Процеси тепломассопереноса, перенесення імпульсу (гидрогазодінамічеськіє), а також електроперенесення мають визначальний вплив на регулювання складу і температури металу в технологіях його позапічного рафінування від газів, до яких перш за все відносять обробку розплаву інертним газом і порошковим дротом, вакуумування, а також дію електростатичного поля [1]. Відомо, що гази, наявні в металі, погіршують його експлуатаційні властивості. Так, наявність в нім водню підвищує флокеночувствітельность і схильність до утворення тріщин. Азот збільшує забрудненість нітріднимі включеннями і підвищує схильність нелегованого металу до старіння. Кисень утворює з різними елементами, що входять до складу металу, оксидні включення і тим самим підвищує його забрудненість і погіршує характеристики пластичності і міцності. Для видалення газів з металу в даний час застосовують різні способи позапічної обробки, які мають значну перевагу, в порівнянні з рафінуванням металу в печі як відносно швидкості процесу, так і глибини рафінування [2,3]. Відповідно до Національної Програми розвитку ГМК України, позапічна обробка металу і ковшевая металургія в цілому повинні стати найважливішою ланкою металургійних технологій, оскільки якість металопродукції, яку вони підвищують, є одним з основних чинників в конкуренції вільного ринку [1, С.219-232, С.254-273, 4]. Характерний, що споживачі металу і його продукції в Далекому Зарубіжжі доплачують за метал, оброблений позапічними способами. Недивно тому, що переважна частина металу цих країн піддається позапічній обробці, витрати на яку невимірний нижче за собівартість металу в злитках [5]. Відносна дешевизна і висока якість металу, обробленого даними способами, визначають перспективність ковшевой металургії, її розвиток і зростання масштабів [6,7]. У відміченій вище програмі акцентується необхідність широкого застосування установок позапічної обробки стали з використанням ресурсоенергосберегающих технологій. Останнє актуально для України, у якої, як відомо, невиправдано вища витрата матеріальних і енергоресурсів в порівнянні з економічно розвиненими країнами Далекого Зарубіжжя. Укорінений погляд на залежність ефективності технологій від витрати матеріальних і енергоносіїв ("Чим більше, тим краще") не витримує наукової критики. Навпаки, зниження цих витрат до рівня "золотої середини", тобто Оптимуму, дозволяє раціонально підходити до вирішення проблеми ресурсоенергосбереженія. Металурги-технологи, як відомо, своєю базою традиційно вважають фізичну хімію, проте значення теплофізічеського фундаменту не можна недооцінювати, оскільки він, по виразу видатного ученого-металурга проф. И.Д.Семикина, є "Матір'ю металургійних технологій" [1, С.286-294]. Саме цей фундамент включає найбільш сучасні методи дослідження цих технологій, зокрема, метод математичного моделювання на базі ПЕВМ, який дозволяє аналізувати складні процеси і отримувати нові відомості про них з істотно меншими витратами в порівнянні з натурними випробуваннями [1, С.26-38].
У всіх промислово розвинених країнах металургія вважається однією з найважливіших галузей економіки. За останні 50 років світове виробництво сталі збільшилося з 200 млн.т. до 800 млн.т.[1, C.219-232]. При цьому, найбільш істотні зміни відбулися в якісному вдосконаленні металопродукції. Це стало можливим завдяки впровадженню прогресивних ресурсоенергосберегающих технологій, особливо позапічної обробки металу.[1, С.508-513]. Разом з тим відома низька рентабельність української сталі, а її експорт йде за низькими світовими цінами унаслідок зниженого рівня необхідних для металу властивостей. Тому актуальним для України є широке застосування комбінованих ресурсоенергосберегающих позапічних процесів рафінування стали від шкідливих домішок [1, С.254-273]. Найбільш поширеним, класичним варіантом позапічної обробки металу є його продування інертним газом в ковші [1, С.431-446], яка останнім часом все більш розширює області свого застосування аж до дугової сталеплавильної печі [1, С.128-137] і кисневого конвертера [1, С.163]. По колишньому залишається перспективним іноді у частково перетвореному вигляді, порційне вакуумування (RH - процес) [8, 9]. За даними роботи [8] ефективність видалення водню в 2 рази, а азоту на 60% вище при порційному вакуумуванні, чим при циркуляційному. У ФРН шляхом збільшення потужності пароежекторного насоса, вдалося поліпшити умови видалення водню і продуктивність порційного вакууматора [9]. При цьому знижено до 2,5 мін година відкачування до досягнення вакууму 1,33 мбар, а тривалість роботи патрубка зросла до 150 плавок. Одним з перспективних видів вакуумування з метою дегазування металу залишається VD - процес, в якому ківш з розплавом поміщається у вакуумну камеру [10], завдяки гнучкості управління, технологічності і ефективності.Вельми ефективна дія електростатичного поля на розплав в процесі дегазування [11, 12]. Отже, при комплексному підході, що враховує керовану дію на рідкий метав можливо успішно підвищувати якість стали, а також інтенсифікувати рафінувальні процеси в ковші. Пекті з часом повинна статі лише плавильним і обезуглерожіваю-щим агрегатом, в якому забезпечується отримання напівпродукту. Доведення ж металу до кондиції шляхом коректування його химсостава і температури, а також забезпечення інших характеристик стали, пов'язаних з працездатністю і тривалим терміном експлуатації конструкцій, машин і механізмів, здійснюватиметься засобами позапічної обробки [1, С.254-273]. Дегазуюча дія продування металу інертним газом має місце за наявності різниці концентрацій газу, що видаляється, в об'ємі розплаву і поверхні "інертний газ - метав", дана характеристика на якій відповідає парціальному тиску газу, що видаляється, в інертному середовищі [13]. Продування рідкого металу інертним газом з метою дегазування, як відомо, найбільш ефективна для водню. Кисень і азот, як правило, знаходяться в розплаві у вигляді оксидних включень і стійких нітрідов. Крім дегазування, продування металевих розплавів інертним газом вирівнює за об'ємом їх температуру і хімічний склад унаслідок перемішуючої дії газової фази, а також рафінує розплав від неметалічних включень. Останнє відбувається, зокрема, за рахунок флотації, тобто прилипання включень, зважених в рідкому металі, до поверхні міхурів і видаленні їх з розплаву. Одночасно, унаслідок адсорбції, відбувається перенесення і поверхнево-активних компонентів рідкої фази. Адсорбційний шар при спливанні газових частинок зміщується в їх нижню частину, ущільнюється, і ці ділянки стають пересиченими [13]. Унаслідок адсорбції кисню на поверхні спливаючих міхурів при продуванні інертним газом недораськісленних сталей, має місце вуглецеве розкислювання. У роботі [14] автори, продуваючи метав через пористі елементи, показали, що завдяки аргоновому продуванню вуглецеве розкислювання розвинене настільки, що існує можливість глибокого дегазування розплаву від розчиненого кисню. При цьому зниження його змісту за даними даної роботи склало 30 - 70%. З роботи [15] виходить, що результати рафінування сталі, що не розкислює, від кисню унаслідок продування аргоном при атмосферному тиску можуть не поступатися результатам дегазуванню при продуванні недораськісленного розплаву аргоном у вакуумі. На практиці вказаний спосіб аргоново-кисневого рафінування розплавів знаходить широке застосування. Як відомо, при підвищенні інтенсивності ? продування ефективність дегазування, як правило, зростає. Проте детальне дослідження цієї залежності показує, що вона має складніший характер. Авторі роботи [16] на підставі проведених експериментальних досліджень роблять висновок, що не інтенсивність продування, а кількість газових міхурів, що упроваджуються в розплав в одиницю годині є домінуючим чинником підвищення ефективності процесів дегазування рідкого металу продуванням інертним газом. При високих інтенсивностях продування відбувається злиття окремих міхурів, призводячи до зниження площі поверхні контакту газ-метал і ефективності