24/27 Solidilimtion ol' M~tals :md Alloys, No.24, 1995 Kr:.epniecie Metali i Stopów, Nr 2./, 1995 PAN - Od(bal Katowice PL ISSN 0208-931!6 WSKAŹNIKI NAWĘGLANIA CIEKŁYCH STOPÓW ŻELAZA W FUNKCJI PARAMETRÓW STRUMIENIA DWUFAZOWEGO JANERKA Krzysztof, JURA Stanisław, PIĄTKIEWICZ Zbigniew, SZLUMCZYK Henryk Katedra Odlewnictwa, Folitechnika Śląska 44--100 Gliwice, ul Towarowa 7, POLAND STRESZCZENIE W artykule przedstawiono zagadnienia zwiazane z nawęglaniem cieklego metalu za pomocą urządzet\ pneumatycznych. Szczególną uwagę zwrócono na mechanizm nawęglania w procesie wdmuchiwania sproszkowanego grafitu do kąpieli metalowej w piecach elektrycznych łukowych. Zagadnienie to rozpatrywano w aspekcie wpływu wielkości pr zepływowych na wylocie z lancy (natężenie przeplywu gazu i materiału, na szybkość i efektywność nawęglania oraz przyrost węgła. prędkość gazu) l. WPROWADZENIE Uzyskanie odpowiedniej zawartości węgla w ciekłych stopach żelaza jest w wielu przypadkach klopotliwe. Szczególnie, gdy proces topienia metalu prowadzony jest na bazie zlomu stalowego. Tradycyjna metoda nawęglania polegająca na narzucaniu kawalkowatego materiału weglowego na powierzchnie kąpieli metalowej jest mało skuteczna i czasochłonna. Może ona być wykorzystywana tylko przy uzupełnianiu węgla w stopach żelaza o 0,1-7- 0,3% C. Bardziej skuteczne jest dodanie materialu węglowego do wsadu. Lecz w tym przypadku istnieje trudność w precyzyjnym określeniu przyrostu węgla i jego pó ź niejsze uzupelnianie jest problematyczne. Najbardziej efektywną metodą naweglania jest pneumatyczne wprowadzanie materialu węglowego bezpośrednio do kąpieli metalowej. Pozawla to na uzyskanie dużych przyrostów węgla w czasie kilku minut. Zastosowanie drobnoziarnistych naweglaczy powoduje znaczny wzrost efektywności prowadzonego procesu, dochodzącej do 99%. Wynika to ze zwiększenia styku powierzchni reagujących faz (naweglacz-ciekły metal) i dobrego wymieszania kąpieli metalowej, co powoduje wzrost wskaźników procesu. Stad metoda ta zyskuje coraz wieksze zastosowanie w wielu odlewniach krajowych, dysponujących znacznymi zapasami zlomu stalowego.
180 2. PARAMETRY WDMUCHIWANIA Eksperymenty nawęglania ciekłych stopów żelaza prowadzono w warunkach przemysłowych odlewni ZM BUMAR Łabędy. Schemat stanowiska badawczo pomiarowego i metodykę prowadzenia pomiarów omówiono w pracach [l,2,3,4].' Urządzenie nadawcze stanowił podajnik transportu pneumatycznego wysokociśnieniowego o pracy cyklicznej, przystosowany do współpracy z rurociągiem o średnicy wewnętrznej 25 mm. Lancę stanowiła rura stalowa o średnicy 25 mm osłonięta ksztaltkami szamotowymi, chroniącymi ją przed zużyciem. Jako gaz nośny zastosowano powietrze o ciśnieniu 0,5 +0,6 MPa. Podstawowymi wielkościami charakteryzujacymi pneumatyczne wdmuchiwanie są: natężenie przepływu gazu i materiału, stężenie masowe mieszaniny i prędkość gazu na wylocie z lancy. Nateżenie przepływu gazu jest to ilość płynu przeplywajacego przez dany odcinek w jednostce czasu [5] : - masowe (ńz,) wyrażone w kg/s, - obję to śc iowe (VN = riz/pn) wyrażone w m 3 /s, sprowadzane do warunków normalnych (TN=273,15 K, PN=l01324,7 Pa, pn=1,2928). Natężenie przepływu materiału transportowanego (m.) jest określone stosunkiem masy transportowanego materialu