Внепечная обработка чугуна и стали
СОДЕРЖАНИЕ Доклад №23

Масса и площадь поверхности диспергируемых капель металла в сталеразливочном ковше

Сафонов В.М., Смирнов А.Н., Проскуренко Д.В., ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет»

УДК 669.168

Работа посвящена определению площади поверхности диспергируемых в окислительную атмосферу рабочего пространства АКП капель металла. По результатам физического моделирования, а также данным аналогичных исследований, были получены зависимости, которые позволяют оценить количественные характеристики дисперсной металлической фазы. Согласно проведенному исследованию, масса диспергируемых капель может составлять 0,1 % от массы металла ковша, а площадь их поверхности 1% от основной площади поверхности границы раздела фаз «шлак-металл» и 20-35 % от общей площади открытого зеркала металла.

Ключевые слова: Диспергируемые капли металла, окислительная атмосфера, АКП, масса капель, площадь поверхности капель, расход газа

Продувка металла инертным газом в агрегате ковш-печь (АКП) с целью перемешивания приводит к раскрытию части поверхности зеркала металла от шлака в месте выхода инертного газа. Непокрытая шлаком поверхность зеркала металла (область «пятна») становится уязвимым местом воздействия атмосферы рабочего пространства агрегата, содержащей вредные газы (азот, водород, кислород).

Существуют научные работы [1-8], которые посвящены исследованию состояния области «пятна»от интенсивности продувки.Вместе с тем, пневматическое перемешивание металла кроме раскрытия зеркала металла, приводит к выбросу в рабочее пространство капель металла (диспергирование), которые при контакте с атмосферой адсорбируют на своей поверхности нежелательные элементы газовой фазы[9] и переносят их в основной объем ванны металла. Поэтому для процессов вторичного окисления металла необходимо учитывать не только площадь поверхности области «пятна», но и величину дополнительно образуемойплощади поверхности дисперсной металлической фазы.

В научной литературе существует не так много исследований [10,11] по данной проблеме, где описаны закономерности образования капель со свободной поверхности жидкости. Однако в них закономерности исследуют от величины газовых пузырей. Вместе с тем, известно, что с изменением расхода газа размеры пузырей могут изменяться, это определяет необходимость уточнения данных о массе диспергируемых капель непосредственно от расхода вдуваемого газа.

Цель работы определить количество массы и площадь поверхности диспергируемых капель металла от интенсивности продувки.

Получить такие данные в условиях высоких температур весьма сложно, поэтому для исследования был использован метод физического моделирования.

Методика определения массы диспергируемых капель от расхода вдуваемого газа заключалась в том, что на физической водной модели диаметром 24 см и высотой 40 см, наполненной водой, моделирующей металлическую ванну ковша, улавливалиобразующиеся над поверхностью жидкости капли. Ванну модели продували снизу сжатым воздухом расходом 0,3; 0,4; 0,6; 1 л/мин через пористое продувочное устройство, расположенное по центру модели, в течение 5 мин, после чего отобранные капли жидкости взвешивали.

После обработкиэкспериментальных данных было получено выражение (1), которое позволяет определить массу капель диспергируемых с поверхности ванны модели в единицу времени от расхода вдуваемого газа:

Из уравнений (4) - (6), можно также получить выражение (7), которое как и выражение (2) позволяет определитьмассу капель металла диспергируемыхв рабочее пространство АКП:

Однако в отличие от (2) уравнение (7) позволяет учитывать влияние размера газовых пузырей.

Результаты расчета массы капель в зависимости от расхода газа по выражениям (2) и (7) (для диаметра пузырей 9, 11, 13 и 15 мм) представлены на рис. 1. Из рис. 1 следует, что выражение (2) по данным физического моделирования совпадает с результатами модели построенной на уравнениях(3) – (7) для диаметра газовых пузырей 15 мм. Представленные зависимости позволяют сделать вывод о том, что использование продувочных устройств,образующих мелкие пузыри в ванне металла,будет способствовать увеличению массы диспергируемых капель металла.

