CC BY
21
В!СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УШВЕРСИТЕТУ
2005 р.
Вип. № 15
УДК 669.046.564.001.573
Яковлев Ю.Н.\ Голуб И.В.2
ИССЛЕДОВАНИЕ НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УДАЛЕНИЯ ГАЗОВ ИЗ СТАЛИ ПРИ ВАКУУМИРОВАНИИ С ПРОДУВКОЙ МЕТАЛЛА ГАЗОВЫМИ СМЕСЯМИ
Приведены данные исследования па математической модели процессов массообмена при вакуумировании с продувкой аргоном и азотом. Показано, что частичная или полная замена аргона азотом не влияет на удаление из стали кислорода и водорода.
Общепринятым мнением является недопустимость попадания азота в жидкую сталь, так как при его растворении в железе сталь становится склонной к старению. В связи с этим использование газов с повышенным содержанием азота (воздушное дутье, кислородное дутье с повышенным содержанием азота 1 - 5 %) считается недопустимым. Однако имеются некоторые данные о продувке низкоуглеродистого металла азотом при ковшевой обработке.
В настоящей работе проведено исследование, на математической модели, по прогнозированию изменения содержания газов в металле при одновременной обработке в вакууме и продувке его чистым азотом или смесью азота с аргоном. Использование такой смеси позволит удешевить ковшовую обработку.
Решение задачи удаления газов из металла требует определения термодинамических и кинетических параметров такого процесса. Удаление газов может происходить по трем статьям: в пузыри СО при протекании реакции обезуглероживания, в пузыри аргона и через поверхность металла. Реакция удаления кислорода, азота и водорода (образования молекул N2. СО, Н2) протекает на повстхности раздела металлической и газовой фаз.
Характер процессов массообмена между растворенными в металле газами (|Н|. |Ы|. |0|) и пузырями барботирующих газов будет определяться ходом системы к равновесию. Процесс массоотдачи газа, растворенного в металле, с пу зырем может быть описан выражением
где /3\ - коэффициент массоотдачи между металлом и пузырем. |/'| и |/ || - концентрация газа в металле и равновесная с пузырем, ,$— площадь поверхности раздела газ-металл, т- время всплывания пузыря. Равновесие связано с растворимостью газов при определенном парциальном давлении этого газа в пузырях.
В литературе, посвященной газам в стали, в частности водороду 11. 2. и др. | приводится большое количество выражений для константы равновесия реакции И2 = 2|Н|, расчеты по которым дают величины, расходящиеся не более чем на 10 % отн. В основу модели взято выражение, полученное Дж. Чипмсном и приведенное в 111
где [%Н] - концентрация водорода, %; Рщ - парциальное давление водорода в газе, атм. Аналогично водороду, растворение азота в металле протекает по реакции N2 — 2|Ы|. Выражение для константы равновесия этой реакции 111 имеет вид
(I)
о
(2)
где Р\2 - выражается в атм, а |%Ы | в %.
1 НМетАУ. д-р техн. наук, проф.
2 НМет АУ, аспирант.
При расчетах равновесия в системе металл - пузыри необходимо знать парциальные давления реагирующих газов в пузыре. При наличии нескольких газов в пузыре [/1|, | / з|, ... |/ ,|
парциальное давление каждого газа может быть определено по выражению
» (4)
' (т, /Л/, +пк /М, + ... + /И /М.)'
у 1 < \ 2 < 2 1. ! I '
где /77у, /77?, ... к?! - массы газов в газовой смеси, М^ М2. ... М, - молекулярные массы этих газов, Р - общее давление, под которым находится газовая смесь.
При отсутствии перехода растворенного газа из металла непосредственно в атмосферу основное его удаление происходит через поверхность металл - пузырь. Процесс перехода растворенного газа из металла в пузырь является гетерогенным и состоит из следующих стадий: а) диффузия в объеме металла; б) диффузия через пограничный слой; в) адсорбционно-кинетический акт на поверхности пузыря; г) диффузия газа в объем пузыря.
Диффузия в объеме металла имеет турбулентный характер и согласно расчетам [3] обеспечивает быстрое усреднение состава и температуры металла по объему и. следовательно, лимитировать процесс не может.