дегазування. Чинник розвитку міжфазної поверхні в збільшенні ефективності даних процесів істотно переважає над підвищенням ступеня турбулізациі металевої ванни [17]. Остання вирівнює температуру і концентрацію її компонентів, але істотно не впливає на масоперенос через область дифузійного прикордонного шару на межі "газ-метал". Це пов'язано з неперемешиваемостью останнього, оскільки режим обтікання газових міхурів рідиною є переважно безвідривним. Докладна класифікація режимів продування (бульбашковий, перехідний і струменевий) дана в роботі [18]. Слідуючи їй, бульбашковий режим відповідає спливанню дрібних міхурів, що не зливаються один з одним. Перехідний режим продування відповідає їх частковому злиттю, тобто включає дрібні і великі, унаслідок злиття, міхури. І, нарешті, струменевий режим продування, по класифікації авторів, це режим руху крупних міхурів, в які вироджується упроваджуваний в розплав струмінь інертного газу. Таким чином, зниження ефективності дегазації відбувається при виході режиму продування з бульбашкового у міру зростання інтенсивності продування. Не досліджено питання визначення енерго- і ресурсосберегающих режимів технології в умовах порційного вакуумування. Разом з тим дане питання відображене при звичайному вакуумуванні, коли дзеркало металу безпосередньо контактує з вакуумом [19]. Слідуючи результатам цієї роботи, при зростанні інтенсивності продування від нульового значення до деякої величини (режим дрібних міхурів) збільшується і ефективність дегазації розплаву. Це пов'язано із зростанням поверхні розділу "газові міхури - метал". Подальше зростання Ω приводить до зменшення ефективності дегазації унаслідок злиття окремих міхурів і, відповідно, зниження площі поверхні "газові міхури - метал". Разом з тим при цьому збільшується інтенсивність перемішування і оновлення частинками дзеркала металу, що контактує з вакуумом, що видаляються. Проте в цих умовах перший чинник виявляється сильнішим. І, нарешті, продовження зростання Ω приводить знов до зростання ефективності дегазації унаслідок переважання другого чинника над першим. Оптимальна інтенсивність продування лежить в області її бульбашкового режиму. В цьому випадку поєднується максимальна швидкість масопереносу з мінімальною витратою інертного газу, тобто висока ефективність процесу з максимальним енерго- і ресурсозберіганням. Важливо відзначити, що отриманий в лабораторних умовах характер залежності ефективності процесу від інтенсивності продування підтверджується результатами досвідчено-промислових досліджень. Швидкість видалення газу з металу зростає із збільшенням його початкової концентрації в розплаві і не залежить від природи інертного газу, використовуваного для продування [15]. Позитивний вплив на ефективність дегазації розплаву від конкретного газу (наприклад, водню) надає сумісне з ним видалення інших газів (азоту і кисню). Цей вплив пояснюється зниженням парціального тиску в міхурі даного газу і збільшенням поверхні розділу "газ-метал" [20]. Наявність поверхнево-активних елементів в металевому розплаві приводить до пониження швидкості масопереносу і ефективності його дегазації від водню і азоту [13]. При цьому ступінь впливу цих елементів істотно залежить від їх концентрації в металі. Ефективність дегазації рідкого металу від водню продуванням інертним газом на повітрі істотно залежить від вологості повітря і футеровки ковша. Отже, швидкість дегазації в загальному випадку складається з трьох складових, що характеризують взаємодію металу з міхурами інертного газу, атмосферою і футеровкой ковша. У роботі [15] встановлено, що поєднання продування металу з його випуском з печі в ківш приводить до підвищення ефективності процесу. Висока ефективність тут поєднується з чинником енерго- і ресурсозберігання, оскільки, по-перше, економиться теплова енергія плавильної печі унаслідок зникнення необхідності додаткового перегріву металу перед його випуском, а по-друге, економиться і інертний газ. Останнє виходить з того, що тиск