Введение к работе
Актуальность темы.
Главным направлением развития металлургии и литейного производства страны является техническое перевооружение предприятий путём освоения экологически чистых ресурсосберегающих технологий и повышение эксплуатационных характеристик литого металла. Качественные изделия из железоуглеродистых и цветных сплавов могут быть получены путем применения наиболее эффективных методов обработки жидких металлов, позволяющих интенсифицировать взаимодействие газовых , жидких и твердых фаз с расплавом. Развитие плазменной техники открывает широкие возможности для создания новых процессов литейного производства, основанных на обработке металла активными реагентами и высокотемпературными газовыми струями. Поэтому создание научных и технологических основ таких процессов получения высококачественного металла является актуальным и соответствует требованиям науки и практики литейного производства на современном этапе.
Цель работы — выполнить теоретические и экспериментальные исследования особенностей формирования и взаимодействия с расплавом заглубленной высокотемпературной струи, результаты которых в совокупности с технологическими и конструкторскими решениями обеспечивают эффективную обработку алюминиевых расплавов при экономном использовании энергии и материалов.
Задачи работы.
Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:
разработать методику исследований и изучить структуру зоны внедрения заглубленной в расплав высокотемпературной струи:
определить температурные и динамические характеристики заглубленной струи:
оценить температуру нагрева твердых частиц в погруженном в расплав плазмотроне:
исследовать тепло- и массообменные процессы в расплаве при глубинной обработке его высокотемпературной струей;
исследовать кинетику удаления водорода из алюминиевых расплавов при обработке их высокоэнтальпийными струями:
изучить влияние высокотемпературной газореагентной обработки на качество литого металла;
создать оборудование для глубинной обработки алюминиевых расплавов высокотемпературными струями;
—4—
- выбрать оптимальные режимы обработки сплавов и освоить новые технологии в промышленных условиях.
Научная новизна.
Разработана методика и изучена структура зоны внедрения заглубленной в расплав высокотемпературной струи. Получена аналитическая зависимость глубины проникновения струи от критерия Архимеда, угла наклона и глубины погружения сопла. Установлены зависимости величин межфазной поверхности и объёма газовой фазы в зоне внедрения струи от критерия Архимеда.
На основании теоретических и экспериментальных исследований определены скорость истечения и температура плазменной струи на выходе из погруженного в расплав плазмотрона для различных расходов плазмообразующего газа. Получено математическое описание тепловых условий работы заглубленного в расплав плазмотрона, » позволяющее определить оптимальные режимы его работы.
Изучено температурное состояние алюминиевого расплава при; обработке его заглубленными холодной и высокотемпературной струями и показана возможность интенсификации процесса удаления водорода во втором случае.
Предложена математическая модель взаимодействия пузырьков высокотемпературного газа с жидким металлом, позволяющая определить количество испарившегося с поверхности пузырька металла, изменение температуры и продолжительность охлаждения газа в пузырьке до температуры расплава.
Впервые исследованы массообменные процессы в расплаве при глубинной обработке его высокотемпературными газореагентны-ми средами. Установлено, что при обработке расплава плазменной струей интенсивность массообменных процессов в ванне существенно больше, чем при продувке холодным газом. Показано, что значительное влияние на массообмен в расплаве оказывает агрегатное состояние вводимых добавок, а максимальное перемешивание и степень турбулизации расплава достигаются в поверхностном слое ванны.
Впервые исследовано влияние гидростатического давления расплава в зоне истечения плазменной струи на электрические параметры погружного плазмотрона.
Изучено влияние газореагентной обработки на качество алюминиевых сплавов.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Результаты исследований позволили разработать новые эффективные технологии рафинирования и модифицирования алюминие-
—5—
вых сплавов, а также конструкции погружных плазмотронов с дозирующими устройствами для ввода в расплав реагентов. Эффективность новых технологических процессов проверена и подтверждена на алюминиевых расплавах.
Созданы и эксплуатируются в промышленных условиях стационарные и передвижные плазменные установки, позволяющие производить глубинную обработку металлических расплавов газореагент-ными средами в ковшах, печах или миксерах вместимостью до 2.5 тонн.
Выбраны оптимальные технологические режимы обработки алюминиевых сплавов высокотемпературными газореагентными средами. Новые технологии освоены на предприятиях Украины и других .-стран СНГ.'
Апробация работы и публикации.
Основные положения и результаты работы докладывались на X Всесоюзной конференции "Физико-химические основы металлургических процессов" /Москва, 1991/, научно-технической конференции "Литейное производство и окружающая среда" /Минск, 1992/, а также в полном объеме работа обсуждалась на семинарах ИПЛ АН Украины /Киев. 1992-1993/.
По теме диссертации опубликовано 5 статей и получено 2 поло
жительных решения по заявкам N 4930081/02 от 22.04.1991г и
N 5020253/07 от 3.01.1992г.
На защиту выносятся:
методика и результаты исследования структуры зоны внедрения высокотемпературной струи в металлический расплав;
результаты исследований температурных и динамических характеристик заглубленных в расплав плазменных струй, особенностей массопереноса в расплавах при обработке их такими струями;
математическая модель взаимодействия пузырьков высокотемпературного газа с расплавом;
результаты исследования кинетики удаления водорода из алюминиевого расплава при обработке его газореагентными средами;
результаты исследования влияния избыточного давления на вольтамперные характеристики плазмотрона;
расчетные данные по взаимосвязи расхода газа и температуры плазменной струи с учетом процессов, происходящих в прикатодной зоне плазмотрона;
- метод расчета температурного режима работы погружного
плазмотрона;
—6—
оборудование и технологические процессы обработки расплавов высокотемпературными газореагентными средами;
результаты металлографического и рентгенографического исследования структуры и качества алюминиевых сплавов.
Структура и объем работы,
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников из 160 наименований и приложения,
Диссертационная работа содержит 168 страниц машинописного текста, включая 22 таблицы, и 50 рисунков,