ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Данная магистерская работа посвящена исследованию процессов массо- и теплопереноса при дегазации алюминиевых расплавов от водорода в электростатическом поле.

Интенсификация металлургических технологий, ведущая к повышению производительности агрегатов, в частности, внепечной обработки расплавов – актуальное научное направление.

Интенсивность массопереноса удаляемого водорода из жидкого алюминия по абсолютной величине:

|q|=D(T)/s•(Cm-Cn),

где D(Т) – коэффициент диффузии этого газа в расплаве, возрастающий при увеличении (Т) температуры жидкого металла; Cm, Cn – концентрация этого газа в объеме расплава и на межфазной поверхности «вакуум - металл»; s – толщина диффузионного пограничного слоя на этой границе.

Для увеличения |q| при фиксированной температуре металла необходимо: а) уменьшить s за счет перемешивания расплава (например, продувкой аргоном через пористую пробку, установленную в днище ковша с металлом); б) уменьшить Cn за счет использования вакуумирования. Если в вакуум – камеру поместить источник электростатического поля (E>Eкр, Eкр – критическое значение Е), то оно срывает протоны (ионы удаляемого водорода) с рассматриваемой поверхности, существенно уменьшая Cn.

1. Обзор известных технологий дегазации расплавов металлов в электростатическом поле

Для неподвижного расплава технология экспериментальным путем исследована в работе [1]. Аналитический обзор литературы и разработка научных предпосылок по влиянию электростатического поля на интенсификацию технологии внепечной дегазации жидкого подвижного металла (применительно к расплаву стали) приведены в работах [2,3].

Весьма эффективно воздействие электростатического поля на расплав в процессе дегазации [1,4,5]. Для десорбции в вакуумное пространство ионов им необходимо сообщить энергию активации, большую энергии их связи с поверхностью металла. Эта энергия сообщается внешним электростатическим полем. При этом объединение двух атомов в молекулу облегчает десорбцию в полость вакууматора.

Механические напряжения, возникающие в адсорбционном слое под воздействием напряженности Eo внешнего поля имеют значения порядка Eo2/8П [1]. Следовательно, какой бы высокой не была прочность связи частиц с поверхностью металла, увеличением Eo всегда можно создать разрывающие напряжения, превышающие эту прочность. В результате становится возможным удаление адсорбированных частиц с поверхности расплава.

Результаты исследований показывают, что элементы и соединения в расплаве находятся частично в виде ионов. Это дает основание для управления с помощью электрического поля поведением этих частиц в процессе рафинирования металла.

Теоретические основы рафинирования неподвижных расплавов в электрическом поле даны в работе [1]. Как следует из этих исследований, изменяя напряженность и полярность электрического поля, можно влиять на кинетику и направление процессов переноса на границах «газ – металл».

При этом дополнительное вовлечение в качестве воздействующих факторов температуры и давления газа над расплавом существенно расширяет возможности управления процессами рафинирования.

2. Описание разработанной технологии дегазации расплава алюминия от водорода в электростатическом поле

Электрическое поле влияет на процессы дегазации металла, главным образом, за счет изменения концентрации удаляемого газа (например, водорода) на поверхности расплава, которая входит в расчетные формулы как диффузионной, так и адсорбционно-кинетической составляющих потока массы этого газа.

Следовательно, актуальна разработка технологий комплексного воздействия на металл различных факторов.

Исследование процессов массо- и теплопереноса проведено на основе компьютерного модуля, разработанного по конечно-разностному методу переменных направлений с использованием равномерной сетки в цилиндрической системе координат.

При компьютерном моделировании процессов массо- и теплопереноса в жидкой ванне в условиях воздействия на межфазную поверхность «вакуум-металл» электростатического поля высоких напряженностей (Е>Екр) предполагалось, что это внешнее поле срывает ионизированную часть атомов водорода (протоны) с рассматриваемой межфазной поверхности.

Концентрация водорода на этой поверхности:

Cn=KH•sqrt(PH2) [(1-i)+i•KE],

где KH – постоянная Сивертса для водорода; PH2 – его парциальное давление в полости вакууматора; i – ионная доля; KE (r) – распределение протонов по поверхности «вакуум-металл».

При Е>Екр функция KE(r)=0, поэтому вышеизложенная зависимость принимает вид:

Cn=KH•sqrt(PH2) (1-i),

В программу расчета на ПЭВМ закладывались следующие значения i=0,1; 0,5; 1,0. Как показали результаты компьютерного моделирования, существенной интенсификации диффузионного процесса даже при i=1,0 не происходит (тем более при i= 0,1 и 0,5).

