научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ И ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ РАСПЛАВОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ И ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ РАСПЛАВОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ»

РАСПЛАВЫ

2 • 2012

УДК. 620.762

© 2012 г. T. Л. Щенникова1, Г. Г. Залазинский, Б. Р. Гельчинский, В. П. Ченцов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ И ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ РАСПЛАВОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ

Проведен анализ исследований по определению физико-химических свойств расплавов железа, влияния на свойства добавок углерода, кремния, марганца, и приведены результаты изучения плотности и поверхностного натяжения железоуглеродистых расплавов из вторичного сырья с содержанием (мас. %) 0.4—1.2 С, 0.2—0.4 81, 0.4-0.7 Мп, 0.045 8, 0.02 Р в интервале 1450-1550°С.

Ключевые слова', железоуглеродистый расплав, вторичное сырье, физико-химические свойства, температура, плотность, поверхностное натяжение, зависимость.

Более 90% мирового производства изделий порошковой металлургии изготавливается на основе железа. Для производства изделий антифрикционного, конструкционного назначения используются порошки различного класса крупности, для магнитно-мягких изделий — менее 160 мкм, порошковой проволоки — менее 315 мкм, фильтрующих элементов — узкие фракции порошков с размерами до 800 мкм. В машиностроении, металлургии, металлообработке и других областях промышленности широко применяется обработка поверхностей абразивными частицами и, в частности, стальной и чугунной дробью с размером частиц от 0.2 до 4.5 мм [1]. В качестве исходного сырья для производства порошков и дроби можно использовать руду и концентрат, расплавы чугуна, полупродукта и стали, а также отходы прокатного производства, окалину и лом [2].

Основными методами получения порошков на основе железа являются прямое восстановление окалины и/или суперконцентратов и способ распыления—восстановления. Объемы мирового производства порошков, полученных данными методами, соотносятся примерно как 50 и 50%. Однако метод распыления—восстановления более универсален, с нашей точки зрения, так как позволяет получать частицы со средним размером от 30 до 3000 мкм различной формы (сферической, округлой, неправильной, рваной). Размер и форма частиц определяются физико-химическими свойствами исходного расплава, видом энергоносителя (воздух, вода или смеси воды и воздуха) и параметрами диспергирования, температурой расплава, давлением энергоносителя, расходами металла и энергоносителя.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Опубликованные теоретические и экспериментальные исследования по получению порошков на основе железа из расплавов посвящены в основном распылению типично ньютоновских жидкостей газами [3—7]. Наиболее подробно теоретические вопросы диспергирования металлических расплавов рассмотрены в монографии [4]. Показано, что в общем случае взаимодействие струй газа и металла описывается критериями Вебе-

11а11еоп@та11.ги.

ра (^е) и Лапласа (Ьр). Критерий Вебера характеризует отношение сил инерции и сил поверхностного натяжения

2 г.

ри Лп

We = --0, (1)

ст

где р — плотность газа, и — скорость газового потока, Л0 — исходный размер капли, ст — поверхностное натяжение металла.

Критерий Лапласа характеризует отношение сил поверхностного натяжения и сил вязкого течения жидкости

2

Ьр = , (2)

где уж — кинематическая вязкость жидкого металла, рж — плотность металла.

Для оценки дисперсности порошков использованы экспериментальные частотные кривые распределения частиц по фракциям и относительный средний размер частиц dср. Время, необходимое для сфероидизации жидкой капли (тсф), должно быть меньше времени ее затвердевания, которое складывается из времени охлаждения тохл капли расплава до температуры ее кристаллизации и тт — времени выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Основными факторами, определяющими дисперсность порошка, являются вязкость и поверхностное натяжение расплава, а также энергия газового потока.

В работе [7] рассмотрены вопросы диспергирования расплавов водой высокого давления (15—20 МПа). Размер частиц и фракционный состав порошка зависят от кинетической энергии, скорости, расхода воды и физических характеристик расплава. Форма частиц порошка, полученного диспергированием расплавов водой, определяется плотностью контактирующих фаз (вода, вода + пар, пар) с диспергируемым расплавом. При диспергировании расплавов водой высокого давления отношение тохл/тсф > 1 обусловливает получение порошка со сферической формой частиц. Получение порошка неправильной формы характерно для отношения тохл/тсф < 1. Однако результаты практики по получению порошков с заданной формой частиц диспергированием расплавов водой высокой энергии не всегда согласуются с расчетными данными соотношения тохл/тсф. Поэтому их нужно считать ориентировочными, а конкретные режимы уточнять экспериментально [7].

