Определение расхода инертного газа для удаления водорода и азота

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 7Следующая ⇒

Играя роль вакуумных пустот, пузырьки инертного газа в процессе продувки экстрагируют из жидкой стали водород и азот. В условиях равновесия распределение водорода между металлом и пузырьками определяется известным законом Сивертса:

[Н] = K . (11.1)

Из предположения, что этот закон соблюдается, получено следующее уравнение для определения необходимого количества инертного газа с целью определенной дегазации (м³/т):

V= (2240/М)К²Р (1/[с]_к - 1/[с]_о) + ([c]_к – [с]_о), (11.2)

где М - молекулярная масса удаляемого газа; К - константа равновесия реакции растворения; Р - давление над расплавом, МПа; [с]_о и [с]_к - начальное и конечное содержание удаляемого газа, %.

Учитывая весьма малые значения содержаний водорода в стали ([Н]_о и [Н]_к) и то, что М_Н2 = 2, уравнение (11.2) можно упростить:

V= 1120× К²Р (1/[Н]_к - 1/[Н]_о). (11.3)

Зависимость константы К_н от температуры имеет вид:

lg [K_H] = (-1900/T) – 1, 577. (11.4)

Степень удаления газа рассчитать по формуле

d = ([Н]_о - [Н]_к )× 100% / [Н]_о.

При расчете удаления из металла азота при продувке инертным газом в формуле (11.2) следует поставить его молекулярную массу (М_N2 = 28) и соответствующее значение константы равновесия (К_N):

V= 80× К_N2Р (1/[N]_к - 1/[N]_о). (11.5)

Зависимость константы К_N от температуры имеет вид:

lg [K_N] = (-767/T) – 0, 95. (11.6)

Как показывает практика, вследствие значительно меньшей скорости десорбции азота из металла по сравнению с водородом степень приближения к равновесию азота межу пузырьком и металлом существенно (в 5÷ 7 раз) меньше. Поэтому уравнения (11.5) и (11.6) требуют коррекции: полученный результат необходимо делить на 8÷ 9, и он весьма приблизительный.

Исходные данные для самостоятельного решения

Построить зависимости изменения степени удаления водорода из металла от расхода аргона на продувку снизу при различных температурах для начального содержания водорода [Н]_о = 3, 5× 10^-4% и

[Н]_о = 3, 0× 10^-4%.

Построить зависимость степени удаления азота из металла при продувке его аргоном. Начальное содержание азота [N]₀ = 70× 10^-4 %; и

[N]₀ = 50× 10^-4 %.

Как влияет расход аргона и температура металла на величину d? Сделать вывод о степени удаления водорода и азота из стали и с чем связана величина полученного результата.

Расчет удаления неметаллических включений под действием гравитационных сил

Скорость подъема твердых сферических частиц в спокойной жидкости (Re < 1) определяется уравнением Стокса:

(14.1)

где r_г — радиус частиц; р_м и р_в — плотность вещества среды и включения соответственно; η _м — динамическая вязкость среды; g - ускорение свободного падения.

Эта формула получена приравниванием выталкивающей силы, действующей на частицу (сила Архимеда), и силы сопротивления движению в вязкой среде:

Формула Стокса обычно применима вплоть до Re = 1. Поведение частиц размером < 10^-7 м (0, 1 мкм) подчиняется преимущественно закономерностям броуновского движения. Скорость подъема жидких и газообразных сферических частиц в однокомпонентной жидкости определяется уравнением Рыбчинского — Адамара, полученного решением системы соответствующих дифференциальных уравнений:

(14.2)

где η _в — вязкость вещества частицы. Очевидно, что для твердой частицы (η _в≥ η _м) уравнение (2) переходит в формулу Стокса.

Задача. Рассчитать скорости всплывания неметаллических частиц в стали при 1873 К в гравитационном поле (конвективное перемешивание металла не учитывать).

Исходные данные

1. Плотность глинозема р_в = 3, 97 · 10³ кг/м³, жидкой при 1873 К силикатной частицы р` = 2, 5 ·10³ кг/м³, стали р_м = 7, 15 · 10³ кг/м³; температура плавления глинозема 2288 К.

2. Вязкость стали при 1873 К η _м= 6 · 10³ Па-с, силикатной системы η _в=5 · 10^-1 Па-с.

3. Размеры включений 10, 20 и 50 мкм.

Решение

В случае всплывания твердых (при 1873 К) включений глинозема (Аl₂О₃) можно воспользоваться формулой (14.1). Частицы глинозема в металле, как правило, не имеют округлой формы, отклонение формы включений от сферической может заметно влиять на скорость их подъема. В случае одинакового объема наименьшее сопротивление испытывают округлые частицы. Для включений неправильной формы в знаменатель уравнения (14.1) вводят поправочный коэффициент к (к=6 для частиц Аl₂О₃).

Далее будет показано, в каком интервале скоростей движения включения размером 5·10^-5 м (50 мкм) в спокойном металле выполняется формула (14.1), т.е. , где d - характеристический размер, равный диаметру частицы:

м/с (14.3)

Скорость подъема частицы глинозема размером 10 мкм равна:

м/с

В соответствии с неравенством (14.3) полученное значение скорости удовлетворяет условию Re < 1 и для частиц такого размера можно применять уравнение Стокса. Аналогичным образом подсчитываем скорости всплывания частиц размером 20 и 50 мкм, равные соответственно 0, 2·10^-4 и 1, 3 ·10^-4 м/с.

Рассчитаем теперь скорость всплывания жидкого (при 1873 К) силикатного включения размером 10 мкм по формуле (14.2)

м/с.

Для частиц ·размерами 20 и 50 мкм по уравнению (14.2) получим соответственно скорости всплывания, равные 1, 6·10^-4 и 1·10^-3 м/с. В случае силикатного включения и η _в≥ η _м поправочный множитель в уравнении Рыбчинского — Адамара равен 1/3, поэтому формула (14.2) переходит в формулу (14.1). Проведенный расчет показывает, что жидкие силикатные включения в спокойном металле всплывают несколько быстрее твердых частиц глинозема, что связано с их меньшей плотностью и сферической формой.

Примечание. В металлургических агрегатах в условиях интенсивного перемешивания металла доставка неметаллических включений к поверхности ванны осуществляется преимущественно конвективными потоками. Гравитационные силы в основном играют роль при переходе частиц через тонкий слой металла, непосредственно прилегающий к границе раздела металл — шлак, где вертикальная составная скорости конвективных потоков практически равна нулю.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 Следующая ⇒