Влияние водорода на свойства стали (стр. 11 из 15)

На основании этих результатов проводилась дальнейшая разработка дутьевого

режима обработки стали нестационарными струями инертного газа, конструировались и изготавливались фурмы для его реализации.

3.2 Интенсификация перемешивания металла и повышение поверхности контакта расплав - газ

Десорбция водорода и азота из жидкой фазы стали протекает на поверхности раздела с газообразной фазой. Такой поверхностью может являться свободная внешняя поверхность жидкого металла (незащищенная шлаком поверхность жидкого металла в вакуум-камере). Процессу десорбции газа с поверхности будет предшествовать перенос растворенных в металле атомов газа в молекулы на этой поверхности. Скорость переноса десорбирующихся молекул газа в объеме газовой фазы исключительно высоко и в промышленных условиях не может влиять на скорость всего процесса в целом. Поэтому процесс десорбции водорода и азота из стали можно представить себе состоящим из двух кинетических стадий:

- поступление растворенных в металле газов из объема металла на границу его раздела с газовой фазой;

- молизации растворенных атомов газа на поверхность раздела и их переход в газовую фазу.

Скорость всего процесса в целом будет лимитировать из кинетических стадий, скорость которой минимальна. Если скорость второй стадии (собственно десорбция молекул газа с поверхности) значительно превышает скорость массопереноса растворенных атомов газа из объема жидкости на внешнюю поверхность, процесс протекает в диффузионной области и описывается уравнением /30/.

(36)

где α – коэффициент скорости массопереноса растворенного вещества, см/с;

F – площадь поверхности раздела газ-металл;

Vмет – объем металла;

(С-Спов) – градиент концентрации, в случае десорбции измеряемый разностью

между средней концентрацией растворенного вещества в объеме

жидкости и на ее поверхности.

После интегрирования получим:

(37)

где Со – начальная концентрация газа в металле

Концентрация растворенного в поверхностном слое газа, в этом случае, будет приближаться к равновесному с его парциальным давлением в газовой фазе, и при значительном разрежении она стремится к нулю, отсюда

(38)

При относительно больших значениях удельной поверхности процесс дегазации протекает в диффузионной области и контролируется скоростью массопереноса в объем жидкого металла. Поэтому скорость дегазации металла в вакууме будет определяться интенсивностью его перемешивания, т.е. величиной коэффициента скорости массопереноса α,, и удельной поверхностью металла.

Процесс дегазации стали имеет колебательную природу и характеризуются собственной частотой. Протекание этого процесса можно ускорить или замедлить, т.е. изменять в желательном направлении, а следовательно, управлять технологическими режимами и повысить эффект дегазации стали путем введения в резонанс желательных процессов. Реальным способом передачи расплаву в ковше колебаний с заданным набором частот является продувка его пульсирующим (нестационарным) потоком газа, вместо используемого в настоящее время в практике непрерывного дутья.

Пульсации газового потока вызывают колебания пузыря, когда последний периодически изменяет свою форму от сферической к эллипсоидной и обратно.

В результате этих колебаний увеличивается площадь межфазной границы газ-металл, что позволяет ускорить протекающие в нем процессы, к которым относится и дегазация металла. Следовательно, повышение эффективности дегазации стали в процессе продувки ее пульсирующим потоком инертного газа при внепечной обработке обусловлено в основном увеличением поверхности контакта газ-расплав, которое вызвано колебанием газовых пузырьков и диспергированием струи продуваемой газом на пузырьки меньшего размера.

Другой важной особенностью является то, что при пульсирующем режиме продувки газовые пузырьки поднимаются в ковше более широким фронтом и распределены по сечению ковша более равномерно /15/.

Увеличение площади поверхности раздела фаз при пульсирующей продувке существенно зависит от природы жидкости, ибо при продувке спиртов увеличение ее незначительно, в то время как при продувке ртути поверхность пузырей увеличивается в 1,7 раза (частота колебания 3,5 кГц).

Параметром, определяющим склонность жидкости к образованию пузырей, служит критический радиус с пузыря, при котором наступает его деление /31/.

(38)

где δ – поверхностное натяжение расплава

u – скорость всплывания пузыря

ρ, ρг – плотности жидкости и газа соответственно

Кf – числовой коэффициент.