m. w czasie t stabilnej pracy instalacji w kg/s. SFężenie masowe mieszaniny (koncentracja) w rurociągu transportującym (p. = m/m,) jest okreś lon a stosunkiem natężenia przepływu materialu do natężenia przepływu gazu w kg/kg. Predkość średnio powietrza w rurociągu transportowym określa zale żno ść (w=tiz/ (Ap), uwzględniająca powierzchnię przekroju rurociągu oraz gęstość czynnika). Obserwując strumień gazu łub mieszaniny gazu i proszku wprowadzanych do cieczy modelowych wielu autorów [6, 7] wyróżnia dwa stany przeplywu; barbotaż i przepływ strumieniowy. Pierwszy jest charakterystyczny dla małych natężeń przepływów materialu i niskich wartości prędkości wylotowych z lancy. Transport masy odbywa s ię jedynie na powierzchni pęcherzy, które ulegają deformacji i rozpadowi dopiero pod sa mą powierzchnia cieklego ośrodka do którego są wprowadzane. Drugi stan jest charakterystyczny dla dużych natężeń przepływu materialu i wysokich prędkości wylotowych z lancy. Mimo wielu prowadzonych badań istnieje szereg teorii dotyczacych zakresu występowania tych stanów i powiązania ich z różnymi liczbami kryterialnymi. Trudność ro związania zagadnienia wynika z braku wyraźnej granicy rozdziału barbotażu i przepływu strumieniowego. Parias i Robertson do analizy charakteru strumienia wprowadzają współczynnik przepływu (porwania) NE [8,9] :. h NE = O 75 111 ' Pg ' lńgdcpl gdzie: m.-masowe natężenie przepływu proszku w kg/s, m- 8 masowe natężenie przepływu gazu w kg/s, d. - średnica wdmuchiwanej cząstki w m, p - 8 gęstość gazu na wylocie z lancy w kg/m 3, p 1 - gęstość cieklego metalu w kg/m 3, h, Vb - wskaźnik wielkości pęcherzy i objętość pęcherzy na wylocie z lancy określone zależnościami : ( 6 )1 3 ' h = - vb 1/3, 1t 1,2 V = l 387 V g -o, 6 b N (l) (2)
Na podstawie przeprowadzonych badań modelowych okreś lili oni warunki występowania poszczególnych stanów: dla NE < 3 barbotaż, dla Nt. > 4,5 przepływ strumieniowy. Przypadek gdy 3<NE<4,5 określili jako stan przejściowy. Do analizy strumienia Kirnura [10] wprowadził współc zy nnik strumienia ~: 181 rń w 2 p l 5 c g ' lilgwcdcpl (3) gdzie: w, w, - odpowiednio prędkość gazu i cząstek na wylocie z lancy w m/s. Ustali! on, że dla wartoś ci liczby ~ < 1000 strumień będzie posiadaj cechy barbotażu, natomiast gdy ~ > 1500 jednolity strumień zapewnia dużą penetrację wglab kapieli metalowej. Zakres wartości 1000 < ~ < 1500 opisuje stan przejściowy. W prowadzonych eksperymentach uzyskano następujace zakresy zmienności parametrów wdmuchiwania: - natężenie przepływu gazu mg = 0,050 7 0,1414 kg/s, - natężenie przepływu materiału m, = 0,200 7 0,650 kg/s, - stężenie mieszaniny!l = 1,75 7 12,80 kg/kg, prędko ść strumienia powietrza na wylocie z lancy w = 78 215 mis. - liczba przepływu NE = 0,32 7 2,50, - liczba strumienia Nj = 719 7 3450 l/s, 3. WSKAŹNIKI NAWĘGLANIA A PARAMETRY WDMUCHIWANIA W realizowanym cyklu badawczym jako materiał n awęglajacy zastosowano mielone elektrody grafitowe oraz mączkę grafitową. Badania prowadzono przy nawęglaniu stopów żelaza o początkowej zawartości wę_gla c. = 0,5 7 3,55 % w piecach elektrycznych łukowych o pojemności 6 i 12 Mg. Na ich podstawie stwierdzono, że na proces nawę_glania w znaczący sposób wpływają przedstawione powyżej parametry strumienia dwufazowego (gaz-proszek). Ich właściwy dobór pozwala na skuteczne i szybkie przeprowadzenie operacji nawęglania oraz określenie szybkości i efektywności procesu. Ich znajomość oraz możliwość sterowania nimi pozwala na precyzyjne wyznaczenie czasu wdmuchiwania i końcowej zawartości węgla. Analiza procesu nawę_glania poza wielkościami przepływowymi urządzenia powinna również ujmować parametry cieklego metalu takie jak początkową zawartość węgla c., temperaturę kapieli metalowej r., masę cieklego metalu mm i masę materialu nawę glajacego m,..n Umożliwia to dokładne określenie końcowej zawartości węgla w ciekłym metalu po przeprowadzonej operacji wdmuchiwania. Na podstawie uzyskanych wyników badań i oblicze11 przeprowadzono analizę statystyczna w wyniku której uzyskano zależności opisujące: - szybkość nawęglania dc = 1436 10-2 +335 10-3 N - 523 10-6 T -708 10-7 m dt ' ' E ' p ' m (4) wartość średnia (dc/dt) = 0,00379, odchylenie standardowe S = 18,1%, test Fishera F= 83,31, współczynnik korelacji R = 0,94
182 d C d t 156 10-2 + 2 86 10-6 N. -162 10-4 C - 6204 10-6 T - 7 47 10-7 m ' ' J ' p ' p ' m (5) (dc/dt) = 0,00393 F = 125,1 R = 0,96 S = 13,9% Powyższe zależności ujmują szybkość nawęglania w funkcji współczynników przepływu i strumienia oraz parametrów ciekłego metalu. Wzrost NE i ~ powoduje zwiększenie szybkości procesu. To z kolei jest możliwe przy dużym natężeniu przepływu materiału i dużych prędkościach gazu na wylocie z lancy oraz przy małych średnicach cząstek. Istnieją ograniczenia wzrostu natężenia przepływu materiału w przewodach transportowych spowodowane możliwościa blokowania rurociągu przez materiał (tzw. kvrkowanie). W zrealizowanym cyklu badawczym zauważono najwyższe wartości szybkości nawęglania przy natężeniu przepływu gazu m, = 0,082 + 0,098 kg/s. Z punktu widzenia technologicznego określenie wartości współczynników przepływu i strumienia jest uciażliwe ze względu na zawarte w niej takie czynniki jak: gęstość gazu p, i metalu p 1 oraz wskaźnik wielkości pęcherzy. Dokonując analizy wpływu gęstości p 1 i p 1 na NE i ~ stwierdzono, że w procesie nawęglania żeliwa i staliwa przy zastosowaniu sprężonego powietrza jako gazu nośnego, ze względu na ich mała zmienność można przyjać stosunek średnich wielkości P/P 1 = 1,933 1() 4 Po przekształceniu równań (1,2) i (3) uzyskano następuj&ce zależności [11]: m N; = l 466 10-4 c_ '. 0,6 d m, c (6) m w N = 5 799 10-4 _c - 7 l ' lit d g c (7) Moga one być stosowane w obliczeniach technicznych przy nawęglaniu w piecach elektrycznych lukowych. - efektywność nawęglania Parametr ten zmieniał się w prowadzonych badaniach w zakresie 63,0 + 99,0 %. W porównaniu z metoda tradycyjna uzyskano 4,8 + 7,6 krotny wzrost tej wielkości. Najwyższe wartości uzyskano przy nawęglaniu maczka grafitowa. Nieco niższą efektywność nawęglania uzyskuje się przy wyższych natężeniach przepływu gazu. Uzyskane wyniki były podstawa do utworzenia funkcji regresji ujmujacej tę wielkość w funkcji parametrów wejściowych. Równanie to przybiera następujaca postać: E = 58,42-2,988 j.l - 0,135 w 7-1,68 10 5 de + 0,056 TP (8) E = 81,27 F = 11,14 R = 0,78 s = 8,64% Dokonując analizy szybkości i efektywności nawęglania należy stwierdzić, że w miarę wzrostu szybkości procesu. jego efektywność maleje.
