Вестник ДонНУ, №1, 2005 г.

УДК 532.516:669 Н.И. Захаров, Ф.В. Недопёкин, И.С. Мачковский
Влияние электростатического поля на тепломассообменные процессы при вакуумировании металла

      Вакуумирование – традиционный способ дегазации жидкого металла. Для интенсификации процесса расплав продувают инертным газом [1]. Использование электростатического поля при вакуумировании стали возможно в нескольких направлениях. Во-первых, для интенсификации вакуумирования, т.к. электростатическое поле отрицательного потенциала, при значительных напряжённостях срывает положительно заряженные частицы удаляемого газа с зеркала металла (потенциал 5-30кВ на расстояниях 1.7см электрода от поверхности неподвижного расплава [2]). Во-вторых, как индикатора относительной завершённости процесса дегазации при малых напряжённостях этого поля на зеркале металла [3]. Использование электростатического поля в этом качестве практически не влияет на распределение атомов удаляемого водорода на границе «вакуум-металл», но приводит к энергосбережению. Поле умеренной напряжённости лишь перераспределяет эти частицы по рассматриваемой границе. Последнее представляет собой значительный интерес, т.к. для движущегося (под влиянием продувки инертным газом) металла этот процесс исследуется впервые. Характер распределения заряженных частиц удаляемого газа по зеркалу металла зависит как от формы электрода и напряжённости электростатического поля, так и скорости расплава на этой границе и влияет на диффузионный процесс в объёме металла, особенно вблизи границы «вакуум-металл». Учёт этого влияния достигается постановкой граничного условия к уравнению конвективной диффузии:

     Уравнение конвективной диффузии (1) должно быть дополнено уравнениями конвективной теплопроводности и гидродинамики. При движении зеркала металла относительно электрода наблюдается непрерывная последовательность перераспределения заряженных водородных частиц по этой границе под влиянием поля электрода. Частицы в каждый момент времени стремятся к равновесию с внешним полем. Это приводит к поверхностному электрическому току, который технически трудно измерить. Индукция этого тока может квалифицироваться как «электродинамическая индукция», которая вырождается в обычную электростатическую при приближении к нулю скорости движения расплава относительно источника электростатического поля. Предложенный механизм переноса, представленный в работах [4,5] и разработанный одним из авторов под руководством заслуженного деятеля науки и техники Украины проф. Дюдкина Д.А. заложен в объяснение и построение теории экспериментальным путём, обнаруженного этого нового электрического эффекта оказался перспективным [6]. Если лимитирующим звеном массопереноса при дегазации металла в вакууме является кинетическое звено, то электростатическое поле, перераспределяя атомы удаляемого газа по зеркалу металла, может способствовать образованию очагов десорбции этого газа в полость вакууматора [7,8]. Теоретическая модель [4,6] разработана для случая достижения в системе электродинамического равновесия, когда своего рода «удерживание» одних частиц удаляемого газа на зеркале металла сопровождается потерей других. При этом на межфазной границе формируются сгустки этих частиц. Собственное их электрическое поле уравновешивается внешним полем. В зависимости от скорости релаксационных процессов, определяемых скоростью движения расплава, рассматриваемые сгустки ионов будут в большей или меньшей степени размыты. При очень высокой (теоретически-бесконечной) скорости релаксации наступает динамическое равновесие в системе. Таким образом, статическое равновесие зарядов при электростатической индукции заменяется динамическим в данном явлении. Пусть отклонение реальной концентрации C/n удаляемого газа в любой точке границы «вакуум-металл» от равновесного Сn , определяемого методикой [4,6], для хаотического движения этих ионов подчиняется нормальному закону распределения:

     Вероятность попадания C/n в заданный интервал значений [9] :

      В итоге имеем:

     где, очевидно, К(0)=3, а К/(0) определяется либо теоретически, либо экспериментальным путём.
     Т.е. обсуждается проблема постановки граничного условия для уравнения конвективной диффузии на границе «металл-вакуум» в условиях одновременного воздействия на расплав вакуума, продувки инертным газом и электростатического поля. Выражение для концентрации Сn удаляемого из металла газа на рассматриваемой границе даётся соотношением, включающим парциальное давление этого газа в полости вакууматора, напряжённость электростатического поля и касательную составляющую скорости расплава на этой границе. При =0 и =0 это соотношение вырождается в известный закон Сивертса квадратного корня, и, следовательно, является обобщённым. Утверждается, что для определения конкретного вида этого базового соотношения необходимо привлечь данные по новому, рассмотренному в работе, электрическому эффекту. В направлении разработки обобщённого соотношения (2) и необходимо направить усилия учёных. Даётся оценка величины доверительного интервала по значениям отклонения Сn от динамически равновесного значения на основе теории вероятностей.