3.9 Оценка диаметра газовых пузырьков

Равновесие газового пузырька [3]. Если учесть, что давление в пузырьке равно , а давление, создаваемое внешней средой, равно сумме атмосферного давления Р_ат и давления слоя металла, находящегося над этим пузырьком Р_м=H, то условие устойчивости газожидкостного пузырька в струе может быть записано в виде следующей зависимости:

; а величина радиуса равновесного пузырька на любом горизонте составит

, где  – межфазное поверхностное натяжение;  – удельная масса жидкой стали; Н – высота столба металла над пузырьком.

Дробление газовых пузырей. Изучение процесса дробления пузырей показывает, что оно протекает по двум типам: 1) распад пузыря на две или более частей, имеющих размер того же порядка величины, что и первоначальный; 2) образование на его фронтальной поверхности мелких, очевидно капиллярных, волн, которые вырастают по амплитуде в процессе своего движения по границе раздела фаз и периодически отрываются от нее в виде тороидов, разрушающихся в дальнейшем на пузыри значительно меньших размеров, чем первоначальный.

Газосодержание барботажной зоны _h на данной высоте Н от места ввода в жидкость газа равно

,

где I_h – расход жидкости через данное сечение барботажной зоны, который может быть определен по [1]. После соответствующих подстановок получим

,

где c_D  1 [1]; g – гравитационное ускорение.

Рис.2.3. Газосодержание по высоте барботажной зоны:

1 - расчетная кривая по [4]. Экспериментальные данные: 2- продувка снизу через пористую вставку воды воздухом; 3-6 - продувка снизу через сопло систем: воздух - вода, гелий - вода, азот - ртуть, азот - сплав Буда; 7- азот - ртуть сбоку; 8- аргон - сталь снизу через пористую вставку

На рис.2.3. расчетная по [4] зависимость газосодержания барботажной зоны по ее высоте (линия 7) сопоставлена с экспериментальными данными, полученными при барботаже воды воздухом через сопло [7, 11-14] и пористую пробку [4] снизу, воды гелием снизу [7], азотом ртути снизу [6, 7, 15-17] и сбоку [18], сплава Вуда снизу [19, 20] и стали аргоном снизу в 30-т ковше [22].

Расчетная по [4] линия в области высоких значений критерия описывает верхнюю границу экспериментальных данных, полученных при продувке ртути азотом снизу, воды гелием снизу через сопло, а также воды воздухом через пробку. Данные по продувке ртути азотом сбоку расположены ниже, чем при продувке снизу, очевидно, в связи с тем, что в этом случае необходимо вместо h использовать величину линейного расстояния по оси струи от сопла.

Экспериментальные данные, полученные при продувке воды через сопло воздухом снизу, воспроизводят характер теоретической зависимости [4] и расположены несколько выше линии 1. Если учесть, что на сопле есть постоянный струйный участок [21], то с уменьшением отношения его величина растет, что уменьшает высоту зоны барботажа h, увеличивает и приближает фактические величины _h для продувки воды воздухом к расчетной линии 1. При продувке азотом ртути и гелием воды и уменьшении отношения на порядок величины эти процессы, очевидно, выражены значительно слабее, а при продувке воды воздухом через пористую пробку образование струйного участка невозможно.

При продувке стали аргоном в ковше [22] согласно [23] можно ожидать завершения теплообмена газа с металлом еще на стадии образования пузыря. Тогда, с учетом нагрева газа до температуры стали, экспериментальные данные [22] находятся на линии 1 и несколько выше ее (рис. 2.3.).

Газовые пузыри движутся в барботажной зоне со скоростью , где – средняя по сечению зоны скорость движения жидкости [1]. Используя выражение для последней из [1] и интегрируя выражение в пределах h = 0 при  = 0 и h = h при  = , получим выражение для продолжительности пребывания газовых пузырей в барботажной зоне

,

где ; по [1]; H_в – глубина продуваемой части ванны.

Если размер всплывающих пузырей – d, то их удельная поверхность на единицу объема ванны составит

,

где V_в – объем продуваемой газом ванны.

Первоначальный размер пузырей D – максимальный, а в дальнейшем, по мере их всплывания, он уменьшается в результате их дробления.

ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ состава вредных неметаллических включений в расплаве стали, а также причин их возникновения.

2. Выполнен анализ взаимодействия неметаллических включений с расплавом.

3. Проведен анализ структуры и режимов формирования затопленных двухфазных струй «газ – расплав», а также всплытия пузырьков газа при продувке.

4. Выполнен анализ возможных механизмов и путей удаления неметаллических включений, применение которых возможно при внепечной обработке в процессе непрерывной разливки.

5. Сформулирована математическая модель процесса очистки стали при доводке металла.