4. WSKAŹNIKI NAWĘGLANIA A PARAMETRY PRACY URZĄDZENIA NADAWCZEGO Z praktycznego punktu widzenia bardzo korzystna jest znajomość wpływu parametrów urządzenia nadawczego na wskaźniki procesu. Pozwala to na bezpośrednie okre"ślenie przyrostu węgla w ciekłym metalu jak również szybkości nawęglania, eliminując w ten sposób etap obliczeń wielkości przepływowych i współczynników NE, i~ Przeprowadzony cykl badawczy i analiza wyników badań i pomiarów pozwoliła na określenie następujących zależności: - końcowa zawartość wegla Ck> 183 ck = 2,66 s = 2,54% R = 0,99 F 1124 - przyrost wegla w kopieli metalowej ó. c = 0,52-4,52 10-4 p3-1,19 10-3 (d{ + dj) - 4,5 w-s mm + 221 10-2 C +154 10-2 m ' p ' mn (lo) KC = 0,41 s = 16,5% R = 0,98 F= 223 - szybkość nawęglania ó.c = 0,011-1,24 10-3 pp 3 - dt 4 3,1 10-6 TP + 1,31 10-5 mmn- 13,1dc 3,91 10-s(tt.; +di>- 5,06.10-7 mm+ (11) (dc/dt) = 0,0033 S = 19,0% R = 0,91 F = 22,4 gdzie: p 3 - ciśnienie zasilania urządzenia nadawczego, p 4 - ciśnienie w komorze zbiornika, d 3, dd - odpowiednio średnica dyszy głównej i dosilajacej [12]. 5. PODSUMOW ANIE Przeprowadzone eksperymenty dowiodły, że nawęglanie metoda wdmuchiwania sproszkowanego grafitu pozwala na dokładne i szybkie uzupełnienie węgla w ciekłym metalu. Stwierdzono, że na wskaźniki procesu szczególnie istotny wpływ posiadają parametry pracy urządzenia nadawczego. Wykazano również wzajemne powiązania tych wielkości. Umożliwia to łatwe i szybkie wyznaczenie zarówno szybkości nawęglania jak i przyrostu wegla, co jest bardzo istotne w praktyce przemysłowej.
184 LITERATURA l. Janerka K, Piątkiewicz Z, Szlumczyk H. "Urządzenia do wdmuchiwania proszków do pieców metalurgicznych", Przegląd Odlewnictwa, nr 6, 1993,. 2. Janerka K, Jura S, Łukasiewicz Z, Rzepka R, Swaczyna S. "Obniżenie kosztu wytapiania żeliwa w piecach elektrycznych łukowych przez pneumatyczne nawęglanie", Przegląd Odlewnictwa, nr 2, 1994, 3. Janerka K, Piątkiewicz Z, Jura S, Szlumczyk H, "Wpływ parametrów strumienia dwufazowego na szybkość nawęglania". III-nd Intern. Conf. Achievements in the Mechanical and Material Enginiering, Komitet Nauki o Materialach PAN, Pol. ŚI., Gliwice 1994, 4. Janerka K, Jura S, Piątkiewicz Z, Szlumczyk H., "Nawęglanie cieklego metalu metodą wdmuchiwania grafitu", Mat. XX Międzynar. Konfr. AGH, "Nowoczesne Tendencje w Odlewnictwie", Kraków 8-9.06.1995, 5. Z. Piątkiewicz, Poradnik Inżyniera, "Odlewnictwo", Rozdz. XX, WNT, Warszawa 1986. 6. J. Mietz,S. Schneider, S. Oeters, Steel research, nr l (1991) 9. 7. R.P. Singh, M.J. McNallan, Metallurgical Transaction B, nr 8 (1983) 425. 8. L. Farias, D.G.C. Robertson D.G.C, Electric Furnace Conf. Proc., Dallas 1986. 9. J.K. Wright, B.R. Baldock, Metallurgical Transaction B, nr 7 (1988) 375. 10. L. Farias, G.A. Irons, Metallurgical Transaction B, nr 6 (1985) 211. 11. Janerka K, Jura S, Piątkiewicz Z, Szlumczyk H., "Wdmuchiwanie naweglacza do ciekłych stopów żelaza w piecach elektrycznych lukowych", Międzynar. Konfer. "Nowoczesne Technologie Odlewnicze- Ochrona Środowiska", Kraków 1995, 12. Janerka K, Piątkiewicz Z, Szlumczyk H., "Analiza parametrów pracy urzadzeń do wdmuchiwania proszków", Miedzynar. Konf. "Odlewnictwo 95, Kielce 1995, ZN PAN "Krzepnięcie i Krystalizacja", z. 25. RECARBURIZA TION IND I CES OF LIQUID IRON ALLOYS AS A FUNCTION OF A DIPHASE JET PARAMETERS. 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 outlet (flow insensities of gas and materiał, gas velocity) on the rate and efficiency of recarburization and the carbon acceretion.