Расчет технологических параметров процесса вакуумирования

Операция по вакуумной обработке стали состоит из двух этапов: предварительного и рабочего набора разряжения в вакуумной камере.

Для откачки воздуха перед проведением процесса вакуумирования (предварительное разряжение) потребуется производительность насоса:

, (17)

где М_возд – масса воздуха, кг;

− время откачки воздуха из вакуум-камеры, мин.

Масса воздуха равна:

, (18)

где – плотность сухого воздуха, кг/м³;

V_возд – объем вакуум-камеры, м³.

Объем вакуум-камеры (см. рисунок 1):

, (19)

где V₁ – объем цилиндрической части вакуум-камеры, м³;

V₂ – объём части вакуум-камеры, выполненной в виде усеченного конуса, м³.

Объём цилиндрической части вакуум-камеры определяется по формуле:

, (20)

где Н_ц – высота цилиндрической части вакуум-камеры, м.

Объем части вакуум-камеры, выполненной в виде усеченного конуса, определяется по формуле:

, (21)

где Н_к – высота конусной части вакуум-камеры, м;

R₁ – радиус нижней части конуса вакуум-камеры, м;

R₂ – радиус верхней части конуса части вакуум-камеры, м.

Расчетная производительность вакуумного насоса будет равна:

П_расч = П_нас + М _∑, (22)

где М_∑ − суммарное количество газов, которое необходимо удалить за период вакуумирования.

, (23)

где − количество аргона, приведенное к сухому воздуху, кг/мин;

− количество водорода, приведенное к сухому воздуху, кг/мин;

− количество азота, приведенное к сухому воздуху, кг/мин.

Количество удаляемого аргона при продувке металла определяется по формуле:

, (24)

где ρ_Ar − плотность аргона, кг/м³;

q_Ar − удельный расход аргона, м³/т·мин;

М − масса металла, т.

Количество аргона, приведенное к сухому воздуху, определяется по формуле:

, (25)

где − плотность воздуха, кг/м³.

Водород из металла удаляется по реакции:

2[H] = {H₂}.

Количество удаляемого водорода определяется по формуле:

, (26)

где − начальное содержание водорода в металле, %;

− содержание водорода в металле после вакуумирования, %.

Количество водорода, приведенное к сухому воздуху, определяется по формуле:

, (27)

где − плотность водорода, кг/м³.

Азот из металла удаляется по реакции:

2[N] = {N₂}.

Количество удаляемого азота определяется по формуле:

, (28)

где − начальное содержание азота в металле, %;

− содержание азота в металле после вакуумирования, %.

Количество азота, приведенное к сухому воздуху, определяется по формуле:

, (29)

где ρ_N2 − плотность азота, кг/м³.

Суммарное количество газов, удалённых за период вакуумирования, равно:

+ + . (29)

Растворимость водорода, азота и других двухатомных газов в металле пропорциональна корню квадратному их парциального давления. Этот факт известен как закон Сивертса [2]:

[Г]=К ,

где К – коэффициент растворимости, численно равный растворимости газа при его парциальном давлении 1 атм.

Для разбавленных растворов все выражения концентраций пропорциональны друг другу. Поэтому закон Сивертса справедлив при любом способе выражения концентрации. Массовое содержание водорода и азота в % в жидком металле при 1600 °С можно определить по уравнениям [6]:

[H]_кон = 0,0027 , (30)

[N]_кон =0,043 . (31)

где парциальные давления газов выражены в атм.

Из уравнений (30), (31) можно найти давление, необходимое для удаления газов до требуемых величин.

Пример: Определить основные параметры вакуумной камеры циркуляционного типа для обработки массы металла в ковше вместимостью 230 тонн с кратностью циркуляции k = 4. Время вакуумной обработки 25 минут.

Рас­ход металла через вакуумную камеру составит:

Q_M = т/мин.

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

, u = 0,62 м/с.

Находим площадь поперечного сечения патрубка и его диаметр:

,

.

Расход транспортирующего газа:

Q_г = 0,142 · (1,2 · 0,62 + 0,31) · 0,62² / (0,32² · 9,81 · 1,15 – l,2 · 0,62²) = = 0,08 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 = 0,85 + 0,86 + 0,46 = 2,17 м,

S_k = π · R² = 3,14 · (2,17 / 2)² = 3,7 м².

Определим расход аргона при нормальных условиях.

При скорости циркуляции металла Q_M = 37 т/мин или 0,62 т/с, объем металла в камере составит:

V_M = Q_M / ρ = 0,62 / 7 = 0,09 м³/с.

Увеличение уровня металла при этом составит:

h^х = V_M / S_к = 0,09 / 3,7 = 0,02 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 · (800 / 1,15) · Ln · () = 7,88.

Расход аргона при нормальных условиях составит:

V_Аг = 6 · 10⁴ · Q_г / n = 6 · 10⁴ · 0,08 / 7,88 = 609 л/мин.

Определим производительность насоса. Для этого определим объем вакуум-камеры и массу воздуха который необходимо откачать при процессе вакуумирования. Высота рабочего пространства вакуум-камеры составляет 4 метра, высота части вакуум-камеры выполненной в виде усеченного конуса составляет 1 м, диаметр верхней конической части вакуум-камеры составляет 1/3 от диаметра камеры.

= 3,14 · (2,17 / 2)² · (4 – 0,1) = 14,4 м³,

=

= 1 / 3 · 3,14 · 1 · (0,75² + 0,75 · 0,25 + 0,25²) = 0,9 м³.

Объем вакуум-камеры составит:

= 14,4 + 0,9 = 15,3 м³.

Масса воздуха равна:

^{= 1,293 · 15,3 = 20 кг.}

Для откачки такого количества воздуха потребуется производительность насоса:

= 20 / 4 = 5 кг/мин = 300 кг/ч.

Определим количество газов, которое образуется в период вакуумирования.

Общее количество удаляемого аргона при его удельном расходе 3 л/(т∙мин) составит:

= 1,785 · 0,003 · 230 = 1,27 кг/мин.

Количество аргона приведенного к сухому воздуху составит:

= 1,27 · 1,293 / 1,785 = 0,92 кг/мин.

Найдем общее количество удаляемого водорода по формуле:

=

Найдем количество водорода приведенного к сухому воздуху:

кг за весь процесс.

Найдем количество удаляемого водорода за 1 минуту, для этого примем продолжительность этапа вакуумирования 25 минут:

кг/мин.

Найдем общее количество удаляемого азота:

кг.

Найдем количество азота приведенного к сухому воздуху:

кг за весь процесс.

Найдем количество удаляемого азота за 1 минуту:

кг/мин.

Найдем суммарное количество газов удаленных за период вакуумирования:

кг/час.

Тогда расчетная производительность вакуумного насоса будет равна:

П_расч = 300 + 119,7 = 419,7 кг/час.

Расчёт давления в вакуум-камере.

Для удаления водорода из металла до концентраций
[Н] = 2 см³ / 100 г металла необходимо создать давление:

Р_Н2 = ([Н] / К)² = (0,0002 / 2,7 · 10^-3)² = 0,00549 атм =0,549 кПа.

Содержание азота в металле при полученных параметрах остаточного давления в камере составит:

[N] = 0,043· = 0,0032 %.

Дата добавления: 2015-10-13