Авторами [8] показано, что критерий Вебера (^е) характеризует соотношение взаимодействующих объемов газа и металла в области вторичного диспергирования и при

^е = ^екр =; 8

dср = 4ст/Рс, (3)

т.е. средний размер частиц при диспергировании газом при прочих равных условиях зависит от скоростного напора (Рс) и поверхностного натяжения металла; при диспергировании сходящимися потоками воды определяется скоростным напором и скоростью истечения металла из металлоприемника:

dсV = ЗОЛОме рС2. (4)

В Институте металлургии УрО РАН предложено использование одновременно двух энергоносителей: воды и воздуха [9, 10], что позволяет увеличить выход сферических частиц порошковой фракции. Способ разработан для расплавов чугуна низколегированного ванадием. Применение предложенного способа для получения порошков различного фракционного состава из вторичного сырья, представленного железоуглероди-

отыми расплавами с содержанием углерода от 0.2 до 2.7 мае. %, требует изучения свойств расплавов и зависимостей среднего размера частиц от физико-химических характеристик расплавов и параметров диспергирования.

В работе [11] имеются данные по плотности и поверхностному натяжению расплавов железа при различных температурах. Указанные величины авторами определялись методом лежащей капли [12]. По мере повышения температуры плотность жидкого железа падает, при этом снижение составляет 0.101 г/см3 на 100°C.

Плотность расплава в значительной мере зависит от содержания в жидком железе примесей: в подавляющем большинстве случаев с повышением их концентрации плотность расплава уменьшается.

Расчетные значения среднего размера частиц, полученные по уравнению (3) с использованием значений для железоуглеродистого расплава (3.6 мае. % С) из литературы [11], расходятся с экспериментальными данными на 20—25% при разных содержаниях примесных элементов в расплаве (кремния, марганца). С целью получения более точных расчетных значений dср необходимо определить физико-химические свойства исходных расплавов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для исследования выбраны железоуглеродистые расплавы сложного химического состава — вторичное сырье с содержанием (мас. %) 0.4—1.2 С, 0.2—0.4 Si, 0.4—0.7 Mn, 0.045 S, 0.02 Р Комплексное влияние легирующих с точки зрения требований порошковой металлургии (углерод) и примесных элементов (кремний, марганец, сера, фосфор) на физико-химические свойства расплавов определяли методом лежащей капли (поверхностное натяжение и плотность) [12, 13]. Измерения проводили в среде очищенного гелия на установке Института металлургии УрО РАН, описанной в работе [14]. Для формирования капли использовались подложки из химически чистой окиси алюминия или окиси бериллия. Фотоснимки капель получали с помощью цифровой камеры Олимпус с 4-мегапиксельной матрицей. Снимок, полученный с помощью камеры в формате jpg, обрабатывали по методике Ю.Н. Иващенко [15]. Вычисление р и ст по измеренным линейным размерам капли обычно проводится с помощью таблиц или графиков [14—18]. На основе таблиц [17] была составлена компьютерная программа расчета величин р и ст для выполнения расчетов на ПК.

Как табличный, так и графический способ вычисления поверхностного натяжения и плотности по размерам капли основан на приближенном решении уравнения капиллярности

Z = а (1 + 11. (5)

Ч Я/

Здесь величина Z — вертикальная координата, в качестве которой выбрана ось симметрии капли; a2 — капиллярная постоянная; Rl и R2 — главные радиусы кривизны капли в точке А, имеющей координату Z и лежащей на поверхности капли. При этом капля рассматривается как тело вращения с осью, совпадающей с направлением силы тяжести.

Уравнение (5) в дифференциальной форме через координаты x, z имеет следующий вид:

z z — z (6)

,2 3.2 ,2 1/2 2

(1 + г) х (1 + г) а

Точного решения уравнений (5), (6), как отмечено в работе [16], по-видимому, не существует. Однако можно получить приближенное решение с заданной степенью точности. Башфортом и Адамсом составлены обширные таблицы для вычисления капилляр-

Х3 Xi Х4 x

ной постоянной и объема капли [17]. Результаты их работы использованы авторами [15, 16] для построения таблиц и графиков, более удобных при вычислении плотности и поверхностного натяжения.

Практически для определения значений р и ст необходимо иметь величину капиллярной постоянной, которая для исследуемой жидкости обычно неподвижна. Кроме того, необходимо определить объем капли V Тогда поверхностное натяжение и плотность определяются по формулам

р = m/V, ст = а2 • pg, (7)

где m — масса исследуемой капли, g — ускорение силы тяжести в месте проведения исследовании.

Значения R и а можно определить из измеряемых параметров капли R — радиуса экваториальной области и Н — расстояния от полюса до вершины прямого угла, образованного касательными к профилю капли, проходящими под углом у = 45° к вертикальной оси. Методика определения R0 и а предложена авторами [15]. Схема обмера капли приведена на рис. 1. Видно, что радиус экваториального сечения определяется по формуле

R = • (8)

В свою очередь при у = 45° величина Н определяется следующим соотношением:

H = ^ - (Z2 - Z\).

(9)

В работе [15] на основе таблиц Башфорта—Адамса [17] составлены таблицы зависимостей

В таблицах [17] охвачен интервал изменения H/R от 0.450 до 0.661 с шагом 0.001. Этот интервал включает в себя капли, наиболее часто встречающиеся в эксперименте и наиболее подход

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком