Процессы тепломассопереноса, переноса импульса (гидрогазодинамические), а также электропереноса имеют определяющее влияние на регулирование состава и температуры металла в технологиях его внепечного рафинирования от газов, к которым прежде всего относят обработку расплава инертным газом и порошковой проволокой, вакуумирование, а также воздействие электростатического поля [1]. Известно, что газы, имеющиеся в металле, ухудшают его эксплуатационные свойства. Так, наличие в нем водорода повышает флокеночувствительность и склонность к образованию трещин. Азот увеличивает загрязненность нитридными включениями и повышает склонность нелегированного металла к старению. Кислород образует с различными элементами, входящими в состав металла, оксидные включения и тем самым повышает его загрязненность и ухудшает характеристики пластичности и прочности. Для удаления газов из металла в настоящее время применяют различные способы внепечной обработки, которые имеют значительное преимущество, по сравнению с рафинированием металла в печи как в отношении скорости процесса, так и глубины рафинирования [2,3]. 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 [1, С.219-232, С.254-273, 4]. 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 [5]. Относительная дешевизна и высокое качество металла, обработанного рассматриваемыми способами, определяют перспективность ковшевой металлургии, ее развитие и рост масштабов [6,7]. В отмеченной выше программе акцентируется необходимость широкого применения установок внепечной обработки стали с использованием ресурсоэнергосберегающих технологий. Последнее актуально для Украины, у которой, как известно, неоправданно более высокий расход материальных и энергоресурсов по сравнению с экономически развитыми странами Дальнего Зарубежья. Укоренившийся взгляд на зависимость эффективности технологий от расхода материальных и энергоносителей ("Чем больше, тем лучше") не выдерживает научной критики. Напротив, снижение этих расходов до уровня "золотой середины", т.е. Оптимума, позволяет рационально подходить к решению проблемы ресурсоэнергосбережения. Металлурги-технологи, как известно, своей базой традиционно считают физическую химию, однако значение теплофизического фундамента нельзя недооценивать, т.к. он, по выражению выдающегося ученого-металлурга проф. И.Д.Семикина, является "Матерью металлургических технологий" [1, С.286-294]. Именно этот фундамент включает наиболее современные методы исследования этих технологий, в частности, метод математического моделирования на базе ПЭВМ, который позволяет анализировать сложные процессы и получать новые сведения о них с существенно меньшими затратами по сравнению с натурными испытаниями [1, С.26-38].
Во всех промышленно развитых странах металлургия считается одной из важнейших отраслей экономики. За последние 50 лет мировое производство стали увеличилось с 200 млн.т. до 800 млн.т.[1, C.219-232]. При этом, наиболее существенные изменения произошли в качественном совершенствовании металлопродукции. Это стало возможным благодаря внедрению прогрессивных ресурсоэнергосберегающих технологий, особенно внепечной обработки металла. Украина входит в десятку крупнейших производителей и экспортеров стали [1, С.508-513]. Вместе с тем известна низкая рентабельность украинской стали, а ее экспорт идет по низким мировым ценам вследствие пониженного уровня необходимых для металла свойств. Поэтому актуальным для Украины является широкое применение комбинированных ресурсоэнергосберегающих внепечных процессов рафинирования стали от вредных примесей [1, С.254-273]. Наиболее распространенным, классическим вариантом внепечной обработки металла является его продувка инертным газом в ковше [1, С.431-446], которая в последнее время все более расширяет области своего применения вплоть до дуговой сталеплавильной печи [1, С.128-137] и кислородного конвертера [1, С.163]. По прежнему остается перспективным, иногда в частично преобразованном виде, порционное вакуумирование (RH - процесс) [8, 9]. По данным работы [8] эффективность удаления водорода в 2 раза, а азота на 60% выше при порционном вакуумировании, чем при циркуляционном. В ФРГ путем увеличения мощности пароэжекторного насоса, удалось улучшить условия удаления водорода и производительность порционного вакууматора [9]. При этом снижено до 2,5 мин время откачки до достижения вакуума 1,33 мбар, а продолжительность работы патрубка возросла до 150 плавок. Одним из перспективных видов вакуумирования с целью дегазации металла остается VD - процесс, в котором ковш с расплавом помещается в вакуумную камеру [10], благодаря гибкости управления, технологичности и эффективности. Весьма эффективно воздействие электростатического поля на расплав в процессе дегазации [11, 12]. Следовательно, при комплексном подходе, учитывающем управляемое воздействие на жидкий металл возможно успешно повышать качество стали, а также интенсифицировать рафинировочные процессы в ковше. Печь со временем должна стать лишь плавильным и обезуглероживаю-щим агрегатом, в котором обеспечивается получение полупродукта. Доведение же металла до кондиции путем корректировки его химсостава и температуры, а также обеспечение других характеристик стали, связанных с работоспособностью и длительным сроком эксплуатации конструкций, машин и механизмов, будет осуществляться средствами внепечной обработки [1, С.254-273]. Дегазирующее действие продувки металла инертным газом имеет место при наличии разности концентраций удаляемого газа в объеме расплава и поверхности "инертный газ - металл", рассматриваемая характеристика на которой соответствует парциальному давлению удаляемого газа в инертной среде [13]. Продувка жидкого металла инертным газом с целью дегазации, как известно, наиболее эффективна для водорода. Кислород и азот, как правило, находятся в расплаве в виде оксидных включений и стойких нитридов. Помимо дегазации, продувка металлических расплавов инертным газом выравнивает по объему их температуру и химический состав вследствие перемешивающего действия газовой фазы, а также рафинирует расплав от неметаллических включений. Последнее происходит, в частности, за счет флотации, то есть прилипания включений, взвешенных в жидком металле, к поверхности пузырей и удалении их из расплава. Одновременно, вследствие адсорбции, происходит перенос и поверхностно-активных компонентов жидкой фазы. Адсорбционный слой при всплывании газовых частиц смещается в их нижнюю часть, уплотняется, и эти участки становятся пересыщенными [13]. Вследствие адсорбции кислорода на поверхности всплывающих пузырей при продувке инертным газом недораскисленных сталей, имеет место углеродное раскисление. В работе [14] авторы, продувая металл через пористые элементы, показали, что благодаря аргонной продувке углеродное раскисление развито настолько, что существует возможность глубокой дегазации расплава от растворенного кислорода. При этом снижение его содержания по данным рассматриваемой работы составило 30 - 70%. Из работы [15] следует, что результаты рафинирования нераскисленной стали от кислорода вследствие продувки аргоном при атмосферном давлении могут не уступать результатам дегазации при продувке недораскисленного расплава аргоном в вакууме. На практике указанный способ аргонно-кислородного рафинирования расплавов находит широкое применение. Как известно, при повышении интенсивности Ω продувки эффективность дегазации, как правило, возрастает. Однако детальное исследование этой зависимости показывает, что она имеет более сложный характер. Авторы работы [16] на основании проведенных экспериментальных исследований делают вывод, что не интенсивность продувки, а количество газовых пузырей, внедряемых в расплав в единицу времени, является доминирующим фактором повышения эффективности процессов дегазации жидкого металла продувкой инертным газом. При высоких интенсивностях продувки происходит слияние отдельных пузырей, приводя к снижению площади поверхности контакта газ-металл и эффективности дегазации. Фактор развития межфазной поверхности в увеличении эффективности рассматриваемых процессов существенно преобладает над повышением степени турбулизации металлической ванны [17]. Последняя выравнивает температуру и концентрацию ее компонентов, но существенно не влияет на массоперенос через область диффузионного пограничного слоя на границе "газ-металл". Это связано с неперемешиваемостью последнего, поскольку режим обтекания газовых пузырей жидкостью является преимущественно безотрывным. Подробная классификация режимов продувки (пузырьковый, переходный и струйный) дана в работе [18]. Следуя ей, пузырьковый режим соответствует всплыванию мелких, не сливающихся друг с другом пузырей. Переходный режим продувки соответствует их частичному слиянию, то есть включает мелкие и крупные, вследствие слияния, пузыри. И, наконец, струйный режим продувки, по классификации авторов, это режим движения крупных пузырей, в которые вырождается внедряемая в расплав струя инертного газа. Таким образом, снижение эффективности дегазации происходит при выходе режима продувки из пузырькового по мере роста интенсивности продувки. Не исследован вопрос определения энерго- и ресурсосберегающих режимов технологии в условиях порционного вакуумирования. Вместе с тем рассматриваемый вопрос отражен при обычном вакуумировании, когда зеркало металла непосредственно контактирует с вакуумом [19]. Следуя результатам этой работы, при возрастании интенсивности продувки от нулевого значения до некоторой величины (режим мелких пузырей) увеличивается и эффективность дегазации расплава. Это связано с возрастанием поверхности раздела "газовые пузыри - металл". Дальнейший рост Ω приводит к уменьшению эффективности дегазации вследствие слияния отдельных пузырей и, соответственно, снижения площади поверхности "газовые пузыри - металл". Вместе с тем при этом увеличивается интенсивность перемешивания и обновления удаляемыми частицами зеркала металла, контактирующего с вакуумом. Однако в этих условиях первый фактор оказывается сильнее. И, наконец, продолжение роста Ω приводит вновь к возрастанию эффективности дегазации по причине преобладания второго фактора над первым. Оптимальная интенсивность продувки лежит в области ее