Оптимизация параметров модифицирования чугуна магнием под сверхатмосферным давлением воздуха Текст научной статьи по специальности «Физика»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004р. Вип. № 14

УДК 621.74.001.73:669.131.622

Большаков Л.А.1, Помазков М.В.2

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА МАГНИЕМ ПОД СВЕРХАТМОСФЕРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ВОЗДУХА

Перепад температуры между жидким чугуном и расчетной температурой кипения магния является основной термодинамической характеристикой, определяющей степень усвоения магния чугуном. Абсолютное оптимальное внешнее давление составляет 0,346 МПа.

Большие затруднения, связанные с введением в чугун металлического магния (большой световой эффект, бурное реагирование его с чугуном), привели исследователей к идеи модифицирования под внешним давлением: воздуха, газа или насыщенных паров магния [1-10]. Это повышает температуру кипения магния, за счет чего обеспечивается регулируемый, менее интенсивный мас-соперенос его в объеме жидкого чугуна и повышается степень усвоения модификатора. К сожалению, кинетика и термодинамика рассматриваемого процесса изучены еще недостаточно. Данные Бауэра и Брюннера, Кубашевски и Эванса, Маринчека о температурной зависимости давления насыщенных паров магния имеют существенные расхождения [11-13]. Ряд уравнений для выражения зависимости упругости пара магния от температуры справедливы для низких температур [2], другие - получены экстраполированием [14]. Литературные данные о величине оптимального давления различаются. Так, по одним источникам [4], рекомендуется в начале процесса модифицирования создавать давление воздуха в пределах 0,30-0,34 МПа, а в конце - поддерживать в пределах 0,16-0,26 МПа. По другим данным [7], давление воздуха предлагается снижать от 0,38-0,42 МПа до 0,20-0,26 МПа в завершающей стадии модифицирования. Если давление превышает упругость паров магния, то он после расплавления всплывает жидкими струями, бесполезно сгорая, а если оно значительно ниже, то барботация чугуна паром магния происходит слишком интенсивно, что приводит к снижению его усвоения.

При замешивании жидкого магния в чугун мешалкой рекомендуется поддерживать давление воздуха в пределах 0,4-0,45 МПа [5] и даже больше, до 0,5 МПа [6, 8, 9]. До настоящего времени нет еще надежных способов управления процессом модифицирования. Давление воздуха в автоклавах регулируют либо по визуальной оценке вибрации штока механизма ввода магния или косвенным способом, с помощью вибродатчика [4], смонтированного на корпусе автоклава. В датчиках управления за процессом модифицирования пока еще не используются физические характеристики чугуна и магния, изменяющиеся с течением времени.

Целью работы является исследование термодинамики модифицирования чугуна магнием под сверхатмосферным давлением воздуха, определение оптимальных условий высокой степени его усвоения, выявление аналитических зависимостей для последующего их использования в датчиках управления за процессом обработки. Аналогов подобной работы с термодинамическими расчетами в литературе не имеется.

Термодинамика процесса модифицирования Как известно [15], уравнение свободной энергии реакции, в которой участвует один из компонентов в газообразном состоянии, отличается от стандартного значения на величину

КТЬ\^—, где Я - универсальная газовая постоянная; р - парциальное давление пара магния, Р

МПа. С серой магний образует сульфид магния, при этом по данным Чипмана и Та-Ли [16], стандартное значение изменения энергии Гиббса

1 ПГТУ, канд. техн наук., доц.

2 ПГТУ, аспирант

Ла°=-351,40 + 0,15-7.

(1)

-60

Используя данные Чипмана и Та-Ли, относящиеся к стандартным условиям гетерогенной реакции десульфурации металла паром магния, пересчитали это уравнение применительно для парциального давления пара магния от 0,2 до 0,8 МПа. Если внешнее давление над погруженной в металл модифицирующей дозы магния будет больше упругости его насыщенных паров,

то магний будет находиться в жидком состоянии. Температурную зависимость изменения энергии Гиббса для стандартных условий реакции десульфурации металла жидким магнием получили путем совместного решения трех известных уравнений [17]. В первом использованном уравнении жидкий магний окисляется кислородом, во втором вычитаемом уравнении окисляется кислородом сульфид магния, а в третьем — то же вычитаемом уравнении жидкое железо насыщается серой. Для реакции образования сульфида магния зависимость ДСтч от температуры приведена ниже

^е^жид(%вРе) + ^ёжид = ^ё^ те + ^жид

N $

Рч" <

-100

-120

-140

-160

10

4

1 2 3 /

\1

1200 1300 1400 Температура, С

1500

=-23 7,098+ 0,068-Г.

