РАСПЛАВЫ
3 • 2008
УДК 621.762
© 2008 г. Г. Г. Залазинский, Т. Л. Щенникова, Г. Г. Залазинский (мл.)
МЕХАНИЗМ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ РАСПЛАВОВ
ЭНЕРГОНОСИТЕЛЯМИ
Рассмотрено взаимодействие струи железоуглеродистого расплава с водой и воздухом. Предложен механизм диспергирования расплавов этими энергоносителями. Представлен новый способ диспергирования расплавов одновременно водой и воздухом.
Метод диспергирования железоуглеродистых расплавов наиболее часто используется при получении железных порошков, чугунной и стальной дроби. Суть его заключается в плавлении металла, доводке его до заданного состава и в распылении расплавов водой или воздухом в камеру с водой. На заключительном этапе проводится разделение частиц металла на заданные фракции и их термообработка или восстановительно-обезуглероживающий отжиг.
Размер частиц получаемого продукта в значительной мере зависит от устройства форсуночного узла и условий диспергирования (давление энергоносителя, температура расплава и др.). Обычно диспергирование металла осуществляют сходящимися потоками энергоносителя (вода, воздух) или одной форсункой, расположенной под углом к струе металла, вытекающей из металлоприемника. Второй способ чаще применяют при получении дроби диспергированием металла водой.
На рис. 1 показано диспергирование двух струй железоуглеродистого расплава (0.8 мас. % С), вытекающего из металлоприемника, водой - одной форсункой. Видно, что процесс деления струи на капли можно представить в виде следующей последовательности.
Струя, попадая в зону действия энергоносителя, сжимается, скорость металла увеличивается до скорости, близкой к скорости энергоносителя (этап 1), что приводит к нарушению неразрывности струи и появлению отдельных прядей (этап 2), которые затем потоком энергоносителя разбиваются (этап 3) и образуют первичные капли (этап 4).
Можно показать, что в соответствии с представленной моделью размер образующихся капель может быть описан уравнением [1]
4Р = 1.33 ю (иМе/и), (1)
где Ю - диаметр выходного отверстия металлоприемника, иМе - скорость металла в зоне диспергирования, и - скорость энергоносителя в этой зоне.
Средняя скорость металла на выходе из металлоприемника может быть оценена по времени диспергирования заданного объема металла. Например, при выпуске 250 кг железоуглеродистого расплава через отверстие размером Ю = 18 мм время диспергирования составляет 80 с. При этом средняя скорость металла в зоне диспергирования составляет около 1.8 м/с.
Аналогично можно рассчитать скорость энергоносителя, зная его расход через заданное сечение сопла форсунки. Но проще и точнее непосредственно измерить скоростной напор энергоносителя в области диспергирования расплава. При этом
Рс = ри2/1,
(2)
Рис. 1. Диспергирование железоуглеродистого расплава водой: 1 - зона истечения металла из ме-таллоприемника; 2 - нарушение сплошности струи; 3 - разделение струи на пряди; 4 - образование первичных капель металла.
где Рс - скоростной напор, р - плотность энергоносителя. В этом случае уравнение (1) для железоуглеродистого расплава приводится к виду
й ср = 30 БПме Р;Ш (3)
Измерение скоростного напора "на холоду" проводится с использованием трубки типа "пито".
На рис. 2 показано распределение скоростного напора по длине струи воды. Видно, что в зоне диспергирования расплава (140 мм от выхода энергоносителя из форсуночного узла) скоростной напор воды составляет 0.025 МПа при давлении перед форсункой 0.12 МПа, а при 0.3 МПа он близок к 0.06 МПа. На рис. 2 представлено также рас-
62
Г. Г. Залазинский, Т. Л. Щенникова, Г. Г. Залазинский (мл.)
Рис. 2. Распределение скоростного напора по длине струи (1-3 - воздух; 4 и 5 - вода); Р, МПа: 1 -0.3, 2 - 0.4, 3 - 0.5, 4 - 0.12, 5 - 0.3.
0.06
1000 2000 3000 4000 5000 6000 Средний размер частиц, мкм
7000 8000
Рис. 3. Распределение частиц стальной дроби при диспергировании расплава водой; Р, МПа: 1 ■ 0.12, 2 - 0.3.
0
пределение скоростного напора воздуха при различных давлениях энергоносителя. Типичные кривые распределения частиц стальной дроби в зависимости от давлении воды фотв металлоприемника равен 18 мм) представлены на рис. 3.
Расчет по уравнению (3) для давления энергоносителя 0.12 МПа, Рс = 0.025 МПа дает йср = 2730 мкм. В опыте при давлении 0.1 МПа получено значение 2460 мкм. При давлении воды 0.3 МПа, Рс = 0.06 МПа в опыте йср = 1760 мкм, расчетное значение йср = = 1763 мкм.
Высокая сходимость результатов может свидетельствовать о правомерности использования уравнения (3) в случае диспергирования расплавов водой.
При диспергировании расплавов чугуна (3.8 мас. % С) воздухом двумя сходящимися потоками (Ь = 80 мм, Р, = 0.4 МПа, Рс = 0.025 МПа) получено следующее распределение частиц по размерам (рис. 4). Показано, что в случае газа в зоне диспергирования происходит вторичное деление капель металла и в этом случае расчет среднего размера частиц может быть проведен по уравнению [2]
= 4а/Рс. (4)
0.35
са
* Л0.05
о
0.10
0
200 400 600 800 1000 1200
Размер частиц, мкм
Рис. 4. Распределение частиц порошка-сырца из ванадиевого чугуна при диспергировании воздухом (Р = 0.4 МПа) Рс = 0.025 МПа.