пузырькового режима. В этом случае сочетается максимальная скорость массопереноса с минимальным расходом инертного газа, то есть высокая эффективность процесса с максимальным энерго- и ресурсосбережением. Важно отметить, что полученный в лабораторных условиях характер зависимости эффективности процесса от интенсивности продувки подтверждается результатами опытно-промышленных исследований. Скорость удаления газа из металла возрастает с увеличением его начальной концентрации в расплаве и не зависит от природы инертного газа, используемого для продувки [15]. Положительное влияние на эффективность дегазации расплава от конкретного газа (например, водорода) оказывает совместное с ним удаление других газов (азота и кислорода). Это влияние объясняется снижением парциального давления в пузыре рассматриваемого газа и увеличением поверхности раздела "газ-металл" [20]. Наличие поверхностно-активных элементов в металлическом расплаве приводит к понижению скорости массопереноса и эффективности его дегазации от водорода и азота [13]. При этом степень влияния этих элементов существенно зависит от их концентрации в металле. Эффективность дегазации жидкого металла от водорода продувкой инертным газом на воздухе существенно зависит от влажности воздуха и футеровки ковша. Следовательно, скорость дегазации в общем случае состоит из трех составляющих, характеризующих взаимодействие металла с пузырями инертного газа, атмосферой и футеровкой ковша. В работе [15] установлено, что совмещение продувки металла с его выпуском из печи в ковш приводит к повышению эффективности процесса. Высокая эффективность здесь сочетается с фактором энерго- и ресурсосбережения, поскольку, во-первых, экономится тепловая энергия плавильной печи вследствие исчезновения необходимости дополнительного перегрева металла перед его выпуском, а во-вторых, экономится и инертный газ. Последнее следует из того, что давление оказывает термодинамически неблагоприятное влияние на дегазацию и при заданных начальных и конечных концентрациях удаляемых газов расход инертного газа прямо пропорционален давлению. Поэтому при прочих равных условиях расход инертного газа будет уменьшаться при пониженной высоте обрабатываемого металла в ковше, что дает продувка во время выпуска расплава в рафинировочный агрегат, а также при вакуумировании. В соответствии с изложенным, интенсивность продувки оправдано повышать по мере роста высоты расплава в ковше во время выпуска. В работе [21] сопоставлены между собой по эффективности различные способы внепечной дегазации жидкого металла в 10-тонном ковше: вакуумирование в ковше, вакуумирование методом перелива из ковша в ковш, вакуумирование с одновременной продувкой аргоном через днище ковша, а также продувка инертным газом при атмосферном давлении. Последняя, хотя и уступает по эффективности предыдущей, однако проста в эксплуатации, не требует больших материальных и энергоресурсов, и может быть использована на многих металлургических заводах. С целью получения мелких пузырей продувку жидких металлов производят через пористые элементы с порами малого диаметра. К дополнительным преимуществам пор такого рода относят повышенную степень использования инертного газа при продувке, а также их технологичность, поскольку крупные поры значительно сильнее пропитываются окислами металла, которые понижают стойкость огнеупоров [16]. Существенное влияние на скорость массопереноса и эффективность дегазации жидкого металла продувкой инертным газом через пористые элементы имеет характер распределения подаваемого газа по сечению днища ковша [15]. Так, продувка через пористую пробку и полый стопор с пористой головкой приводит к тому, что рафинированию подвергается не более 10% объема расплава. В рассматриваемой работе установлен факт зависимости скорости всплывания пузырей от конструкции продувочного устройства. Если при продувке через пористую пробку скорость подъема пузырей составляет 0,22 м/с, то использование пористых швов в кладке днища ковша дает значение 0,14 м/с. Указанные экспериментальные данные находятся в полном согласии с работой [22], в которой проф. М.Я.Меджибожским с сотрудниками установлено возрастание скорости пузырей при увеличении интенсивности продувки в расчете на единичный центр пузыреобразования. Следовательно, при увеличении таких центров для фиксированной суммарной интенсивности продувки значение Ω в расчете на одну пору уменьшается, что и приводит к уменьшению скорости пузырей, что, в свою очередь, ведет к увеличению времени их всплывания. Исходя из вышеизложенного, представляется справедливым вывод, сделанный в [16], согласно которому для снижения скорости выхода газа из капилляров и получения мелкопузырькового режима продувки необходимо увеличивать количество капилляров, то есть площадь пористой части продувочного устройства с одновременным уменьшением диаметра капилляров. Использование высокой относительной площади пористой части продувочных устройств, позволяет избежать перехода пузырькового режима продувки в струйный, при котором эффективность дегазации снижается вследствие уменьшения площади поверхности "газ-металл". Критическое значение интенсивности продувки в расчете на одну пору определяет границу перехода в струйный режим продувки. Так, по данным работы [23], для поры диаметром 0,6 мм это значение равно 7 см3/с. В работах [15, 24] дан обзор конструкции пористых вставок и пробок в днище ковша. Например, пенокорундовые изделия имеют хорошие показатели по газопроницаемости, пористости, стойкости при высоких температурах. По сравнению с продувкой через фурму, использование рассматриваемых вставок приводит к более мягкому характеру процесса, здесь меньше как площадь открытых участков на зеркале металла и его выплески, так и высота зон бурунов. Газопроницаемое по всей площади днище разработано в [25]. В рассматриваемой работе газораспределительная система выполнена в виде зафутированного огнеупорной пористой массой коллектора с радиально расположенными в сифонном припасе распределительными трубками с отверстиями. Пористый огнеупорный блок, составляющий основу пористого днища ковша, может выполнятся в виде усеченного конуса, который совместно с газонепроницаемым кожухом и газопроводящей трубкой составляет основу продувочного устройства рассматриваемого типа. Для удобства эксплуатации сочленение газопроводящей магистрали с газовым трактом ковша в пористом огнеупорном блоке осуществляется автоматически. В изобретениях японских авторов продувка жидкого металла инертным газом сочетается с одновременным вакуумированием [26]. В работе [26] это достигается соосновным расположением пористых элементов в днище ковша с всасывающим патрубком вакууматора. В изобретении [26] в нижнюю часть патрубка вводят подвод инертного газа с целью перемешивания расплава и, следовательно, увеличения эффективности дегазации. Это мероприятие приводит к сокращению циклов порционного вакуумирования с 52-72 до 30-50 на ответственных и с 40-60 до 10-20 на остальных марках стали. В американском патенте [27] продувку металла через пористые элементы днища ковша сочетают с порционным вакуумированием, а в работе [28] - с вакуумированием в ковше. Оправдана разработка пористых элементов в виде пористых швов в днище ковша. Газопроницаемая футеровка днища ковша выполняется в виде кладки из обычно применяемого огнеупорного кирпича со швами, заполненными пористой массой, либо в виде набивки такой массы с кусковым наполнителем. По стойкости футеровки такие ковши не отличаются от обычных и в дополнительном обслуживании не нуждаются. О равномерном распределении газа в виде мелких пузырей по объему расплава авторы [29] судили по внешнему виду последнего, который выглядел как при чистом кипении сталеплавильной ванны. В этом случае на поверхности ванны не образуется бурунов, а при достаточном количестве шлака металл из под него не обнажается. Авторами рассматриваемой работы установлено, что через 1 м2 кладки с пористыми швами можно при избыточном давлении в несколько атмосфер вдувать до 360 м3/ч инертного газа, то есть сколько через лучшие образцы пористых блоков. Целью работы является исследование процессов тепло- и массопереноса (на базе ПЭВМ и обработкой опытно-промышленных данных) при внепечной дегазации металла комплексным воздействием вакуума, электростатического поля, а также продувки инертным газом.
Рафинирование расплавов с помощью электрического поля, несмотря на положительные результаты [11], до настоящего времени не получило широкого распространения. Под руководством заслуженного деятеля науки и техники Украины, проф., д.т.н. Д.А. Дюдкина была отработана методика и проведены опытно - промышленные исследования в условиях Донецкого металлургического завода по влиянию электростатического поля на процесс дегазации от водорода жидкой стали марок типа ШХ. Методика проведения экспериментов предусматривает использование, в основном, существующего на заводе оборудования, без существенных дополнительных материальных затрат. Суть способа использования влияния электростатического поля на процесс дегазации металла заключается в следующем. Ковш 5 с расплавом герметично накрывается крышкой 3 (рис. 2.1). В крышку монтируется изолированный электрод 2, на который подается положительный или отрицательный электрический потенциал. Второй электрод 4 имеет контакт с жидким металлом. Вакуум - насосом через патрубок 1 создается разряжение. При наличии напряжения между электродами в пространстве под крышкой возникает ток ионной, либо ионно - электронной природы. Величина тока зависит от значения электрического напряжения, его знака, а также концентрации заряженных частиц, формирующих ток. Рассмотренный способ послужил основой для проведения опытно - промышленных исследований в электросталеплавильном цехе Донецкого металлургического завода. Вакуумирование стали проводилось порционным вакууматором фирмы «Vakmetal». Порции массой 10 - 12 т вакуумированного при разряжении 1,0 - 1,2 млбар металла периодически опускались в ковш 100 т. Перед вакуумированием камера нагревалась до 1300 С графитовым электродом длиной 206 мм и диаметром 80мм. Важной задачей исследований являлось определение оптимальной продолжительности процесса вакуумирования и фактора энергосбережения.