(2)

Рис. 1 — Зависимость ДО реакций образования сульфидов магния от температуры, давления (0,1-0,8 МПа) и фазового состояния магния: 1-8 — пар, 9 — жидкий и 10 — растворенный в металле магний.

Из рис. 1 видно, что температурные зависимости изменения энергии Гиббса для реакции десульфурации чугуна парообразным магнием при различных внешних давлениях (от 0,1 до 0,8 МПа) в определенных точках прямых (1-8) пересекаются с подобной температурной зависимостью, но относящейся к реакции десульфурации жидким магнием (прямая 9).

Равенство величин АО указанных реакций соответствует температуре кипения магния. Из диаграммы также следует, что температура кипения магния повышается с увеличением давления в системе. При критическом давлении в системе, когда величина его выше упругости насыщенных паров магния, в объеме сплава протекает реакция между сульфидами железа и растворенным в металле магнием. Магний в чистом железе растворяется в небольших количествах. Однако, оценка термодинамической возможности хода такой реакции имеет смысл, так как в чугуне, благодаря высокому содержанию кремния и углерода, магний растворяется до одного процента и выше [18].

Учет явления растворения магния в металле, для стандартного состояния 1 %, дает АС° = -0,031 • Т, кДж/моль.

Тогда, с учетом изменения энергии Гиббса при переходе жидкого магния в раствор с железом, получим

-^е^жид(%вРе) + ^ёжид(%вРе) ~ ^ё^ те + ^жид

АС° = -237,098 + 0,099Т, кДж/моль (3)

Результаты термодинамического анализа позволили выразить температуру кипения магния (4мп) от давления следующим уравнением:

,.,,= П1Л1М. -273, (4)

9,97 + 1п

ОД

Рме

где р — абсолютное давление над навеской магния, МПа.

Степень усвоения магния Интенсивность барботации чугуна паром магния при модифицировании зависит от давления в герметизированной системе, следовательно, и от разности температуры чугуна при его обработке и температуры кипения магния (At = Хмод — 11:ш]). Таким образом, степень усвоения маг-

ния чугуном должна изменяться с одинаковой закономерностью как от давления над погруженной в металл дозировкой магния, так и от температурных условий модифицирования. Модифицирование чугуна проводили в ковше-автоклаве емкостью 8 т. В опытах температура чугуна при модифицировании колебалась от 1280 до 1350 °С. Расход магния, при получении чугуномагниевой лигатуры с содержанием магния 0,15-0,32% для последующего разбавления ее и заливки литейных форм горячим чугуном, составлял 0,31-0,44% от массы жидкого металла в ковше. При заливке модифицированного чугуна сразу в литейную форму расход магния поддерживали в пределах 0,12-0,16%. Ферросилиций загружали в колокол вместе с магнием, расход его составлял 0,25-0,40 % от массы чугуна. Абсолютное давление над навеской магния в ковше изменяли от 0,13 до 0,44 МПа. Содержание серы в чугуне до модифицирования находилось в пределах 0,062-0,113 %.

Степень усвоения магния (А, %) определяли с учетом расхода его на удаление серы по формуле:

Иг]

введ

где \Mg\oan - содержание магния в чугуне, %; |Л'| |-|Л'2| - содержание серы в чугуне до и после его модифицирования, %; [А^] введ - количество магния, введенное в чугун, в процентах от массы чугуна.

Зависимости степени усвоения магния чугуном от разности: температура чугуна при модифицировании минус расчетная температура кипения магния и от давления над модифицирующей присадкой, описываются следующими уравнениями полином (рис. 2):

А1 = -0,0074(Аг)2 -0,0402(Аг)+83,352 ; (6)

А2 =-2838,6р2 + 1962,8^-255,32. (7)

Величина достоверности аппроксимации функций составляет

^ =0,5287 и =0,5175.