Расчетное значение йср по формуле (4) равно 192 мкм, опытное значение, рассчитанное по кривой распределения, составляет 156 мкм. Нами предложены способы получения металлического порошка [3] и стальной дроби диспергированием железоуглеродистых расплавов одновременно двумя энергоносителями водой и воздухом [4] с использованием диспергатора [5], выполненного в виде двух щелевых форсунок: внутренней для подачи воздуха и внешней для подачи воды, вставленных друг в друга коаксиально и имеющих общий выход (рис. 5). Типичная кривая распределения частиц (0.8 мас. % С) по размерам представлена на рис. 6. В расходящемся газоводяном потоке распавшаяся на капли струя расплава может дополнительно взаимодействовать с водяным паром в зоне диспергирования с образованием вторичных частиц. При диспергировании 2000 кг железоуглеродистого расплава одновременно водой и воздухом (средняя скорость истечения металла через отверстие в металлоприемнике составила 5.83 кг/с) расчет по формуле (4) для Рводы = 0.2 МПа и Рвозд = 0.2 МПа (йср = 514 мкм) дает Рс в зоне диспергирования расплава 0.012 МПа, для Рводы = 0.15 МПа и Рвозд = 0.15 МПа (йср = 1260 мкм) имеем Рс = 0.005 МПа. Последнее значение близко к измеренному "на холоду" в области диспергирования расплава Рс = 0.004 МПа, что свидетельствует о том, что в случае диспергирования расплава одновременно водой и воздухом механизм распыления расплава близок к газовому. Это может объясняться превращением водяной составляющей газоводяного факела в пары воды при встрече со струей расплава.
При одновременной подаче воды и воздуха в диспергатор с коаксиальным расположением этих форсунок с равным давлением обоих энергоносителей наблюдаются следующие эффекты:
1. Образование расходящейся газоводяной струи энергоносителя, что снижает возможность вторичной коагуляции частиц;
2. Более мягкое воздействие несплошной струи энергоносителя на струю металла с образованием преимущественно частиц с близкими размерами, что повышает выход дроби заданного среднего размера. Например, при давлении воды и воздуха 0.2 МПа до 50% частиц имеют размер 1400-1800 мкм, при давлении 0.3 МПа - размер 500-1000 мкм. Таким образом, при одновременной подаче воды и воздуха в диспергатор обеспечивается увеличение выхода частиц с заданным средним размером;
3. За счет образования расходящегося потока капель металла в газоводяном потоке происходит эффективное охлаждение частиц крупных фракций при их меньшей деформации средой энергоносителя. Это снижает долю деформированных капель с раз-
64
Г. Г. Зaлaзинcкий, T. Л. Щeнникoвa, Г. Г. Зaлaзинcкий (мл.)
Рис. 5. Cxeмa диcпepгиpoвaния pacплaвa: l - мeтaллoпpиeмник, г - пepвaя фopcyнкa, 3 - вoдянaя фopcyнкa, 4 - гpaнyляциoнный бacceйн.
Рис. б. Pacпpeдeлeниe чacтиц cтaльнoй дpoби пpи диcпepгиpoвaнии вoдoй и вoздyxoм; P, MПa: вoздyx - 0.2, вoдa - 0.2 (l) и вoздyx - 0.15, вoдa - 0.15 (г).
мером более 2000 мкм, а за счет образования вокруг мелких частиц (менее 800 мкм) паровой рубашки в газоводяном потоке уменьшается доля окисленных и пористых частиц, что в обоих случаях приводит к повышению выхода качественной дроби.
Использование в качестве охлаждающего устройства однощелевой форсунки с подачей воды по нормали к потоку частиц диспергированного металла приводит к фиксации сферической формы, снижению скорости их подлета к зеркалу воды в бассейне, что, с одной стороны, дополнительно увеличивает долю крупных сферичных частиц, а с другой - уменьшает количество мелких частиц рваной формы, образующихся за счет эффекта пленочного кипения на границе металл-вода при диспергировании и одновременно снижает их окисленность, т.е. увеличивает выход частиц с заданным средним размером в диапазоне от 300 до 3000 мкм при одновременном повышении выхода сферичных частиц.
Таким образом, при диспергировании железоуглеродистых расплавов водой, водой с воздухом и воздухом определяющее влияние на размер образующихся капель металла имеет скоростной напор в области диспергирования струи металла энергоносителем.
Вывод. Предложены способ и устройство для производства металлической дроби диспергированием расплава водой и воздухом одновременно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Залазинский Г.Г., Щенникова Т.Л., Залазинский Г.Г. (мл.) Распределение частиц по размерам при диспергировании железоуглеродистых расплавов водой. - Расплавы, 2003, < 4, с. 25-28.
2. Залазинский Г.Г., Щенникова Т.Л., Залазинский Г.Г. (мл.) Влияние параметров диспергирования на размер образующихся капель металла. - Расплавы, 1997, < 6, с. 22-27.
3. Залазинский Г.Г., Щенникова Т.Л. и др. Способ получения металлического порошка. - Патент RU < 1765986, 1993.
4.Залазинский Г.Г., Щенникова Т.Л. и др. Способ получения стальной дроби. - Патент RU < 2289495, 2006.
5. Залазинский Г.Г., Щенникова Т.Л., Колобанов А.Г. Установка для получения металлической дроби. - Патент RU < 2251471, 2005.
Институт металлургии Поступила в редак
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.