3 Расчет технологических параметров и конструкции циркуляционного вакууматора

3.1 Технологические особенности вакуумирования металла

Процесс циркуляционного вакуумирования заключается в обработке вакуумом металла, непрерывно текущего через вакуум-камеру по двум патрубкам, опущенным в ковш с распла­вом. Для обеспечения непрерывного подъема металла в каме­ру в один из патрубков подается аргон, пузырьки которого в результате большой разницы плотностей, поднимаясь с высокой скоростью вверх по патрубку, увлекают за собой расплав, вы­полняя функции транспортирующего газа. В камере металл дегазируется и, становясь более плотным и тяжелым, сливает­ся по второму патрубку в ковш (рисунок 1).

1 – ковш с металлом; 2 – патрубок для подъема металла; 3 – сливной патрубок; 4 – камера вакуумирования; 5 – отверстие для введения раскислителей и легирующих; 6 – к вакуумному насосу; 7 – подача аргона

Рисунок 1 – Схема процесса циркуляционного вакуумирования

Технологически этот процесс начинается с погружения патрубков в металл в сталеразливочном ковше на глубину, предот­вращающую подсосы воздуха и ковшевого шлака в камеру. Затем включается вакуум-насос, и металл, вследствие разности давлений между камерой и атмосферой, поднимается по патрубкам в камеру на барометрическую высоту. Одновременно в нижнюю часть всасывающего патрубка подается аргон, который, поднимаясь вверх и увеличиваясь постепенно в объеме, образует газометаллическую эмульсию с соотношением газа к металлу 10 : 1. Со скоростью более 5 м/с такая эмульсия врывает­ся в камеру, образуя высокий бурун над всасывающим патруб­ком. Наличие большого количества транспортирующего газа способствует созданию огромной дополнительной реакционной поверхности, интенсифицируя процесс дегазации металла. Этим объясняется то обстоятельство, что, несмотря на сравнительно небольшое время пребывания расплава в камере, обычно не пре­вышающее нескольких секунд, металл поступает в сливной па­трубок практически полностью дегазированным. Из сливного патрубка дегазированный металл, попадая снова в ковш, смеши­вается с находящимся в нем расплавом, несколько разбавляя в нем содержание газов. Поэтому для более глубокой дегазации металл необходимо пропустить через камеру не ме­нее 3 – 5 раз.

3.2 Расчет размеров вакуумной камеры

Опыт эксплуатации вакуумных установок циркуляционного типа показывает, что скорость циркуляции металла или рас­ход металла через вакуумную камеру могут быть определены из соотношения:

Q_M = k · M / τ = 4∙366,244/25 = 58,56 т/мин

где Q_M – расход металла, т/ мин;

k – кратность циркуляции (в зависимости от решаемых задач может колебаться в пределах 3...5);

М – масса металла в сталеразливочном ковше, т;

τ – время, необходимое для вакуумирования металла, мин

Примем уровень ввода аргона в подъемном патрубке h = 1,15 м, тогда скорость истечения металла в сливном патрубке составит:

u³+0,39 ∙ u² – 1,15, u = 0,62 м/с.

Так как расход металла через вакуумную камеру определен в зависимости от решения технологической задачи коэффициентом кратности циркуляции, то площадь поперечного сечения патрубков камеры и их диаметры могут быть рассчитаны следующим образом:

S = Q_м / (60ρu)=58,56/(60 ∙7∙ 0,62) = 0,225 м²

, мм

где D – диаметр патрубка, мм.

Расход транспортирующего газа:

Q_г = S · (1,2u + ω) · u² / (μ²gh – 1,2 u²) = 0,225∙(1,2 ∙ 0,62 + 0,31) ∙ 0,62²/(0,32² × 9,81 ∙ 1,15 -1,2 ∙ 0,62²) = 0,130 м³/с

Расстояние между внутренними стенками патрубков:

l₁ = 2δ₁ + 2δ₂ + 2δ₃ + δ = 2 · 150 + 2 · 50 + 2 · 30 + 400 = 860 мм = 0,86 м.

l₂ найдем по формуле:

l₂ = δ₁ + δ₂ + δ₃ = 150 + 50 + 30 = 230 мм = 0,23 м,

D_k = 2D + l₁ + 2l₂ = 1,07 + 0,86 +2 ∙ 0,23 = 2,39 м,

S_k = π · R² = 3,14 · (2,39 / 2)² = 4,48 м².

Определим расход аргона при нормальных условиях.

При скорости циркуляции металла Q_M = 58,56 т/мин или 0,976 т/с, объем металла в камере составит:

V_M = Q_M / ρ = 0,976 / 7 = 0,139 м³/с.

Увеличение уровня металла при этом составит:

h^х = V_M / S_к = 0,139 / 4,48 = 0,03 м.

При уровне металла в камере Н_δ = 100 мм и эффективной температуре, до которой нагревается аргон Т= 800 ^оС:

n = 4,8 · 10^-3 (Т / h) · Ln · ,

n = 4,8 · 10^-3 · (800 / 1,15) · Ln · () = 7,63.

Расход аргона при нормальных условиях составит:

V_Аг = 6 ·10⁴ · Q_г / n = 6 ·10⁴ ·Q_г / n = 6 ·10⁴ ·0,130 / 7,63 = 1022 л/мин.