» » Продувка жидкого чугуна парами магния
25.12.2014

В гетерогенной реакции взаимодействия паров магния с жидким чугуном можно рассмотреть несколько стадий.
1. Перенос частиц магния из объема пузыря к поверхности, на которой происходит реакция (внутренняя диффузия).
2. Перенос реагирующих частиц из объема жидкого чугуна к реакционной поверхности (внешняя диффузия).
3. Собственно гетерогенная реакция (химическое превращение).
4. Отвод прореагировавших частиц от места реакции в объем газового пузыря, где концентрация продуктов реакции меньше.
5. Отвод прореагировавших частиц в объем жидкого металла. Наблюдаемая общая скорость процесса Vнаб может быть выражена через скорость отдельных стадий
Продувка жидкого чугуна парами магния

где V1, V2, V3, V4, V5 — соответственно скорости указанных выше стадий. В металлургических процессах, протекающих при высоких температурах, стадия 3 обычно не является лимитирующим звеном процесса. Так, О. А. Есин и Л. А. Шварцман с сотрудниками, используя радиоактивный изотоп S35, показали, что обессеривание, как правило, лимитируется диффузией в шлаке.
Высокая скорость диффузии частиц в газах в сравнении с жидкостью позволяет предположить, что звеном, определяющим скорость процесса при взаимодействии паров магния с серой или другими примесями, растворенными в жидком чугуне, не может являться перенос частиц магния. Следовательно, наибольшее сопротивление, определяющее суммарную скорость процесса, должны оказывать либо перемещение частиц реагентов из объема жидкого чугуна к реакционной поверхности, либо отвод продуктов реакции. Если процесс контролируется скоростью диффузии частиц V2 из объема жидкости к поверхности раздела, то V2≤V1, V3, V4, V5, и значениями MV1, 1/м3, 1/V4 и 1/V5 в уравнении (1) можно пренебречь. Тогда суммарная скорость процесса определяется значением V2 и
Vнаб=V2,

т. е. в этом случае суммарная скорость процесса определяется величиной общего диффузионного потока
Продувка жидкого чугуна парами магния

где Vнаб или Iоб — количество частиц, которое поступает за единицу времени к общей поверхности раздела жидкость — газ, величиной Fж-к; D — коэффициент диффузии частиц реагента в жидком металле; δ — толщина неперемешиваемого слоя металла, в котором протекает медленная молекулярная диффузия; Соб и Спов — средние концентрации частиц реагентов в объеме металла и в поверхностном слое.
При большой скорости реакций на границе раздела жидкость — газ поверхностная концентрация частиц может оказаться очень малой, т. е. Спов≤Соб, и величиной Спов можно пренебречь. Тогда Vнаб будет пропорционально Соб.
Из уравнения (2) также следует, что скорость процесса прямо пропорциональна величине поверхности раздела газ — жидкость и обратно пропорциональна толщине неперемешиваемого слоя жидкости на границе с газом.
Увеличения поверхности раздела фаз можно достичь за счет ввода газа более мелкими пузырьками, уменьшение же величины δ в большой степени зависит от интенсивности перемешивания жидкости. Перемешивание жидкости, вместе с тем, создает иную гидродинамическую обстановку и в массопередаче вещества. В этом случае значительное развитие получает турбулентная диффузия, значение которой необходимо учитывать при определении величины общего диффузионного потока, т. е.
Продувка жидкого чугуна парами магния

где Iоб — диффузионный поток в г/см2, се/с; D — коэффициент молекулярной диффузии в см2/сек; Eд — коэффициент турбулентной диффузии в см2/сек; Рж-г — поверхность раздела, см2; dC/dx — градиент концентрации.
Рассматривая гидродинамическую сторону процесса поглощения газов жидкостью в скрубберных установках, В. Г. Левич [2] показал, что при волновом движении жидкой пленки скорость растворения в ней газов пропорциональна V1/2 (V — линейная скорость течения пленки) й величина диффузионного потока на 15% больше, чем при ламинарном режиме, а переход к турбулентному течению на границе жидкость — газ увеличивает скорость конвективной диффузии в жидкой пленке пропорционально V3/2 и, следовательно, диффузионный поток растет еще значительнее.
Таким образом, выражения (2) и (3) позволяют наметить следующие пути повышения степени использования магния при вводе его в жидкий чугун:
1) увеличение поверхности контакта паров магния с жидким чугуном путем ввода магния пузырьками возможно меньшей величины;
2) увеличение массопередачи в жидкости за счет конвективного обмена в условиях турбулентного режима.
В измельчении пузырьков при вводе паров магния в жидкий чугун главную роль играют форма и размеры насадок. Изучение условий возникновения мелких пузырьков и характера их движения непосредственно в металлической ванне представляет большие экспериментальные трудности. В связи с этим проводилось моделирование, для чего в качестве модели использовался стеклянный сосуд, наполненный водой. Продувочным газом служил сжатый воздух. Методика и результаты наблюдений для насадок, выполненных в виде глухих трубок с одним или несколькими отверстиями, а также в виде дырчатых и перистых перегородок, описаны ранее. Продувка газа через пористую насадку (рис. 1) приводит к измельчению газовой фазы, вследствие чего поверхность контакта пузырьков газа с жидкостью возрастает. При малых расходах пузырьки в жидкости поднимаются вверх, совершая вибрирующие движения (рис. 1, а). При увеличении расхода продувочного газа характер движения пузырьков изменяется — поток пузырьков сжимается, вследствие чего поверхность контакта их с жидкостью уменьшается (рис. 1, б).
Продувка жидкого чугуна парами магния

Влияние формы насадки и режима на эффективность дегазации воды, насыщенной углекислотой при продувке сжатым воздухом, приведено в табл. 1.
Продувка жидкого чугуна парами магния

Как следует из рис. 1 и табл. 1, наилучшие условия для взаимодействия фаз создаются при применении для ввода газа в жидкость пористой насадки. Измельчение пузырьков газовой фазы не только увеличивает реакционную поверхность, но создает и другие благоприятные условия для более полного течения реакции. Уменьшение размера пузырька приводит к снижению скорости подъема, вследствие чего продолжительность контакта фаз увеличивается. С ростом количества пузырьков уменьшается расстояние между ними, благодаря чему градиент концентрации и температуры возрастает.
Последующие опыты с применением насадок различной формы проводились непосредственно на металле. Сопла изготавливались из графита. Продувочный газ — азот. При продувке применялся ковш с пористым дном. Продувка чугуна азотом подтвердила выводы, полученные моделированием процесса.
На основании изложенного можно предположить, что наблюдаемая обычно низкая степень усвоения магния при обработке чугуна вызвана или недостаточной величиной поверхности контакта паров магния с жидким металлом, или тем, что продолжительность контакта их очень невелика. При рассмотрении этого процесса существенным является вопрос о величине пузырька и пройденном им пути до полного использования магния. При вводе паров магния через пористую стенку эту величину приближенно можно принять равной величине критического диаметра пузырька в момент отрыва его от твердой поверхности. Для условий испарения магния диаметр пузырька в момент отрыва находится в пределах 2—5 мм .
Принимая диаметр пузырька равным d, а путь, пройденный пузырьком до полного израсходования магния, равным h (рис. 2), можно записать
Продувка жидкого чугуна парами магния

где р — плотность паров магния; Vнаб — наблюдаемая скорость процесса, определяемая лимитирующим звеном; Vпод — скорость подъема пузырька магния.
Отсюда
Продувка жидкого чугуна парами магния

Как следует из уравнения (4), путь, пройденный пузырьком до полного использования магния, пропорционален диаметру в третьей степени.
Следовательно, при прочих равных условиях уменьшение размеров пузырька резко сокращает величину пути и создает благоприятные условия для наиболее полного усвоения магния. Так, например, длина пути пузырька диаметром 2 мм до полного усвоения магния в 125 раз меньше длины пути для пузырька диаметром 10 мм. Из уравнения (4) видно также, что снижение скорости подъема приводит к уменьшению величины h.
Ввод паров магния мелкими пузырьками создает исключительно благоприятные условия для рафинирования ванны и взаимодействия на границе газ — жидкость. При подъеме пузырька реакционная поверхность непрерывно обновляется. Образующиеся на границе раздела фаз продукты реакции смываются в кормовую часть пузырька, усиливают турбулизацию жидкости и, двигаясь вместе с пузырьком, снижают скорость его подъема.
Жидкий чугун продувался парами магния в индукционной печи емкостью 50 кг. После расплавления и перегрева чугуна магний вводился с помощью графитовых колокольчиков (рис. 2) непосредственно в печь, которая была включена на 50% мощности. Температура чугуна замерялась платино-платинородиевой термопарой. В отдельных сериях плавок чугун последовательно обрабатывался дозировками магния весом 25 и 50 г. После каждой обработки отбирались пробы на микроструктуру и химический анализ.
Продувка жидкого чугуна парами магния