Определение лимитирующего звена в стадиях внешнего массообмсна (диффузия через пограничный слой) и внутреннего массообмена (диффузия в объем пузыря) может быть произведено по величине диффузионного числа Био, которое является мерой отношения внешнего массообмена к внутреннему
¿1 /V
где р - коэффициент массоотдачи от металла к пузырю, / - характерный размер тела (диаметр пузыря), /V - коэффициент диффузии газа в пузыре. Считается, что при значениях В/ < ОД лимитирующим звеном является внешний массообмен. Получены следующие значения коэффициентов диффузии при Т- 1850 К иР - 0,25 МПа (таблица 1)
Таблица 1 - Значения взаимных коэффициентов диффузии в бинарных смесях газов (м2/с) при Т — 1850 К и различных давлениях
' • (5)
Система Н2-Аг н2-со Н2 - N2 СО-Аг N2- Аг СО-N2
!>= 0,25 Мпа 6,46. ИГ4 6,43.10"4 6,4.10"4 1,7. ИГ4 1,7. И)*4 2. И)*4
Р = 1000 Па 0,16 0,16 0,16 0,042 0,042 0,05
Для расчета коэффициента массоотдачи использована формула Ричардсона [2]. Сопоставление данных, рассчитанных по различным формулам, приведено в таблице 2, где также указаны экспериментальные данные приведенные в [ 61.
Таблица 2 - Сопоставление коэффициентов массоотдачи (м/с)_
Газ [5] [4] [2] [6]
Ам1К Амдх Д\] ] N />млх /Л.11 к Дмлх
[Н] 9,9.10"4 1,2.10'3 8.10"4 2.10° 9,4. Ю-4 2,4.10° 9,1.10'4
Ю| 1,2. К)"4 1,4. К)"4 2,65.10"4 6,7. ИГ4 1,95. ИГ4 4,7.10"4 -
|М| 6,8.10° 7,6.10° 1,97. ИГ* 4,9.104 1,2.1 (Г* 3.1 (Г* 1.48. КГ*
Наиболее близки к экспериментальным данным результаты по формуле из |2| при минимальных значениях /?, что ближе соответствует условиям проведения эксперимента.
За основу величин коэффициентов диффузии газов в металле (м /с) приняты данные приведенные в [7| (таблица 3). Данные таблицы 4 свидетельствуют о лимитировании массообмсна между металлом и пузырем внешним массообменом.
Главной целью вакуумной обработки стали является удаление примесей, которые могут переходить в газовую фазу: кислорода, водорода, азота и некоторых других. Это удаление обеспечивается за счет понижения парциального давления составляющих газовой фазы как в объеме металла - в виде пузырей, так и в пространстве над металлом. В связи с этим произведен анализ процессов, связанных с переходом растворенных в металле газов в пузыри продувочного газа.
Таблица 3 - Коэффициенты диффузии газов в металле
Таблица 4 - Условия массообмена
т, к 1823 1873 1923 1973
DH. Ю7 3,24 3,51 3,73 _
A,. 10s 1,22 1,35 1,52 —
£>v.lOy 5,92 5,50 5,89 6,3
между металлом и пузы] рем газа
Газ Расчет по (5) Эксперимент
В 1min Bimax [7]
[HJ 0,11 0,15 0,4
[О]. 0,11 -
[N] 0,053 0,07 0,087
Такой переход осуществляется за счет разности фактической и равновесной концентраций соответствующих составляющих газовой фазы. Парциальное давление /—го газа в каждой фазе рассчитывается по выражению(4). По величинам парциальных давлений рассчитаны мольные доли компонентов в газовой фазе (общая их сумма равна единице).
Давление СО в пузыре, равновесное с металлом, определяется суммой давлений
^СО ~ Рat + Рм + psgHs + 2а !г , (6)
где - остаточное давление в вакуумной камере, рм и ps — плотности металла и шлака, Нм и Hs - толщины слоев металла и шлака над пузырем, g- ускорение свободного падения, а - поверхностное натяжение, г - радиус пузыря.
В свою очередь парциальное давление СО равновесное с концентрациями углерода и кислорода в металле, будет
Рсо =ЕО][С]Кс . (7)
Для возникновения пузыря СО необходимо условие > Рсо .
Из этих выражений выводится глубина зарождения пузыря СО от поверхности металла Нгш <([OMC]Kc-Pa,-psgHs -2<r/r)/p„g. (8)
В среднем глубина зарождения пузырей СО от поверхности составляет около 0,8 м и по мере снижения концентрации кислорода в металле она падает.
Подвод продувочного газа в объем металла обычно осуществляется вблизи поверхности днища ковша, проникнув в объем металла, пузыри сразу же принимают давление, равное (равновесное) с внешним давлением и Рсо в них будет
Рсо я Р°* + РмФм + PsSHs +2а /г, (9)
На рис.1 представлено изменение состава газовой смеси в пузырях СО при продувке чистым аргоном. Видно, что по мере всплывания пузырей (уменьшение расстояния от поверхности) доля СО в пузырях падает и за счет этого повышается доля водорода и азота. Особенно повышение их концентрации заметно при расстоянии от поверхности менее 0,2 м.
