CC BY
25
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕСИТЕТУ 2002р. Вип.№12
УДК 669.046.564.001.573
Яковлев Ю.Н.1 , Величко А.Г. 2
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УДАЛЕНИЯ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА ИЗ МЕТАЛЛА В ГАЗОВУЮ ФАЗУ ПРИ ВАКУУМИРОВАНИИ В КОВШАХ
В работе показано, что удаление водорода и кислорода при еакуумироеании в ковшах с продувкой аргоном происходит в пузыри СО, пузыри аргона и через открытую поверхность металла. Наибольшее количество кислорода (60 - 70 %) удаляется в пузыри СО, наибольшее количество водорода (60 - 80 %) удаляется через поверхность металла
Наиболее эффективным способом дегазации стали является ее вакуумирование. При этом широко используется метод вакуумироваиия в ковше с одновременной продувкой инертным газом. Для исследования процесса дегазации была использована ранее описанная двухмасштабная модель вакуумироваиия [1].
В реальных условиях вакуумной обработки стали в ковшах с продувкой инертными газами удаление водорода и кислорода в газовую фазу может осуществляться по трем статьям: в пузыри СО, образующиеся при раскислении стали углеродом; в пузыри инертного газа; через поверхность металла, обнаженную от шлака.
Во всех этих трех случаях из металла к границе с газовой фазой направлены три потока: водорода, углерода и кислорода. При этом можно считать, что поток углерода эквивалентен потоку кислорода для образования СО.
Образующиеся при окислении углерода с отсутствием других газов пузыри СО в момент зарождения и до отрыва от центров зарождения практически не содержат водорода. При наличии в металле нескольких растворенных газов их парциальные давления в образующихся пузырях должны быть равновесными с содержанием газов в металле. Тогда парциальные давления водорода и СО в пузыре будут
\Кн )
Рсо = Кс[С][0]. (2)
При дальнейшем росте пузырей в их объемы будет происходить диффузия водорода, кислорода и углерода с образованием СО на поверхности пузыря. Концентрации водорода и кислорода на границе пузырь - металл, равновесные с содержанием соответствующих примесей в металле будут
[.Н]г=кн^ (3)
[01=Рсо'тКс) (4)
Все реакции удаления газов из металла гетерогенны и их скорости пропорциональны площадям поверхности, на которой происходит взаимодействие. При отклонении системы от равновесия, из объема металла к его границе с газовой фазой направлены потоки водорода и кислорода с углеродом. В работе принято, что площади, занятые потоками, пропорциональны величинам этих потоков, которые могут быть выражены следующим образом:
Зн =0яРП-[#]Д (5)
]0_с =1,75/?0([0]-[0]Д (6) где
[Н]г и [0]г - концентрации, равновесные с соответствующей газовой фазой, которые рассчитаны по формулам (3) и (4), /Зн и Д,- коэффициенты массоотдачи водорода и кислорода на границе металл -газовая фаза.
НМетАУ, д-р техн. наук, проф. НМетАУ, д-р техн. наук, проф.
В свою очередь парциальные давления индивидуальных газов в смеси вычисляли по выражению
к /мг)Р
= -777Т' (7) где Пг ~
масса данного газа в газовой фазе, М, - его молекулярная масса, Р - общее давление, равное сумме всех давлений, действующих на пузыри СО и аргона, а на поверхности металла - остаточное давление в вакуумкамере. Площади поверхности, на которые действуют потоки водорода и кислорода с углеродом равны
=~.-:-(8)
^ос, = . ]о~с: , (9)
Jн¡ ^ ]о-с1
где Spi - полная поверхность раздела газ-металл для соответствующей статьи его удаления. Массы водорода и СО, диффундирующие в соответствующую газовую фазу будут
т
тт=\рн([Н]-[Н]г)8Н1с1т, (10)
О
т
тпса=1,75\ро([0]-[0]г)8 ^х, (11) где т-
о
время всплывания пузырей СО и аргона. Общая масса газов, удаляемых в пузыри, в этом случае получается умножением на частоту их образования; для открытой поверхности металла т - время соответствующего периода расчета (обычно 1 секунда).
Состав металла по содержанию водорода, кислорода и углерода вычисляли по разности концентраций примесей на предыдущем и последующем шага расчета с учетом убыли примесей в соответствующей статье расхода
[Щк+г = [Н\ ~ 'У (12)
1 о "м
\0\+1 = [0\ - 2, ] —--¿т (13)
1 0
" Г 12 ™С0 (Т)УРг
[С]*+1 = 'У ¿т, (14)
1
где к - номер шага расчета, п - количество статей удаления газов, уР - частота образования пузырей. При расчете удаления газов через поверхнось металла частота образования пузырей не учитывалась; концентрация веществ выражена в кг/м3. Решение системы уравнений (5) - (14) производилось численными методами.
