3.5 Коагуляция включений.

Коагуляция включений. При рассмотрении процесса удаления из металла неметаллических включений необходимо учесть неизбежную коагуляцию частиц. Взвесь неметаллических включений, имеющих радиус 0,1–10 мкм, является грубодисперсной суспензией. Различают два механизма укрупнения частиц в таких суспензиях – градиентную и турбулентную коагуляцию. Продолжительностью коагуляции называют время, необходимое для уменьшения числа частиц в суспензии вдвое.

Продолжительность градиентной коагуляции составляет

, где – продолжительность градиентной коагуляции, с; n₀ – начальное число частиц в единице объема, м^-3; r_в – радиус частиц, м; – удельный расход газа, м³/(м²∙с); V – объем газа, проходящего через суспензию, м³/с; S – площадь поперечного сечения, м²; R – радиус пузырей газа, м; u – скорость всплывания пузырей, м/с.

Достаточно энергичный и охватывающий весь объем; ванны барботаж всплывающими пузырями приводит к установлению в ней режима развитой однородной и изотропной турбулентности. В таком режиме коагуляция взвешенных частиц может осуществляться и турбулентными пульсациями, а ее продолжительность будет равна

_, где τ_т – продолжительность турбулентной коагуляции, с.

Примем, что частицы укрупняются только в результате турбулентной коагуляции. Уменьшение числа частиц во времени, вызванное их коагуляцией, описывается формулой.

, где τ – время, с; _.

Коагуляция приводит только к уменьшению числа частиц, все вновь образующиеся частицы имеют одинаковый размер, но концентрация включений остается неизменной. Укрупнившиеся частицы в дальнейшем удаляются из расплава всплыванием, флотацией или выносом.

Частицы укрупняются наиболее быстро в первые моменты процесса. Приближенно можно принять, что частицы при длительности процесса 10–60 мин становятся только на порядок крупнее. Отсюда следует, что включения, имеющие исходный радиус ~1 мкм, укрупняются до частиц с эффективным радиусом ~10 мкм и в дальнейшем сравнительно быстро удаляются из расплава. Однако очень мелкие включения с исходным радиусом ~0,1 мкм укрупняются за это время только до размеров 1 мкм. Как показано ранее, включения такого и меньшего размера не могут полностью удалиться из металла.

Таким образом, крупные включения, имеющие радиус >10 мкм, удаляются достаточно быстро. Мелкие включения радиусом 0,1–1 мкм не могут полностью удалиться в результате всплывания, флотации, выноса или их укрупнения.

При прочих равных условиях повышение интенсивности продувки приводит к увеличению степени удаления включений флотацией, снижению степени удаления их в результате выноса потоками, уменьшению длительности контакта включений со шлаком при достижении ими межфазной границы и повышению доли включений, затягиваемых нисходящими потоками в глубь металла. При рассмотрении процесса удаления включений из расплава невозможно аналитически учесть воздействие металла на огнеупорную кладку, ее разрушение и попадание в расплав оксидных частичек. То же самое относится и к затягиванию шлака в металл. Можно только предположить, что эти явления усиливаются с ростом интенсивности процессов.

Результаты проведенного анализа позволяют предположить, что существуют оптимальные значения интенсивности воздействия, которые при прочих равных параметрах создают наиболее благоприятные условия для удаления включений.