Моделирование процессов рафинировочной плавки металлов с учетом испарения примесей с химическим взаимодействием

• Автор: Зо У
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с. : ил.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Свойства и методы получения металлов высокой чистоты

1.1.1 Ниобий и тантал

1.1.2 Ванадий

1.1.3 Вольфрам и молибден

1.1.4 Цирконий

1.2 Основы теории зонного рафинирования веществ

1.2.1 Распределение после одного прохода

1.2.2 Учет испарения примеси при зонной плавке

1.2.2.1 Уравнения, описывающие испарение примесей

1.2.2.2 Расчет коэффициента разделения
1.2.2.3 Коэффициент разделения для газовых примесей
1.3 Межфазные коэффициенты распределения кристалл-жидкость и жидкость-пар
1.3.1 Методы определения коэффициента распределения
1.3.2 Методы определения коэффициента разделения
1.3.3 Концентрационная зависимость коэффициента разделения в области малых
концентраций
Выводы по разделу
2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНОГО РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ
2.1 Постановка задачи
2.2 Неидеальные регулярные растворы
2.3 Системы с положительным отклонением от закона Рауля
2.4 Системы с отрицательным отклонением от закона Рауля
2.5 Моделирование рафинирования в системах с химическими соединениями
Выводы по разделу
3. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ В ПРОЦЕССЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВАКУУМНОЙ ПЛАВКИ
3.1 Ограничения аналитических методик моделирования динамической вакуумной
плавки
3.2 Уравнения материального баланса примеси при динамической вакуумной плавке

3.2.1 Уравнение материального баланса примеси для среднего участка слитка
3.2.2 Расчет относительной потери массы
3.2.3 Уравнения материального баланса примеси для начального и конечного
участков слитка
3.3 Алгоритм расчета распределения примесей по длине слитка в
многокомпонентных системах
3.4 Скорость испарения вещества при плавке в разреженной атмосфере
Выводы по разделу
4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВАКУУМНОЙ ПЛАВКИ
4.1 Требования к программному обеспечению
4.2 Программа моделирования рафинировочной вакуумной плавки
4.2.1 Параметры математической модели
4.2.2 Интерфейс программы
4.3 База данных для программы моделирования плавки
4.3.1 Структура базы данных
4.3.2 Отбор данных для базы
Выводы по разделу
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАФИНИРОВАНИЯ ТУГОВЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ ОТ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ В ПРОЦЕССЕ ЗОННОЙ ПЛАВКИ
5.1 Рафинирование ванадия и тантала от металлических примесей
5.2 Рафинирование ниобия от азота
5.3 Рафинирование ниобия и ванадия от кислорода и углерода
5.4 Рафинирование циркония металлом-раскислителем
5.5 Сравнение расчетных данных по рафинированию ниобия с экспериментальными.

Выводы по разделу
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АМе - атомная масса металла, кг/моль
d - диаметр слитка, м;
cf - начальный диаметр слитка, м;
D - коэффициент диффузии, м2/с;
F - площадь поверхности испарения, м2;
F° - начальная площадь поверхности испарения, м2;
g - безразмерный геометрический фактор, g = F/S
G - изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса), Дж;
д q - парциальная молярная энергия Г иббса, Дж/моль;
АНҐ - интегральная молярная теплота смешения, Дж/моль;
Jмол9 ^вязк ~ поток вещества в молекулярном и вязкостном режиме, моль/с; К, Kj - коэффициент распределения;
К"0“1 - коэффициент обратного поглощения;
f'P -коэффициент распределения;
гр - эффективный коэффициент распределения;

I - длина расплавленной зоны, м;
L - длина образца, м;
тж - масса расплава, моль;
М, - молекулярная масса испаряющегося вещества, кг/моль;
Мме - молекулярная масса основного металла, кг/моль;
п - число проходов зоны;
- мольная концентрация примеси в расплаве, моль/м3;
те, ч - мольная концентрация примеси в твердой фазе с координатой х,
' (Х) моль/м3;
N0 - начальная концентрация примеси, мольная доля;
Nж - концентрация примеси в жидкой фазе, мольная доля;
Гтв ]жидк - предельная концентрация примеси в твердой и жидкой фазах,
ппред* пред
1 у мольная доля;
Л(°, ЛГ, - концентрация примесного компонента / соответственно в исходном
У/"сл материале, расплаве, в кристаллизующейся части слитка и в паре,
мольная доля; р - парциальное давление, Па;
Рост - давление остаточного газа, Па;
„о о - равновесные парциальные давления пара примеси и рафинируемого
г/ >РМе г,
металла, Па; го - радиус расплавленной зоны, м;
5 - площадь поперечного сечения слитка, м2;
5й - начальная площадь поперечного сечения слитка, м2;
Тк - температура стенок вакуумной камеры;
Тхар - характеристическая температура газа, К;
Тщ, - температура плавления, К;
Vх - объем расплавленной зоны; м3;
и>, и^е - скорость испарения примеси и основного металла, моль/(м2с);
I]£ - суммарная скорость испарения вещества, моль/(м2с);
и мол»Увюк ~ скорость испарения в молекулярном и вязкостном режимах,
моль/(м2с);
у - скорость плавки (движения зоны), м/с;
х - координата фронта плавления, м;

определения последних не предлагаются. Выход из данного положения заключается в использовании модельных представлений о свойствах жидкого раствора.
Расплавы металлов с примесями как растворы можно разделить на два класса:
- истинные растворы, где все компоненты остаются в индивидуальном состоянии; давления паров компонентов могут быть с небольшим как с положительным, так и с отрицательным отклонением от закона Рауля;
- смеси с появлением химических соединений; давления паров компонентов здесь могут быть только с большим отрицательным отклонением от закона Рауля;
В дальнейшем изложении будем придерживаться именно такого разделения подхода к процессам рафинирования.