Поведение системы металл-газовая фаза при удалении кислорода и водорода изучали для случая изменения содержания кислорода в пределах 0,002 - 0,01 %, расхода аргона при продувке 0,10 - 0,25 м3/мин, количества сопел в дутьевой вставке 1-20. Для всех случаев принимали массу металла в ковше - 100 т, высоту слоя металла - 2,9 м, содержание углерода в металле - 0,6 %.
Анализ полученных результатов показал, что наблюдается уменьшение скорости удаления водорода с ростом содержания кислорода Последнее явление кажется необычным , так как с увеличением содержания кислорода возрастает количество пузырей СО и, казалось бы должно быть возрастание удаления кислорода в эти пузыри. Это объясняется тем, что доля площади, занятая потоком водорода с ростом содержания кислорода падает, а следовательно растет доля площади, занятая потоком кислорода (рис.1), то есть поток кислорода как бы блокирует поверхность пузырей СО. Аналогичная картина наблюдается при распределении площади -
го et
Ч о
3
о с IZ
12
16
20
-1А -1Б -1Б -2А -2Б -2В
Рис.1 - Площадь, занятая потоком водорода: А - пузыри СО. Б - пузыри аргона, В - поверхность металла; начальое содержание кислорода: 1 - 0,002 %. 2-0,01 %.
Время, мин
пузырей аргона и открытой от шлака поверхности металла между потоками водорода и кислорода. Таким образом, во всех статьях удаления газов доля поверхности раздела металл-газовая фаза, занятая потоком кислорода с повышением его содержания возрастает.
Удаление кислорода происходит, главным образом в пузыри СО. Доля удаляемого кислорода в пузыри СО в большинстве вариантов расчета составляет 60 - 70 % и только при увеличении количества сопел в продувочной фурме доля удаляемого кислорода в пузыри СО падает до 40 %, но при этом возрастает доля удаления водорода в пузыри аргона в связи с повышением их удельной поверхности, а, следовательно, и общей поверхности.
12
16 20 Время, мин
Рис.2 - Влияние количества сопел в продувочной фурме на статьи удаления кислорода; статьи удаления: А - в пузыри СО, Б - в пузыри аргона, В -через поверхность: количество сопел: 1 - 1, 2 -20
Основное удаление водорода (50-70 %) происходит через открыту ю поверхность металла. Так, при повышении содержания кислорода в металле (рис.3), доля водорода, удаляемого через открытую поверхность металла, возрастает, а по другим статьям уменьшается, что связано с блокированием поверхности пузырей СО и аргона потоком кислорода.
Существенно возрастает доля водорода, удаляемого через поверхность металла при ее увеличении. Последнее может быть объяснено тем, что поток кислорода предпочтительнее блокирует поверхность пузырей. Увеличение расхода аргона приводит к возрастанию доли водорода, удаляемого в пузыри аргона и уменьшению его доли, удаляемого в пузыри СО.
Время, мин
—О—ЗА —О—ЗБ
—д—зв
Рис.3 - Влияние содержания кислорода на удаление водорода по статьям: А - в пузыри СО, Б - в пузыри аргона, В - через поверхность; содержание кислорода: 1 - 0,002 %. 2-0,01 %.
Выводы
Увеличение количества сопел в продувочной фурме несколько повышает долю водорода, удаляемого в пузыри аргона, и понижает долю удаляемого в пузыри СО (рис. 4)
Рис.4 - Влияние количества сопел в продувочной фурме на статьи удаления водорода; статьи удаления: А - в пузыри СО, Б - в пузыри аргона, В - через поверхность металла; количество сопел: 1-1, 2-20.
Во всех вариантах изменения технологических параметров наблюдается блокирование значительной части поверхности раздела металл-газовая фаза потоком кислорода. Это связано с тем, что потоки кислорода по массе примерно на порядок выше потоков водорода. При изменении технологических параметров происходит процесс саморегулирования перераспределения потоков водорода и кислорода. Это в первую очереди связано с большим отклонением реакции образования СО от равновесия.
Перечень ссылок
¡.Яковлев Ю. Н., Величко А. Г., Камкина Л. В. Динамическая модель окисления углерда при вакуумной обработке стали в ковшах.// Вюник Приаз.держ.техн.ун-ту: 36. наук, пр.- Мар1уполь, Вип.Ю.-С. 45-50.
Яковлев Юрий Николаевич. Д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры теории металлургических процессов Национальной металлургической академии Украины, окончил Днепропетровский металлургический институт в 1949 году. Основные направления научных исследований - гидродинамические процессы при разливке стали, неравновесные процессы в металлургических агрегатах, математическое моделирование металлургических процессов.
Величко Александр Григорьевич. Д-р техн. наук, профессор, ректор Национальной металлургической академии Украины, профессор кафедры металлургии стали, окончил Днепропетровский металлургический институт в 1974 году. Основные направления научных исследований - взаимодействие газовых струй с металлом, обработка жидкой стали в вакууме, управление процессами вакуумирова-ния, внепечная обработка стали.
Статья поступила
21.03.2002г.