Постановка величины возрастания поверхности раздела фаз при частоте пульсации 3,5 кГц в соответствии со значением критического радиуса пузыря для данной жидкости описывается уравнением /32/

(39)

Найдем акр для железа

Соответственно:

- ртути акр = 2,5 см;

- для изоамилового спирта акр = 0,8 см;

- для этилового спирта акр = 0,75 см.

Величина возрастания поверхности раздела при частоте пульсации 600 Гц

Рисунок 3 – Зависимость относительного увеличения поверхности раздела газ – металл от размера устойчивого в данной жидкости пузыря

Таким образом экстраполяция полученных для различных жидкостей данных по зависимости относительной поверхности контакта продуваемого газа и жидкости от частоты пульсации газового потока на железо-углеродистый расплав показала, что продувка его пульсирующим потоком аргона с частотой 3,5 кГц увеличивает общую поверхность газовых пузырей в 2,5 раза, т.е. позволяет значительно ускорить процессы дегазации стали при ковшевой обработке.

Технические средства для обеспечения пульсирующего дутья

Продувка производится на сталеразливочном стенде через погружную фурму типа ложный стопор. Для обеспечения пульсирующего дутья необходимо ввести в фурму газодинамический модуль.

В основе действия газодинамических устройств для создания пульсирующих или нестационарных газовых потоков лежит принцип возникновения отрывных течений или застойных зон, возникающих при прохождении газа через канал переменного сечения или обтекания им какого-либо препятствия. Давление газа, накапливающегося в застойных зонах повышается, в результате чего, прорываясь из этих зон, он периодически перекрывает основной поток, вызывая его пульсации. При определенном сочетании геометрической формы и размеров обтекаемых тел или каналов, а также давления и расхода газа, можно достаточно в широких пределах устанавливать заданные частоту и амплитуду пульсации газового потока.

Учитывая необходимость интенсифицировать процессы, собственные частоты которых находятся в различных диапазонах (400 Гц и 800 Гц), было решено вести продувку металла в ковше, моделируемым газовым потоком с наложением низких частот пульсации на высокие.

4 Безопасность жизнедеятельности

Объемно-планировочные решения зданий и сооружений цеха

ООО «Уральская Сталь» расположено на северо-востоке города Новотроицка Оренбургской области. Так как комбинат является металлургическим производством с полным циклом (имеет в своем составе коксохимическое и доменное производство), то он относится, согласно классификации, к первому классу. Ширина санитарно-защитной зоны должна быть 1000 м. Но ширина санитарно-защитной зоны ООО «Уральская Сталь» около 400 м, что является нарушением санитарных норм и правил.

На генеральном плане завода вспомогательные и административные цехи расположены с подветренной стороны от основных, и вредные выделения уносятся, практически не достигая жилых районов города.

Мартеновский цех расположен с подветренной стороны по отношению к жилому комплексу, административным зданиям, основным и вспомогательным цехам, что позволяет относить загрязнения от них в сторону и создает благоприятные по уровню звуковому давлению условия труда.

Продольные оси аэрационных фонарей и стен зданий с проемами, используемыми для аэрации помещений, ориентированы в плане перпендикулярно к преобладающему направлению ветра летнего периода года.

Санитарные разрывы между зданиями и сооружениями цеха, освещаемым через оконные проемы, не менее наибольшей высоты противоположных зданий и сооружений.

Длина мартеновского цеха составляет 700 м., ширина 60 м., высота 21 м. В цехе одновременно трудятся 870 человек. Площадь и объем производственных помещений цеха, приходящиеся на одного человека, составляют соответственно 34,4 м2 и 1396,6 м3, что соответствует требованиям к площади и объему зданий.

Пешеходные дорожки асфальтированы и оснащены переходными галереями, а также переходами через железнодорожные пути.

Печной пролет предназначен для выплавки стали. Его ширина 25 м., длина 480 м. В пролете размещены две двухванные печи емкостью 250 т. каждая ванна. Пролет оснащен тремя заливочными кранами, четырьмя завалочными машинами, двумя заправочными машинами, чугуновозными ковшами емкостью 100 т. бункерами для подсыпки порогов, двумя торкрет-машинами. По рабочей площадке вдоль печей проходят три пути: первый – для подачи электровозом ковшей с жидким чугуном от миксера к печам; второй – для напольной завалочной машины, третий – для мульдовых составов, устанавливаемых к печам.