ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Дана магістерська робота присвячена дослідженню процесів масо-і теплопереносу при дегазації алюмінієвих розплавів від водню в електростатичному полі.

Інтенсифікація металургійних технологій, що веде до підвищення продуктивності агрегатів, зокрема, позапічної обробки розплавів - актуальний науковий напрямок.

Інтенсивність масопереносу видаляємого водню з рідкого алюмінію за абсолютною величиною:

|q|=D(T)/s•(Cm-Cn),

де D (Т) - коефіцієнт дифузії цього газу в розплаві, зростаючий при збільшенні (Т) температури рідкого металу; Cm, Cn - концентрація цього газу в об'ємі розплаву і на міжфазній поверхні «вакуум - метал»; s - товщина дифузійного прикордонного шару на цій межі.

Для збільшення | q | при фіксованій температурі металу необхідно: а) зменшити s за рахунок перемішування розплаву (наприклад, продувкою аргоном через пористу пробку, встановлену в днищі ковша з металом), б) зменшити Cn за рахунок використання вакуумування. Якщо у вакуум - камеру помістити джерело електростатичного поля (E> Eкр, Eкр - критичне значення Е), ??то воно зриває протони (іони удаляемого водню) з розглянутої поверхні, істотно зменшуючи Cn.

1. Огляд відомих технологій дегазації розплавів металів в електростатичному полі

Для нерухомого розплаву технологія експериментальним шляхом досліджена в роботі [1]. Аналітичний огляд літератури та розробка наукових передумов щодо впливу електростатичного поля на інтенсифікацію технології позапічної дегазації рідкого рухомого металу (стосовно до розплаву сталі) наведені в роботах [2,3].

Досить ефективний вплив електростатичного поля на розплав в процесі дегазації [1,4,5]. Для десорбції в вакуумний простір іонів їм необхідно повідомити енергію активації, більшу, ніж енергія їх зв'язку з поверхнею металу. Ця енергія повідомляється зовнішнім електростатичним полем. При цьому об'єднання двох атомів в молекулу полегшує десорбцію в порожнину вакууматора.

Механічні напруги, що виникають в адсорбційному шарі під впливом напруженості Eo зовнішнього поля мають значення порядку Eo 2 / 8П [1]. Отже, якою б високою не була міцність зв'язку частинок з поверхнею металу, збільшенням Eo завжди можна створити розриваючі напруги, що перевищують цю міцність. У результаті стає можливим видалення адсорбованих частинок з поверхні розплаву.

Результати досліджень показують, що елементи і з'єднання в розплаві знаходяться частково у вигляді іонів. Це дає підставу для управління за допомогою електричного поля поведінкою цих частинок в процесі рафінування металу.

Теоретичні основи рафінування нерухомих розплавів в електричному полі подані у роботі [1]. Як випливає з цих досліджень, змінюючи напруженість і полярність електричного поля, можна впливати на кінетику і напрямок процесів перенесення на кордонах «газ - метал».

При цьому додаткове залучення в якості впливаючих чинників температури та тиску газу над розплавом істотно розширює можливості управління процесами рафінування.

2. Опис розробленої технології дегазації розплаву алюмінію від водню в електростатичному полі

Електричне поле впливає на процеси дегазації металу, головним чином, за рахунок зміни концентрації удаляемого газу (наприклад, водню) на поверхні розплаву, яка входить в розрахункові формули як дифузійної, так і адсорбційно-кінетичної складових потоку маси цього газу.

Отже, актуальна розробка технологій комплексного впливу на метал різних факторів.

Дослідження процесів масо-і теплопереносу проведено на основі комп'ютерного модуля, розробленого за кінцево-різницевим методом змінних напрямків з використанням рівномірної сітки в циліндричній системі координат.

При комп'ютерному моделюванні процесів масо-і теплопереносу в рідкій ванні в умовах впливу на міжфазну поверхню «вакуум-метал» електростатичного поля високих напруженостей (Е>Екр) передбачалося, що це зовнішнє поле зриває іонізовану частина атомів водню (протони) з розглянутої міжфазної поверхні.