робить термодинамічно несприятливий вплив на дегазацію і при заданих початкових і кінцевих концентраціях газів, що видаляються, витрата інертного газу прямо пропорційна тиску. Тому за інших рівних умов витрата інертного газу зменшуватиметься при зниженій висоті оброблюваного металу в ковші, що дає продування під час випуску розплаву в рафінувальний агрегат, а також при вакуумуванні. Відповідно до викладеним, інтенсивність продування виправдано підвищувати у міру зростання висоти розплаву в ковші під час випуску. У роботі [21] зіставлені між собою по ефективності різні способи позапічної дегазації рідкого металу в 10-тонному ковші: вакуумування в ковші, вакуумування методом переливу з ковша в ківш, вакуумування з одночасним продуванням аргоном через днище ковша, а також продування інертним газом при атмосферному тиску. Остання, хоч і поступається по ефективності попередньою, проте проста в експлуатації, не вимагає великих матеріальних і енергоресурсів, і може бути використана на багатьох металургійних заводах. З метою отримання дрібних міхурів продування рідких металів проводять через пористі елементи з порами малого діаметру. До додаткових переваг пір такого роду відносять підвищений ступінь використання інертного газу при продуванні, а також їх технологічність, оскільки крупні пори значно сильніше просочуються оксидами металу, які знижують стійкість вогнетривів [16]. Істотний вплив на швидкість масопереносу і ефективність дегазації рідкого металу продуванням інертним газом через пористі елементи має характер розподілу газу, що подається, по перетину днища ковша [15]. Так, продування через пористу пробку і порожнистий стопор з пористою головкою приводить до того, що рафінуванню піддається не більше 10% об'єму розплаву. У даній роботі встановлений факт залежності швидкості спливання міхурів від конструкції продувочного пристрою. Якщо при продуванні через пористу пробку швидкість підйому міхурів складає 0,22 м/с, то використання пористих швів в кладці днища ковша дає значення 0,14 м/с. Вказані експериментальні дані знаходяться у цілковитій згоді з роботою [22], в якій проф. М.Я.Меджибожским із співробітниками встановлено зростання швидкості міхурів при збільшенні інтенсивності продування з розрахунку на одиничний центр пузыреобразования. Отже, при збільшенні таких центрів для фіксованої сумарної інтенсивності продування значення Ω з розрахунку на одну пору зменшується, що і приводить до зменшення швидкості міхурів, що, у свою чергу, веде до збільшення часу їх спливання. Виходячи з вищевикладеного, представляється справедливим вивід, зроблений в [16], згідно якому для зниження швидкості виходу газу з капілярів і отримання мелкопузырькового режиму продування необхідно збільшувати кількість капілярів, тобто площа пористої частини продувочного пристрою з одночасним зменшенням діаметру капілярів. Використання високої відносної площі пористої частини продувочных пристроїв, дозволяє уникнути переходу бульбашкового режиму продування в струменевий, при якому ефективність дегазації знижується унаслідок зменшення площі поверхні "газ-метал". Критичне значення інтенсивності продування з розрахунку на одну пору визначає межу переходу в струменевий режим продування. Так, за даними роботи [23], для пори діаметром 0,6 мм це значення рівне 7 см3/с. У роботах [15, 24] даний огляд конструкції пористих вставок і пробок в днищі ковша. Наприклад, пенокорундовые вироби мають хороші показники по газопроникності, пористості, стійкості при високих температурах. В порівнянні з продуванням через фурму, використання даних вставок приводить до м'якшого характеру процесу, тут менше як площа відкритих ділянок на дзеркалі металу і його виплески, так і висота зон бурунів. Газопроникне за всією площею днище розроблене в [25]. У даній роботі газорозподільна система виконана у вигляді зафутированного вогнетривкою пористою масою колектора з радіально розташованими в сифоновому припасе розподільними трубками з отворами. Пористий вогнетривкий