раздел 2
Объект, предмет и методики исследования
2.1. Объект и предмет исследования
Объект исследования – технология десульфурации чугуна.
Предметом исследования является магниевая обработка чугуна с использованием
алюмотермического восстановления магнезита в глубине металлического расплава.
Сущностью способа десульфурации чугуна парообразным магнием, восстановленным в
зоне дугового разряда под слоем жидкого металла (ДГВ) является совмещение двух
процессов, а именно восстановления активного реагента под уровнем расплава и
процесса обработки расплава восстановленным реагентом. Такая технология
исключает применение дорогостоящих реагентов и позволяет использовать
относительно дешевые сырьевые материалы, содержащие рафинирующий элемент в виде
химического соединения (в большинстве случаев в виде оксида). Задача, решаемая
при реализации технологии ДГВ – это восстановление реагента из его оксида,
получение в газообразном виде и подача в расплав. Наиболее привлекательны в
данном отношении щелочноземельные металлы, которые при температурах
металлического расплава (1200 – 1700 0С) находятся в газообразном состоянии и
дают рафинирующий и модифицирующий эффект [54], [58]. Для осуществления данной
задачи необходимо подобрать восстановитель, при этом, чтобы он восстанавливал
оксид при температурах металлического расплава и увязывал кислород в прочный
оксид, что предотвратит протекание обратной реакции и даст максимальный выход
рафинирующего реагента.
Центральный элемент разрабатываемой технологии – формованное изделие – дуговой
восстановительный блок (ДБ).Конструкция данного изделия позволяет совместить
процессы восстановления Mg, получения его в газообразном виде и подачи пара в
объем расплава. Это достигается тем, что в конструкцию изделия входит рудная
часть, содержащая источник получения восстановленного магния, дуговой узел,
позволяющий получить высокотемпературную зону и подвести достаточное количество
энергии для восстановления Mg, его испарения, перегрева, компенсации потерь
тепла при десульфурации.
Особенные требования предъявляются к дуговому узлу, так как в этом месте
необходимо получить концентрированный источник энергии. Это достижимо при
применении высоко проводимых материалов для изготовления токоведущих частей
блока, изоляции их от рудной части для уменьшения потерь и предотвращения
возникновения дуги по высоте блока (замыкание на металл через боковую
поверхность блока). При этом необходимо, чтобы реагирующие элементы находились
вблизи этого источника, кроме того, реакционная (высокотемпературная зона)
перемещалась по блоку, согласно расходу материала – рудной части.
Рудная часть блока – это основной источник получения восстановленного Mg.
Рудная часть – это состав, содержащий в стехиометрическом соотношении оксид
магния и восстановитель. Важной является строительная прочность рудной части.
Эта часть блока – основная и должна сохранять целостность до конца обработки.
Рудная часть блока работает в объеме расплава, реакционная зона находится под
уровнем расплава, поэтому конструктивно блок должен сохранять строительную
прочность при температуре обработки и не размываться расплавом с высокой
температурой. В реакционной зоне должны создаваться условия для стабильного
горения дуги и удержания давления газообразных реагентов.
Следующим требованием является возможность регулирования электрического режима
работы блока, а именно подаваемой в реакционную зону мощности. От этой мощности
будет зависеть количество восстановленного магния, а это значит, что появляется
возможность регулирования скорости подачи реагента в расплав. Управляемость
процессом восстановления является одним из главных положительных свойств
технологии ДГВ, отличающим последний от существующих схем обработки чугуна
парообразным магнием.
2.2. Методики исследования
Основными методами реализации поставленных задач являются теоретические и
экспериментальные исследования.
Для проведения теоретических исследований способа десульфурации чугуна
парообразным магнием, восстановленным в зоне дугового разряда под слоем жидкого
металла использовались методы математического и физико-химического
моделирования, включающие в себя анализ основных термодинамических величин
(энтальпии и энергии Гиббса).
или
По результатам моделирования определялись условия, которые необходимы для
проведения процесса восстановления. Для анализа кинетических условий
использовались законы Фика и Фурье (2.1)
; (2.1)
При анализе обязательным является оценка влияния давления на протекание
процессов восстановления в глубине расплава.
Для математического описания процесса взаимодействия паров активного реагента и
гидродинамики ванны использовалась методика оценки турбулентности с учетом
критерия Рейнольдса, определяемого по формуле [118]:
(2.2)
Для определения условий всплывания пузырей активного реагента использовалась
методика, изложенная в работе [119] и принцип Даламбера. Для описания
материального баланса процесса десульфурации использовали методику оценки
изменения массы во времени по дифференциальному уравнению (2.3.)
(2.3)
При разработке методик лабораторного исследования учитывалось следующее:
- процесс ДГВ основан на получении (восстановлении)достаточного количества
активного реагента, имеющего высокое сродство к сере;
- основной элемент технологии – дуговой блок должен содержать рудную часть,
состоящую из смеси стехиометрического состава оксида и восстановителя, играющую
роль источника паров активного реагента
- Київ+380960830922