AMME 2003 12th Mechanizm wymiany masy w procesie pneumatycznego nawglania ciekłych stopów elaza K. Janerka Zakład Odlewnictwa Instytutu Materiałów Inynierskich i Biomedycznych Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki lskiej, 44-100 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
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.
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. 1. - 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 3,12 10-3 kg/s, natenie przepływu materiału m c = 8,6 35,3 10-3 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.
406 K. Janerka m c = 0,01065 m g = 0,001780 m c = 0,02234 m g = 0,002861 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 = 0,001764 m c = 0,02667 m g = 0,002811 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 = 0,001572 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
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. 2 4. 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.
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 038 23 finansowanego przez KBN. LITERATURA 1. K. Janerka, Praca doktorska, Gliwice 1995. 2. 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, 1999 4. K. Janerka, J. Gawroski, M. Cholewa, J. Szajnar, H. Szlumczyk, J. Jezierski, Krzepnicie metali i Stopów, PAN Katowice, v. 1, nr 39, 1999 5. J. Gawroski, K. Janerka, M. Cholewa, J. Szajnar, Acta Metallurgica Slovaca, v.5, 1999 6. S. Tochowicz, Biblioteka Metalurga - Wytapianie stali w piecach elektrycznych, Wyd. lsk, 1988 7. R. Krzeszewski, Kinetyka rozpuszczania wgla w ciekłym elazie, Prace Inst. Odl., nr 1-3, Kraków 1963