Обе функции имеют экстремумы. Первые производные вышеуказанных уравнений обращаются в нуль при А^ = -2,7162 °С и р = 0.3457 МПа. Этим значениям соответствует максимальное усвоение чугуном магния, которое в среднем составляет 83 %.

Как видно из рис. 2, опытные точки для обеих функциональных зависимостей хорошо согласуются друг с другом и расположены вокруг кривых примерно на одинаковом расстоянии. Таким образом, оптимальный режим модифицирования чугуна магнием под сверхатмосферным давлением воздуха соответствует температурным условиям и давлению, когда температура кипения магния становится близкой к температуре чугуна при модифицировании. Из погруженного в жидкий чугун колокола магний после расплавления вытекает в жидком состоянии и при подъеме вверх превращается в пар. Абсолютное давление при выходе магния на поверхность металла снижается на 0,05-0,06 МПа. Продолжительность модифицирования чугуна магнием под сверхатмосферным давлением воздуха возрастает и достигает 13 мин, так как скорость подъема пара магния снижается в несколько раз.

Разность температур, °С Давление, МПа

Рис. 2 — Степень усвоения магния в зависимости от перепада температуры между жидким чугуном и расчетной температурой кипения магния (а) и от абсолютного давления (б). Дозировка магния, %: • — (0,12-0,16); # — (0,31-0,44).

Для сопоставления полученных закономерностей те же экспериментальные данные по степени усвоения магния (А) представили в виде зависимостей от перепада температур А/ = 1Л1ап — 1у п шп Температуру упругости пара магния (1у п шп) подсчитали по широко известным формулам [11-13]. Давление насыщенного пара равно давлению пара, который при определенной температуре находится в равновесии с жидким магнием. Если выразить давление пара в паскалях, то формулы будут иметь следующий вид: по данным Бауэра и Брюннера

+ (8)

по данным Кубашевски и Эванса по данным Маринчека

1Ц,рм., =-^-1,4118Г + 14,915: (9)

+ „О,

Зависимости степени усвоения магния от расчетных значений А^, вычисленных с помощью формул (8) и (9), характеризуются уравнениями полином с максимумами при значениях М = 35,4 °С и М = 23,0 °С , а именно:

4 =-0,0092(А02 +0,6522(А0 + 67,819; (11)

4 =-0,0081(А02 +0,3723(А0 + 77,986. (12)

Величина достоверности аппроксимации формул соответственно равна Щ = 0,323 и

= 0,4717 . Максимальная степень усвоения магния составляет 79,38 и 81,71 %.

Подобные зависимости степени усвоения магния (А) от расчетных значений А^, вычисленных с использованием формулы (10), ниже представлены в аналитической форме выражениями:

4 =-0,0086(АГ)2 +0,1676(А0 +81,231; (13)

4 = -0,0087(А02 + 0,5877(Д0 + 72,014; (14)

4 = -0,0088(АГ)2 + 1,0144(АГ) + 52,801. (15)

Величина достоверности аппроксимации полиномных формул соответственно Щ = 0,4568, Щ = 0,448 и Я7 = 0,4452 . Максимальная степень усвоения магния чугуном, 82 %, достигается при величине А/ равной 10, 23 и 58 °С.

Выводы

1. Перепад температуры между жидким чугуном и температурой кипящего или перегретого жидкого магния является основной характеристикой, определяющей кинетику процесса модифицирования, интенсивность барботации чугуна паром магния или скорость взаимодействия его с высоко перегретым жидким магнием, а также степень усвоения.

2. На основе предложенной термодинамической модели выполнен количественный расчет влияния давления и температуры жидкого металла на температуру кипения погруженного в него магния. Из условия равновесия между жидким и кипящим магнием вычислено уравнение для определения температуры изменения его агрегатного состояния.

3. Степень усвоения магния чугуном в одинаковой степени зависит как от давления, так и от перепада температуры между обрабатываемым металлом и расчетной температуры кипения магния.

4. Оптимальное суммарное давление воздуха и столба жидкого металла над погруженной в него дозировкой магния составляет 0,346 МПа, при котором достигается максимальная степень усвоения магния равная 83 %. При таком давлении перепад температуры между температурой чугуна и расчетной температурой кипения магния минимальный, причем отрицательный,

и составляет всего около 3 °С.