Значительно больший интерес для металлургии представляет область умеренных значений напряженности электростатического поля (0<<Е<Екр).

Безразмерная функция KE (r), определяющая степень возрастания концентрации Cn атомов водорода (i=1) на межфазной поверхности «вакуум-металл» с воздействием на эту поверхность электростатического поля в сравнении с величиной Cn0 (при Е=0), показана на рис. 1.

Рисунок 1 – Распределение концентрации ионов водорода по межфазной границе: 1-E = 1•105 В/м; 2- E = 2•105 В/м, i=1.

С учетом KE (r) по формуле концентрации водорода на поверхности "вакуум-металл" построим график распределения безразмерной рассматриваемой концентрации Cn' = Cn/ Cn0 по координате r поверхности (рис. 2).

Рисунок 2 – Распределение безразмерной концентрации Cn' атомов водорода на межфазной поверхности «металл-вакуум»: 1-i=0; 2-i=0,5; 3-i=1,0; E = 2,0•105 В/м

Как следует из этого графика, в области проекции границы источника электростатического поля, т.е. цилиндрического электрода, на зеркало расплава алюминия наблюдается максимум Cn', величина которого возрастает с увеличением степени i ионизации атомов водорода.

Если дегазация расплава алюминия от водорода лимитируется кинетическим актом молизации (малые концентрации атомов водорода в жидкой ванне, либо высокие концентрации в ней поверхностно-активных элементов), то это химическое звено благодаря нашей технологии существенно усиливается, интенсифицируя технологию. Это следует из известной зависимости возрастания во второй степени скорости реакции молизации атомов или ионов удаляемого водорода на межфазной поверхности «вакуум-металл» от их концентрации на этой поверхности. Таким образом, возрастание концентрации в 3 раза (см. рис. 2) приводит к росту скорости химической реакции в 9 раз.

На рис. 3 показана зависимость максимума Cn' от напряженности электростатического поля. Ее увеличение приводит к росту этой величины и степени усиления кинетического звена рассматриваемой технологии.

Рисунок 3 – Зависимость максимальной безразмерной концентрации Cn' атомов водорода на межфазной поверхности «металл - вакуум» от степени их ионизации: 1–E = 1,0•105 В/м; 2–E = 2,0•105 В/м

Выводы

Как следует из анализа литературных источников, область умеренных значений напряженности электростатического поля (0<<Е<Екр) в рассматриваемой технологии исследуется впервые. Кроме того, вопрос степени ионизации атомов водорода в расплаве алюминия также не изменен. Как следует из результатов компьютерного моделирования: если дегазация блокирована слабым кинетическим звеном, то подключение электростатического поля способно возобновить технологию, доведя концентрацию водорода в расплаве алюминия до очень низких значений. Это важно для получения алюминия высокой степени очистки, т.е. высшего качества.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2014 года.

Список источников

  1. Кайбичев А. В., Лепинский Б. М. Рафинирование жидких металлов и сплавов в электрическом поле. – М.: Наука. – 1983. – 120 с.
  2. Захаров Н. И., Троцан А. И., Овдиенко А. А. Об использовании электростатического поля в технологии внепечной дегазации стали // Процессы литья. – 2009. - №1. – С. 8-11.
  3. Захаров Н. И. Интенсификация массообменных процессов внепечной дегазации стали // процессы литья. – 2010. - №4. – С. 8-12.
  4. Кайбичев А. В., Алешина С. Н. Эмиссия металлических расплавов в электростатическом поле // Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов. – Екатеринбург. – 1998. – С. 22-23.
  5. Дюдкин Д. А., Захаров Н. И. К вопросу энергосбережения при дегазации металла // Металл и литье Украины. – 1996. - №3. – С. 17-18.
  6. Семыкин С.И.,Поляков В.Ф. Применение электрической энергии малой мощности при выплавке металла//Сборник трудов 1-го конкурса сталеплавильщиков.-Липецк.-1992.-С.105-107.
  7. Семыкин С.И., Поляков В.Ф. Исследование металлургического процесса при воздействии электрической энергии//Известия вузов: Цветная металлургия.-1992.-№10.-С.6-8.
  8. Семыкин С.И., Поляков В.Ф., Учитель Л.М. Исследование влияния электрической энергии малой мощности на эффективность внепечной обработки металла//Металлы и литье Украины.-1995.-№7.-С.17-22
  9. Явойский В. И., Баталин Г. И. Удаление водорода из металлов в электрическом поле // Сталь. – 1954. - №6. – С. 5-6.
  10. Алюминиевые сплавы. Справочник. – М.: Металлургия. – 1974. – 432 с.