На рис. 2 представлена зависимость изменения площади капель от расхода газа и диаметра газовых пузырей. Рис. 2 указывает на то, что с уменьшением величины разрушающихся пузырей на свободной поверхности металла, а также с увеличением расхода вдуваемого газа площадь поверхности капель увеличивается. Вместе с тем, интересно соотнести площадь капель металла с площадью межфазной поверхности шлак-металл и площадью области «пятна». Результаты соотношения представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно.

Согласно зависимости рис.3 площадь капель, образующихся пузырями диаметромболее 15 мм едва способна покрыть 1 % площади межфазной поверхности шлак-металл. Вместе с тем, дисперсия капель увеличивает поверхность с атмосферой рабочего пространства на 20-35% (рис. 4).

Таким образом, в ходе исследования получены зависимости, которые позволяют определить площадь дополнительной поверхности диспергированных капель металла с окислительной атмосферой рабочего пространства АКП.

Расчеты указывают на то, что масса диспергируемых капель не превышает 0,1% от массы ванны ковша, а площадь межфазной поверхности этих капель составляет не более 1 %от основной площади поверхности «шлак-металл» и 20-35 % от общей площади открытого зеркала металла.

Библиографический список:

  1. D.Mazumdar, J.W. Evans. A Model for Estimating Exposed Plume Eye Area in Steel Refining Ladles Covered with Thin Slag // Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 35B, - April 2004, - P. 400-401.
  2. K.Krishnapisharody, G.A. Irons. Modeling of Slag Eye Formation over a Metal Bath Due to Gas Bubbling // Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 37B, - October 2006, - P. 763-772.
  3. K.Yonezawa, K. Schwerdtfeger. Dynamics of the Spout of Gas Plumes Discharging from a Melt: Experimental Investigation with a Large-Scale Water Model // Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 31B, - June 2000, - P. 461-468.
  4. Subagyo, G. A. Brooks, G. A. Irons. Spout Eyes Area Correlation in Ladle Metallurgy // ISIJ International, Vol. 43 (2003), No. 2, pp. 262–263, K.
  5. Yonezawa, K.Schwerdtfeger. Spout Eyes Formed by an Emerging Gas Plume at the Surface of a Slag-Covered Metal Melt // Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 30B, - June 1999, - P. 411-418.
  6. K.Yonezawa, K.Schwerdtfeger. Height of the Spout of a Gas Plume Discharging from a Metal Melt // Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 30B, - August 1999, - P. 655-660.
  7. K. Krishnapisharody, G.A. Irons. A Study of Spouts on Bath Surfaces from Gas Bubbling:Part I. Experimental Investigation // Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 38B, - June 2007, - P. 367-375.
  8. D. Guo, G.A. Irons. A Water Model and Numerical Study of the Spout Height in a Gas-Stirred Vessel // Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 33B, - June 2002, - P. 377-384
  9. Сергиенко В.Г., Сапиро С.И. Меджибожский М.Я, Дворяников В.А., Курапин Б.С. Процесс переноса азота корольками металла в ванну мартеновской печи // Известия ВУЗов. Чернаяметаллургия. 1972, - №4, -С.72-74.
  10. GuezennecA.G., HuberJ.C, PatissonF, SessiecoPh., BiratJ.P., AblizetD. Dust Formation by Bubble-burst Phenomenon at the Surface of a Liquid Steel Bath // International, 2004, Vol.44, P.1328-1333.
  11. L. Holappa, L. Forsbacka, Z. Han. Measuring and Modeling of Viscosity and Surface Properties inHigh Temperature Systems // ISIJ International, Vol. 46 (2006), No. 3, pp. 394–399
  12. N. Reinke, A. Vonacke, W. Schutz,M.K.Koch and H. Unger. Aerosol Generation by Bubble Collapse at OceanSurfaces // Water, Air, and Soil Pollution: Focus 1: pp.333–340, 2001.

© Сафонов В.М., Смирнов А.Н., Проскуренко Д.В., 2011

СОДЕРЖАНИЕ Доклад №23

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