5. Полученные зависимости могут быть использованы при управлении процессом модифицирования чугуна под сверхатмосферным давлением воздуха.

6. Предметом дальнейших исследований в данном направлении может быть:

определение скоростей всплывания пузырей пара и струй жидкого магния; установление закономерностей изменения содержания газов в металле; выявление распределения магния, серы, углерода и кремния в объеме ковша; испытание датчиков управления за процессом модифицирования.

Перечень ссылок

1. Опыт модифицирования чугуна магнием / Л.А.Большаков, В.3.Гавриков, Е.КТурченкова, Р.М.Егнус // Изв.вузов. Чер.металлургия - 1959 - № 11. - С. 105-112.

2. Ващенко К.И. Магниевый чугун / К.И.Ващенко, Л.Софрони. - К.; М.: Машгиз, 1957. - 424 с.

3. Otähal V. Provozni vyrobö tvärne litiny pod tlakem / V.Otähal // Slevärenstvi. - 1955. - № 1-S.2-6.

4. Дистанционное управление процесса модифицирования чугуна магнием а автоклаве /

A.А.Самарин, Е.А.Гетъман, Н.Д.Клименътев, Н.Н.Тесли II Литейное пр-во. - 1967. - № 4. -С. 40-41.

5. Обработка чугуна магнием в автоклавах / Е.Г.Николаенко, Е.Б.Шицман, А.А.Самарин, Ю.И.Сенкевич и dp. II Литейное пр-во.-1968. - № 4 - С.20-21.

6. Ващенко К.И. Изменение содержания газов при обработке чугуна магнием в автоклавах / К.И.Ващенко, Д.Ф. Чернега, В.КЯрмоленко II Литейное пр-во. - 1969. - № 7. - С. 29-31.

7. Кузнецов В.П. Оптимальный режим давления в автоклаве при обработке чугуна магнием /

B.Н.Кузнецов, Н.Ф.Скоробогатова //Литейное пр-во.-1970.- № 10. - С. 42-43.

8. Мартовский И. П. Модифицирование чугуна галоидами магния в герметизированной камере / И.П.Мариковский, И.Ф.Воеводова II Литейное пр-во. - 1970. - № 12. - С. 31.

9. Модифицирование чугуна магнием в автоклаве с последующим разбавлением / Г.Б.Стукман, Г.Г.Михайлова, В.А.Вальтер, А.Д.Задорожний и др. II Литейное пр-во. - 1977. - № 2. - С. 39.

10. Бедарев В.И. Оценка совместного влияния температурных факторов на усвоение магния чугуном / В.И.Бедарев II Изв.вузов.Чер.металлургия. - 1972. - № 6. - С. 152-154.

11. Воронова H.A. Десульфурация чугуна магнием / Н.А.Воронова. -М.: Металлургия, 1980. -240 с.

12. Доменный чугун с шаровидным графитом для крупных отливок / А.М.Зборщик,

B.А.Курганов, Ю.Б.Бычков и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 128 с.

13. Зборщик A.M. Физико-химические процессы внедоменного рафинирования металла / А.М.Зборщик. - Донецк: ДонПТУ, 2001.- 154 с.

14. Бедарев В.И. Влияние температуры и давления на усвоение магния чугуном / В.И.Бедарев //Литейное пр-во. -1965. - С.9-11.

15. Казачков Е. А. Расчеты по теории металлургических процессов/ Е. А. Казачков.-М.:Металлургия, 1988. - 287 с.

16. Лакомский В.И. Исследование реакции десульфурации чугуна магнием / В.И.Локомский // Литейное пр-во. - 1957. -№ 1. - С. 9-11.

17. Филиппов С.И. Экспериментальные работы по теории металлургических процессов /

C.И.Филиппов, А.П.Арсенътев. - М.: Металлургиздат, 1955. - 120 с.

18. Зборщик A.M. Сравнение эффективности десульфурации магнием природно-легированного и передельного чугуна I A.M. Зборщик, Н.Т. Лифенко II Сталь. - 1998. - №2. - С. 10-12.

Статья поступила 17.03.2004