Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

2.3. Поведение твердой частицы в поле центробежных сил в расплаве полости фильтра

При ламинарном движении массы суспензии в полости фильтра твердые частицы перемещаются в расплаве под действием центробежной силы со скоростью, определяемой по формуле Стокса:

dyakov12.wmf (2.7)

где dт – диаметр твердой частицы, м; примем несколько больше размера зазора щели dт = 0,3 мм; ρт и ρс – плотность твердых частиц и среды, кг/м3; µс – динамический коэффициент вязкости среды (расплава цинка), µс = 27,26 н∙с/м2 при 500 °С [7].

По расчету (п. 13 табл. 3.2) скорость смещения твердой фазы железа в суспензии полости фильтра составляет 0,0043–0,032 мм/с.

Поведение твердых кристаллов примесей в поле центробежных сил показан на примере поведения кристаллов AsMn в жидком олове.

Опыты проводили на лабораторной центрифуге с погружаемым фильтром. Вместо фильтра на вал ротора ввинчивался контейнер (рис. 9) как в работе [11.2] с кольцевой крышкой с образованием закрытой кольцевой полости.

9.tif

Рис. 9. Изложница слитка опыта затвердевания цинка в центробежном поле

Для рафинирования олова с содержанием 1,1 % мышьяка при температуре 450 °С в металл вмешивали лигатуру Sn – 8 % Mn до содержания 1,5 % Mn в ванне олова. Контейнер погружался на 20 мин в расплавленное олово с температурой 450 °С. Двигателем постоянного тока контейнер в расплаве приводился во вращение 1500 об/мин, поднимали над поверхностью расплава, сохраняя вращение на 60 с, необходимое для затвердевания металла в контейнере. Вращение контейнера останавливали, свинчивали его с вала ротора. Открывали герметичную крышку с контейнера для извлечения цилиндрического слитка (рис. 9). На токарном станке обтачивали половину толщины слитка на пробы.

В соответствии с анализом образцов стружки зон рассчитывали стехиометрическую долю марганца связанного с мышьяком в соединение AsMn с температурой затвердевания 935 °С. Марганец не связанный в кристаллы AsMn считали связанным с оловом в растворенные кластеры MnSn2 с температурой затвердевания 548 °С.

В условиях проведенного опыта частицы кристаллов AsMn среднего диаметра dt = 0,2 см при вращении n = 1500 об/мин контейнера с радиусом слоя R от оси испытывают центробежное ускорение. Опыт показал, что в поле центробежных сил фаз кристаллов AsMn и MnSn2 ликвируют к центру со скоростью, а не отбрасываются к периферии.

Скорость осаждения в поле центробежных сил переменная величина, так как с перемещением частицы по радиусу меняется и центробежное ускорение. При этом меняется плотность суспензии кристаллов в олове и изменяется скорость кристаллов с укрупнением кристаллов.

Рисунок 10 показывает, что соединения AsMn и MnSn2 ликвируют к оси вращения в одинаковой степени.

По аналогичной методике проверено поведение кристаллов соединений железа в расплаве цинка путем погружения упомянутого контейнера (рис. 9) в расплав гартцинка.

После наполнения контейнера при 450 °С, его поднимали над расплавом, но под теплоизолирующей крышкой и вращали в течение 11 мин со скоростью 1500 об/мин. Затем контейнер поднимали над крышкой не прекращая вращения на 5 мин для затвердевания.

10.wmf

Рис. 10. Изменение содержания примесей в олове в центробежном поле

От слитка нарезали стружку для проб на разном расстоянии от оси. В табл. 4 приведены результаты расчета.

Таблица 4

Расчет скорости смещения твердых фаз соединения железа под действием центробежной силы

№ п/п

Параметры

Единица

Наружная

 

Внут

Исходная

1

Вес

г

300

85

21,7

406,7

2

Доля объема

 

0,74

0,21

0,05

1

3

Концентрация Fe

%

9,43

0,23

8,2

7,4

4

Концентрация Al

%

1,3

0,23

0,09

1,1

5

Концентрация [FeAl3]

%

2,2

0,4

2,2

1,8

6

Концентрация [FeZn7]

%

78,4

0,7

67,1

61,6

7

Концентрация [Zn]

%

19,4

98,9

30,7

36,6

8

Наружный радиус,

см

5,5

3,7

3,1

5,5

9

Внутренний радиус,

см

3,7

3,1

2,9

2,9

10

Средний R центробежных сил

см

4,6

3,4

3,0

 

11

Плотность суспензии

ρcус, г/см3

7,1

6,1

6,9

 

12

J = Ускорение центробежных сил

м/с2

113966

84248

73808

 

13

dyakov13.wmf dт < 0,8∙δ

мм/с

0,0043

0,032

0,006

FeZn7

14

Смещение к периферии dт > 1,2∙δ

мм/с

0,010

0,072

0,015

FeZn7

15

Смещение к центру, dт > 1,2∙δ

мм/с

–0,19

–0,08

–0,116

FeAl3

Результаты расчета и фактические анализы показывают, что соединение железа FeZn7 смещается к периферии со скоростью 0,01–0,07 мм/с, а соединения FeAl3 смещаются к центру со скоростью 0,08–0,19 мм/с.

Опыт поведения примеси соединения железа в суспензии расплава гартцинка в полости фильтра в центробежном поле, создаваемом в течение 11 мин. Это условия отстойного расслоения. В условиях же фильтрации фильтр вращается в расплаве в течение 30–60 с и поэтому условия отстоя частиц в полости фильтра не существенны.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252