been examined in the bearing of the influence of flow parameters at lance on the rate of recarburization.