Концентрація водню на цій поверхні:

Cn = K H • sqrt (P H2 ) [(1-i) + i • K E ],

де K H - постійна Сівертса для водню; P H2 - його парціальний тиск в порожнині вакууматора; i - іонна частка; K E (r) - розподіл протонів по поверхні «вакуум-метал».

При Е> Екр функція K E (r) = 0, тому вищевикладена залежність приймає вид:

Cn = K H • sqrt (P H2 ) (1-i),

У програму розрахунку на ПЕОМ закладалися такі значення i = 0,1; 0,5, 1,0. Як показали результати комп'ютерного моделювання, суттєвої інтенсифікації дифузійного процесу навіть при i = 1,0 не відбувається (тим більше при i = 0,1 і 0,5).

Значно більший інтерес для металургії представляє область помірних значень напруженості електростатичного поля (0 << Е <Екр).

Безрозмірна функція K E (r), що визначає ступінь зростання концентрації Cn атомів водню (i = 1) на міжфазній поверхні «вакуум-метал» з впливом на цю поверхню електростатичного поля в порівнянні з величиною Cn 0 (при Е = 0), показана на рис. 1.

Рисунок 1 - Розподіл концентрації іонів водню по міжфазному кордону: 1-E = 1 • 10 5 В/м; 2 - E = 2 • 10 5 В/м, i = 1.

З урахуванням K E (r) за формулою концентрації водню на поверхні "вакуум-метал" побудуємо графік розподілу безрозмірної розглянутої концентрації Cn'= Cn / Cn 0 по координаті r поверхні (рис. 2).

Рисунок 2 - Розподіл безрозмірної концентрації Cn 'атомів водню на міжфазній поверхні «метал-вакуум»: 1-i = 0; 2-i = 0,5; 3-i = 1,0; E = 2,0 • 10 5 В/м

Як випливає з цього графіка, в області проекції кордону джерела електростатичного поля, тобто циліндричного електрода, на дзеркало розплаву алюмінію спостерігається максимум Cn ', величина якого зростає із збільшенням ступеня i іонізації атомів водню.

Якщо дегазація розплаву алюмінію від водню лімітується кінетичним актом молізаціі (малі концентрації атомів водню в рідкій ванні, або високі концентрації в ній поверхнево-активних елементів), то ця хімічне ланка завдяки нашій технології істотно посилюється, інтенсифікуючи технологію. Це випливає з відомої залежності зростання в другому ступені швидкості реакції молізаціі атомів або іонів видаляємого водню на міжфазній поверхні «вакуум-метал» від їх концентрації на цій поверхні. Таким чином, зростання концентрації в 3 рази (див. рис. 2) призводить до зростання швидкості хімічної реакції в 9 разів.

На рис. 3 показана залежність максимуму Cn 'від напруженості електростатичного поля. Її збільшення призводить до зростання цієї величини і ступеня посилення кінетичної ланки розглянутої технології.

Рисунок 3 - Залежність максимальної безрозмірної концентрації Cn' атомів водню на міжфазній поверхні «метал - вакуум» від ступеня їх іонізації: 1-E = 1,0 • 10 5 В/м; 2 - E = 2,0 • 10 5 В/м

Висновки

Як виходить з аналізу літературних джерел, область помірних значень напруженості електростатичного поля (0 << Е <Екр) в розглянутій технології досліджується вперше. Крім того, питання ступеня іонізації атомів водню в розплаві алюмінію також не змінене. Як випливає з результатів комп'ютерного моделювання: якщо дегазація блокована слабкою кінетичною ланкою, то підключення електростатичного поля здатне відновити технологію, довівши концентрацію водню в розплаві алюмінію до дуже низьких значень. Це важливо для одержання алюмінію високого ступеня очищення, тобто вищої якості.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: січень 2014 року.

Перелік посилань

  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.