12/39 Solidifiation of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 39 Krzepnięie Metali i Stopów, Rok 1999, Roznik 1, Nr 39 PAN Katowie PL ISSN 0208-9386 MODELOWANIE FIZYCZNE PNEUMATYCZNEGO WPROWADZANIA DYSPERSOIDU DO OSNOWY METALOWEJ. JANERKA K., GAWROŃSKI J., PIĄTKIEWICZ Z., CHOLEWA M., SZAJNAR J., SZLUMCZYK H., JEZIERSKI J. Katedra Odlewnitwa, Politehnika Śląska 44-100 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,
122 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, 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 BADAWCZE 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
123 reduktora do regulaji nadiśnienia zasilania (3), wpływająego na natężenie przepływu gazu. Układ bezpośredniego wprowadzania proszków do iezy 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. PRZEBIEG EKSPERYMENTÓW W trakie realizaji badań przeprowadzano próby wprowadzania polistyrenu ekspandowanego, piasku kwarowego i hromitowego oraz mikrosfery do ośrodka iekłego (wody). Dla wdmuhiwanyh materiałów określono gęstośi usypowe i średnie zastępze ziaren. Zmianie podlegały również następująe parametry: głębokość względem powierzhni iezy oraz wprowadzenia lany natężenie przepływu gazu i materiału. W trakie każdego eksperymentu wykonywano fotografie ilustrująe kształt i zasięg strumienia dwufazowego w ośrodku iekłym. Tylko zęść z nih z uwagi na ogranizoną objętość publikaji przedstawiono poniżej (dla natężenia przepływu gazu wynosząego 0,00020 kg/s). Natężenie przepływu materiału zmieniano w zakresie 0,004-0,016 kg/s, a położenie lany względem powierzhni iezy w zakresie 50 mm. Nazynie ylindryzne, umożliwiająe obserwaję strugi w ośrodku iekłym, posiadało naklejoną skalę o 10 mm umożliwiająą odzyt istotnyh dla przebiegu proesu parametrów. Na rys. 2 przedstawiono odpowiednio wyniki uzyskane przy wdmuhiwaniu strumienia dwufazowego (powietrze + polistyren ekspandowany). 4. PARAMETRY STRUMIENIA DWUFAZOWEGO W OŚRODKU CIEKŁYM 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 (m g wyrażone jest w jednostkah masy kg/s) lub objętośiowe (V N w jednostkah objętośi m 3 /s). Prędkość gazu na wyloie lany określona jest ilorazem natężenia przepływu gazu do pola powierzhni wylotu lany i gęstośi powietrza na jej wyloie.
124 Rys. 2. Wdmuhiwanie polistyrenu ekspandowanego do ośrodka iekłego Fig. 2. Injetion of polystyrene into liquid. 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.
125 Jedną z prób rozgranizenia przepływu strumieniowego od barbotażu podjęli Farias i Robertson [4] przez wprowadzenie do analizy harakteru strumienia, współzynnika przepływu N E : gdzie: m masowe natężenie przepływu proszku w kg/s, m g masowe natężenie przepływu gazu w kg/s, d średnia wdmuhiwanej ząstki w m., g gęstość gazu na wyloie z lany w kg/m 3, 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: 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 < 1500. 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] N E N j 0, 75 g m h m g d g 2 m w g 1,5 m w d l l (1) (2) 3m w sin L 2 2 tan g 1 3 (3) gdzie: L odległość penetraji ząstek, L 0 odległość między wniknięiem ząstek do ośrodka a wirtualnym punktem rozejśia się strumienia w dyszy, - kąt wprowadzenia lany, - kąt stożka rozejśia strumienia, - gęstość ośrodka iekłego, g przyspieszenie ziemskie.
126 5. WYNIKI BADAŃ I OBLICZEŃ Bardzo duży wpływ na głębokość przenikania strumienia posiada natężenie przepływu gazu. Zmieniało się ono w realizowanym yklu badawzym w zakresie 0,000432 0,000834 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 = 0,000432 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 3. 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 3 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 parametrów strumienia i własnośi ząstek. W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano następująe zależnośi:
L pow 127 5 6 0,19867 1,1168 10 0,873 H 7,813 10 N (4) 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. 6 L 0,199 8,886 10 0,907 H 687,03 N (5) 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. E j 6. PODSUMOWANIE Analizują zasięg przenikania strumienia jednofazowego w ośrodku iekłym należy stwierdzić, iż jest on bardzo mały nawet przy zanurzonej lany. Można 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 20-40 kg/kg (w zależnośi od wprowadzanego dyspersoidu).
128 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, 1998 3. 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 031 12, niepublikowane. 4. Farias L, Robertson D.G.C.: Physial modelling of gas - powder injetion into liquid metals, Eletri Furnae Conf. Pro., Dallas 1986. 5. 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, 1985. 6. Engh T.A, Larsen K.: Penetration of partile-gas jets into liquids, Ironmaking and Steelmaking, nr6, 1979. PHYSICAL MODELLING OF DISPERSOID PNEUMATIC INJECTION INTO THE METAL MATRIX SUMMARY 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 arry 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 aluminium alloys.