Химический состав и условия обработки жидкого чугуна продувкой парами магния приведены в табл. 2.
На рис. 3 показано изменение содержания магния в чугуне при вводе порошка магния в струе азота и при вводе паров магния мелкими пузырьками. Как видно из характера изменения кривых, ввод паров магния мелкими пузырьками намного эффективнее и обеспечивает значительно более полное насыщение чугуна.
Продувка жидкого чугуна парами магния

Изменение коэффициента усвоения магния при различных температурах проявилось менее четко и, по-видимому, связано с условиями опыта.
При обработке жидкого чугуна непосредственно в индукционной печи высота ванны металла, продуваемой парами магния, колебалась в пределах от 200 до 45—50 мм. В опытах применялись преимущественно чугуны с низким содержанием серы до обработки. Обработка чугуна с низкой концентрацией серы приводит к более медленному течению реакций на поверхности раздела пары магния — жидкий чугун, что, в свою очередь, оказывает влияние на длину пути, проходимого пузырьком до полного использования магния, а следовательно, и на степень усвоения. Коэффициент усвоения при вводе паров магния мелкими пузырьками во всех случаях оказался выше, чем при применении герметизированных ковшей.
Продувка жидкого чугуна парами магния

Влияние размеров отверстий, а следовательно, и величины пузырьков паров магния на степень его усвоения, изучалось на графитовых колокольчиках, в которых общая площадь отверстий сохранялась постоянной (за исключением колокольчика с отверстием диаметром 8 мм), а изменялось лишь количество отверстий и их диаметр. Во избежание проникновения чугуна во внутреннюю полость, колокольчик вначале погружался на половину его высоты и после появления в отверстиях паров и светового эффекта вводился на полную глубину ванны. Результаты опытов приведены на рис. 4. При вводе магния колокольчиком с диаметром отверстий 8 мм после погружения и периодически, в течение всего периода обработки, наблюдались хлопки, сопровождаемые резким усилением пироэффекта. Хлопок также наблюдается в первый момент после погружения колокола с отверстием диаметром 5 мм. При диаметре отверстий 3 мм и менее реакция протекает спокойно, без хлопков и выбросов металла. Площадь отверстий диаметром 8 мм более чем вдвое превосходит площадь отверстий в сравнении с другими колокольчиками, вследствие этого количества паров магния в колоколе, необходимых для создания противодавления, по-видимому, недостаточно, и жидкий чугун проникает в колокол, вызывая бурное парообразование. Коэффициент усвоения магния при этом значительно снижается.
При обработке жидкого чугуна мелкими пузырьками паров магния отчетливо различаются два периода: период полного использования магния, пироэффект при этом полностью отсутствует и наблюдается только волнение металла, и период появления легкого светового эффекта в виде отдельных небольших вспышек. Продолжительность первого периода зависит от содержания серы. Второй период определяется степенью насыщения жидкого чугуна магнием.
Изучалось также влияние обработки жидкого чугуна парами магния на эффективность обессеривания для случая, когда магний в парообразном виде вводится мелкими пузырьками. Сравнительные данные рис. 5 показывают преимущество нового способа и в этом случае.
Продувка парами магния порций чугуна весом 2—3 т проводилась в открытых ковшах. Магний вводился с помощью графитовых колоколов-испарителей с двумя рядами отверстий диаметром 3—4 мм, расположенных выше уровня жидкого магния на 35—40 мм. Колокол на штанге прикреплялся к чугунной плите-крышке и перед погружением подогревался газовой горелкой до расплавления магния. При вводе колокол вначале частично погружался в жидкий чугун, так, что отверстия для выхода паров магния оставались открытыми, и после появления пироэффекта опускался на полную глубину. Температура чугуна на желобе по оптическому пирометру находилась в пределах 1360—1380° без поправки.
Продувка жидкого чугуна парами магния

Продувка парами магния порции ваграночного чугуна весом 2,5 т в течение 8 мин позволяла получать в чугуне шаровидный графит. Количество введенного магния при этом составляло 5 кг, т. е. 0,2% от веса металла. Пироэффект наблюдался только при погружении колокола и при его извлечении. В процессе же самой обработки отмечалось лишь небольшое свечение и незначительное выделение дыма. Необходимость более раннего извлечения колокола до полного завершения процесса была вызвана опасностью проникновения жидкого чугуна в полость колокола, а также возможностью зашлаковывания отверстий при прохождении шлаковой зоны. Выплесков металла не было.