О О,0,5 ii„75 Расе?. ОТ 1ЮЙС|»1Ц
0,2 0,4 0,6 Рксс. лгшверхн, м
?ис. 1 - Содержание газов в пузыре СО, мольные Рис, 2 - Содержание газов в пузыре СО, (мольные доли; 1 СО, 2 - Н2, 3 - а - через 2 мин, , б - доли): 1 - СО, 2 Н2> 3 - N2 , а - через 2 мин. , б -через 18 мин. после начала процесса (расходы через 18 мин. после начали процесс (расходы аргона - 0,4 м3/мин,, азота - О м3/мин.) аргона - 0, азота - 0,4 м3/мин.)
При замене аргона азотом (рисунок 2) основу газовой фазы в более г лубоких слоях продолжает составлять СО, но по мере подъема пузырей к поверхности металла в них также существенно возрастает доля азота, а вблизи поверхности содержание азота в них становится превалирующим.
При использовании смеси аргона и азота в качестве продувочного газа содержание этих составляющих в пузырях, в сумме, близко к мольной доле равной единице, при этом изучалось только содержание в них СО и водорода, а при продувке чистым аргоном также и азота,
На рис. 3 представлено изменение содержания СО, водорода и азота в пузырях при продувке чистым аргоном. Содержание газов в пузыре относительно низко (тысячные мольных долей). С повышением толщины слоя металла их содержание приближается к нулю. По мере увеличения времени продувки содержание СО и водорода снижается, что связано с общим снижением содержания этих газов в металле. Содержание азота изменяется очень слабо, так как имеет место довольно низкое его удаление.
О.ООб
о в з з
Рвсет. -!«т ш
Рис. 3 - Содержание газов в пузыре аргона, мольные доли: 1 - СО., 2 - Н2, 3 - N2: а - через 2 мин., б - через 18 мин. после начала процесса (расходы аргона - 0,4 м^/мин., азота - 0 мд/мин.).
ВЧчсп1. «м- новсрхм. „ м
Рис. 4- Содержание газов в пузыре Аг+-Ы2, мольные доли: I - СО, 2 - Н2; а - через 2 мин., б - через 18 мин. после начали процеса (расходы аргона - 0,2 м3/мин.. азота - 0,2 м /мин.)
При замене аргона азотом (рис. 4) содержание аргона и азота в смеси, в сумме, близко к единице. При этом также содержание СО и водорода в пузырях составляет мольные доли близкие к тысячным. С приближением пузырей к поверхности металла их содержание возрастет в связи с увеличением, времени диффузии и снижением общего давления. Содержание водорода в пузырях продувочного газа практически не зависит от его состава. С увеличением времени продувки содержание водорода и СО в пузырях снижается.
Выводы
Результаты исследования показали, что при замене аргона в продувочном газе азотом поведение СО и водорода в пузырях практически остается одинаковым. Основу продуктов реакции обезуглероживания составляет СО. По мере удаления кислорода из металла содержание СО в пузырях продувочного газа падает, а за счет этого возрастает содержание водорода и азота. Содержание СО и водорода в пузырях продувочного газа не зависит от соотношения в нем аргона и азота.
Перечень ссылок
1. Явойский В. И. Теория процессов производства стали./ В.И.Явойский. - М.: Металлургиздат, 1963.- 820 с.
2. Меджибожскгш М.Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов / М.Я.МеджибожскшКиев-Донецк: Вища школа, 1986.-280 с.
3. Яковлев Ю. Н. Сопоставление математических моделей обезуглероживания металла с распределенными и сосредоточенными параметрами / Ю.Н.Яковлев П Математичне моделювання: науковий журнал.- 2003.- № 2(7). - С.57 — 60.
4. Шервуд Т., Массопередача / Т.Шервуд ,Р Пигфорд, И. Ушки -М.: Химия, 1982.- 696 с.
5. Мастрюков Б.С. Теплофизика металлургических процессов / Б,С.Мастрюков. - М.: МИСИС, 1996,-268 с.
6. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали / Г.Кнюппель. - М.: Металлургия, 1973. -312 с. •
7. Чуйко II.М. Теория и технология электроплавки стали / ILM. Чуйко, А.Н. Чуйко. - Киев -Донецк: Вища школа, 1983. -248 с.
Статья поступила 29.03.2005
