Исследование тепломассообменных процессов при внепечной дегазации стали в электростатическом поле

Введение

Во всех промышленно развитых странах металлургия считается одной из важнейших отраслей экономики. За последнии 50 лет мировое производство стали увеличилось с 200 млн.т. до 800 млн.т. При этом, наиболее существенные изменения произошли в качественном совершенствовании металлопродукции. Это стало возможным благодаря внедрению прогрессивных ресурсоэнергосберегающих технологий, особенно внепечной обработки металла.В соответствии с Национальной Программой развития ГМК Украины, внепечная обработка металла и ковшевая металлургия в целом должны стать важнейшим звеном металлургических технологий, т.к. качество металлопродукции, которое они повышают, является одним из основных факторов в конкуренции свободного рынка.Характерно, что потребители металла и его продукции в Дальнем Зарубежье доплачивают за металл, обработанный внепечными способами. Неудивительно поэтому, что подавляющая часть металла этих стран подвергается внепечной обработке, затраты на которую неизмеримо ниже себестоимости металла в слитках.

Актуальность темы

Украина входит в десятку крупнейших производителей и экспортёров стали. Вместе с тем известна рентабельность украинской стали, а её экспорт идёт по низким мировым ценам вследствие пониженного уровня необходимых для металла свойств. Поэтому актуальным для Украины является широкое применение комбинированных ресурсоэнергосберегающих процессов внепечной дегазации стали

Моделирование диффузионного процесса дегазации на ПЭВМ и исследование тепломассообменных процессов.

Практическая ценность результатов работы

Получить математическую модель дегазации и графические зависимости тепломассообменных процессов от времени дегазации.

Основные часть

Проблема внепечной дегазации стали, связанная с повышением ее качества, на сегодняшний день остается актуальной. Существует перспективность использования электростатического поля для переноса ионов удаляемого газа из расплава стали в вакуум. Известно, что силы взаимодействия этих ионов с поверхностью металла могут быть значительные. Вместе с тем, объединение ионов в нейтральные молекулы облегчает их десорбцию в вакуумное пространство, так как силы, ответственные за связь нейтральных молекул с зеркалом металла (силы В-Д-Ваальса), сравнительно невелики. Возможны несколько вариантов использования вакуума с электростатическим полем в технологии внепечной дегазации стали от растворенных в ней водорода и азота. В первом из них создаются напряженности этого поля, превышающие критическое значение Eкр, при котором положительным ионам удаляемого газа на зеркале металла с помощью рассматриваемого поля сообщается энергия, которая превышает энергию связи ионов с металлом. Происходят срыв частиц с межфазной границы неподвижного расплава и интенсификация процесса дегазации. Это происходит при напряжениях 5-30 кВ при величине межэлектродного промежутка 1,7 см. Величина Екр, как известно, зависит от строения поверхностного слоя, а также от характера межчастичных связей. Во втором варианте, в котором при дегазации от водорода раскисленной стали порционным вакуумированием электрический потенциал отрицательного знака подавался на электрод подогрева вакуум-камеры. Малые напряженности электростатического поля не привели к интенсификации процесса дегазации. Вместе с тем, электрический ток водородной эмиссии, протекающий в полости вакууматора, является индикатором относительной завершенности процесса дегазации. В этом случае отказ от дальнейшего продолжения этого процесса по достижении величиной тока определенного малого значения (по сравнению с исходной его величиной) экономит энергоресурсы. И, наконец, третий возможный вариант использования электростатического поля при вакуумировании стали в ковше учитывает известный факт перехода диффузионно-адсорбционного лимитирования процесса дегазации металла в кинетический по достижении некоторой концентрации удаляемого газа в расплаве. При этом, если производится дегазация от растворенного азота, атомы которого испытывают известные энергетические трудности объединения в молекулы на межфазной границе, то достаточно малые концентрации этих атомов на границе «вакуум-металл» могут затруднить процесс дегазации. Для интенсификации деазотации расплава перспективным на этом этапе является подключение источника умеренного электростатического поля отрицательного потенциала и соответствующей напряженности. Источник должен быть локализован в вакуум-камере. Внешнее поле перераспределяет ионы удаляемого азота по зеркалу металла, образуя области сгустков ионов. Благодаря наличию сгустков ионов увеличивается вероятность их молизации в сгустках и десорбции сформированных молекул в полость вакууматора. При этом процесс деазотации стали может быть интенсифицирован. На первом этапе исследований в порядке теоретической проработки вопроса построена математическая модель диффузионного процесса в неподвижном раскисленном расплаве стали при воздействии на него вакуума с электростатическим полем по способу вакуумирования в ковше:

Литература

1. А.В.Кайбичев, Б.М.Лепинских. Рафинирование жидких металлов и сплавов в электростатическом поле.-М.:Наука.-1983.-120с.

2.Д.А.Дюдкин, Н.И.Захаров. К вопросу энергосбережения при дегазации металла// Металл и литьё Украины.-1996.-№3.-с.17-18.

3.Пат.№2002075649. Способ рафинирования металлов/ Захаров Н.И., Троцан А.И. и др.// Заявлено 09.07.2002; опубл. 15.04.2003. Бюл.№4.-2с.

4.Н.И.Захаров. К теории воздействия электростатического поля на процесы дегазации металла// Металл и литьё Украины.-1998.-№3-4.-с.11.

5.Н.И.Захаров. Обобщение закона Сиверста// Металлургическая теплотехника.-2006.-с.353-355.

6.B.Shiro, S.Tadahiro, T.Hideo. Сорость десорбции азота из жидкого железа и его расплавов// Тэцу то хаганэ. J/Iron and steel Inst. Jap.-1974.-v.60.-№12.-Р.1443-1453.

7.Явойский В.И., Кряковский Ю.В., Григорьев В.П. Металлургия стали . – М.: Металлургия.-1983.-584 с.

8.Линчевский Б.В. Термодинамика и кинетика взаимодействия газов с жидкими металлами – М.: Металлургия. – 1986. – 224с.

9.Захаров Н.И., Дюдкин Д.А., Троцан А.И. Моделирование теплофизических процессов внепечной дегазации металла продувкой инертным газом. – Донецк: Юго-Восток. – 1999. – 140с.

10.Бурцев В.Т. Десорбция газа из жидкогол металла в вакууме. – М.: Металлургия. – 1987. – 233с.