блок, що становить основу пористого днища ковша, може виконаються у вигляді усіченого конуса, який спільно з газонепроникним кожухом і газопровідною трубкою складає основу продувочного пристрою даного типу. Для зручності експлуатації зчленовування газопровідної магістралі з газовим трактом ковша в пористому вогнетривкому блоці здійснюється автоматично. У винаходах японських авторів продування рідкого металу інертним газом поєднується з одночасним вакуумуванням [26]. У роботі [26] це досягається соосновным розташуванням пористих елементів в днищі ковша зі всмоктуючим патрубком вакууматора. У винаході [26] в нижню частину патрубка вводять підведення інертного газу з метою перемішування розплаву і, отже, збільшення ефективності дегазації. Цей захід приводить до скорочення циклів порційного вакуумування з 52-72 до 30-50 на відповідальних і з 40-60 до 10-20 на решті марок стали. У американському патенті [27] продування металу через пористі елементи днища ковша поєднують з порційним вакуумуванням, а в роботі [28] - з вакуумуванням в ковші. Виправдана розробка пористих елементів у вигляді пористих швів в днищі ковша. Газопроникна футеровка днища ковша виконується у вигляді кладки із зазвичай вживаної вогнетривкої цеглини з швами, заповненими пористою масою, або у вигляді набивання такої маси з кусковим наповнювачем. По стійкості футеровки такі ковши не відрізняються від звичайних і додаткового обслуговування не потребують. Про рівномірний розподіл газу у вигляді дрібних міхурів за об'ємом розплаву автори [29] судили за зовнішнім виглядом останнього, який виглядав як при чистому кипінні сталеплавильної ванни. В цьому випадку на поверхні ванни не утворюється бурунів, а при достатній кількості шлаку метал з під нього не оголюється. Авторами даної роботи встановлено, що через 1 м2 кладки з пористими швами можна при надмірному тиску в декілька атмосфер вдувати до 360 м3/ч інертного газу, тобто скільки через кращі зразки пористих блоків. Метою роботи є дослідження процесів тепло- і масопереносу (на базі ПЕВМ і обробкою досвідчено-промислових даних) при позапічній дегазації металу комплексною дією вакууму, електростатичного поля, а також продування інертним газом.
Рафінування розплавів за допомогою електричного поля, не дивлячись на позитивні результати [11], до теперішнього часу не набуло широкого поширення. Під керівництвом заслуженого діяча науки і техніки України, проф., д.т.н. Д.А. Дюдкина була відпрацьована методика і проведені досвідчено - промислові дослідження в умовах Донецького металургійного заводу по впливу електростатичного поля на процес дегазації від водню рідкої сталі марок типу ШХ. Методика проведення експериментів передбачає використання, в основному, устаткування, що існує на заводі, без істотних додаткових матеріальних витрат. Суть способу використання впливу електростатичного поля на процес дегазації металу полягає в наступному. Ківш 5 з розплавом герметично накривається кришкою 3 (мал. 2.1). У кришку вмонтовується ізольований електрод 2, на який подається позитивний або негативний електричний потенціал. Другий електрод 4 має контакт з рідким металом. Вакуум - насосом через патрубок 1 створюється розрядка. За наявності напруги між електродами в просторі під кришкою виникає струм іонною, або іонний - електронної природи. Величина струму залежить від значення електричної напруги, його знаку, а також концентрації заряджених частинок, що формують струм. Розглянутий спосіб послужив основою для проведення досвідчено - промислових досліджень в електросталеплавильному цеху Донецького металургійного заводу. Вакуумування сталі проводилося порційним вакууматором фірми «Vakmetal». Порції масою 10 - 12 т вакуумованого при розрядці 1,0 - 1,2 млбар металу періодично опускалися в ківш 100 т. Перед вакуумуванням камера нагрівалася до 1300 З графітовим електродом завдовжки 206 мм і діаметром 80мм. Важливим завданням досліджень було визначення оптимальної тривалості процесу вакуумування і чинника енергозбереження.