氩钢液精炼过程气泡去夹杂机理研究_图文

1、 26钢铁第43卷夹杂物的尺寸存在一个定量关系,即 磐掣。I止篁I 比nc,-|f1一巳业1L阳/J式中,R为半径,m;lD为密度,kg/m3;下标m和P分别代表模型和原型;下标inc代表夹杂;下标st代表钢液;下标w代表水溶液(本实验中代表食盐水。当夹杂物与液体的接触角大于90。时,几乎所有到达气泡表面的夹杂物都能被气泡捕获,且与接触角的大小无关跚。而钢液中常见的脱氧产物Al:0。和Si02与钢液的接触角分别是114。和115。,故它们很容易粘附到气泡上;且由于接触角比较大,夹杂物碰撞后会形成簇状物。由式(1可知,模型与原型中夹杂物密度不必严格满足相似第二定律要求,即模拟夹杂物与食盐水的密度

2、之比等于夹杂物与钢液的密度之比。本实验采用一种不溶于水、常温下不挥发且稳定的乳状液滴来模拟夹杂物。该乳状液滴不被水所润湿,故该乳状液滴也很容易粘附到气泡上且多个液滴碰撞后会因为界面张力作用而形成簇状物。因此,所选择的模拟夹杂物能较好地模拟实际过程中夹杂物的行为。图1为实验拍摄到的夹杂物碰撞长大图。原型与模型介质的有关参数见表1。将A一1/9及表1中有关数据代入式(1可以得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系。对Al:O。夹杂:RFinctm:FDinc,m一3.37(2R。,p Di。p对SiOz夹杂:RFine,mFDinc,m一3.95(3R%pDi。,p式(2和(3中,D为直径,m。 莲瓤求

3、番蛙图1夹杂物碰撞长大图Fig.1Diagram of collision and aggregation among several inclusions实验中乳状液滴的形貌及初始粒度分布如图2所示,其当量直径为379弘m,则由式(2和(3可知该乳状液滴可以模拟初始当量直径为112.5pm的A120。夹杂物或95.9仁m的Si02夹杂物。1.3实验方法实验装置如图3所示。空气从钢包底部(距底部中心1/2R处通过透气砖吹入,流量为1.19×10卅16.63×10卅m3/h。100mL乳状液通过特定的方法(将乳状液通过快速流动的流体注入钢包均匀分散在钢包中,夹杂物的初始数量密

4、度为50个/em3(基于上述乳状液滴的初始当量直径得到。然后开始吹气,同时从钢包底缓缓注入与钢包内密度相同的食盐水,这样随着溢出的溶液,钢包内上浮至表面的乳状液也随之流出,每隔一定时间收集溢出的乳状液和食盐水的混合物,通过一定的方法得到纯乳状液,则某一时刻夹杂物的去除率为:V啦一兰(4图2乳状液滴的形貌(a及初始粒度分布(bFig.2Morphology(aand initial size distribution【bof emulsiondrops 钢铁第43卷图6(c、(d时,透气砖产生的仍为相对较小的气泡,但一些气泡长大成大气泡;当吹气量比较大(见图6(e、(f时,透气砖产生的是布袋型的

5、大气泡,气泡群里基本上没有小气泡。第三种状态产生的气泡直径比较大,根据粘附去除理论,此气量范围去夹杂的效果应该比较差,但实验结果表明大气量同样具有比较好的去夹杂效果且其效果比小气量的效果还要好(见图5,这说明粘附去除理论已不适合解释大气量条件下气泡去夹杂机理。(a1.19×IO一2in3/b;(b3.56×102m3/hI(c4.75X102Ep.3/h;(d7.13×lO一2m3/h;(e14.26×102m3/h;(f16.63X102m3/h图6典型气量的气泡行为Fig.6Behaviors of bubbles at typical flowra

6、tes如前所述,有的研究者认为夹杂物主要是通过卷入到气泡的尾流中去除而不是通过气泡粘附去除。但夹杂物卷入到气泡尾流中去除的过程未见详细报道,本文将对这一过程进行阐述。大气量产生的气泡比较大(见图6(e、(f,气泡后面存在尾流区,如图7所示。熔池中的夹杂物一方面随钢液流动,一方面由于自身密度与钢水密度差而做斯托克斯上浮,当夹杂物靠近快速上浮的大气泡尾流区时,由于此区压力比较低,夹杂物很容易被卷入尾流区,而且由于尾流区的湍流强度比较大,夹杂物做循环流动并同时随气泡一起上浮。可见,单个夹杂物颗粒被单个气泡尾流捕捉去除的过程可分为3个微过程,即夹杂靠近气泡尾流区、夹杂进入气泡尾流区、夹杂在气泡尾流区作

7、循环流动并随气泡一起上浮。图7气泡尾流示意图Fig.7Schematic of bubble wake钢液吹氩精炼过程中,吹气量较小时,气泡群体积大且含有大量小直径的气泡(多数小于2mm,见图6(a、(b,而小气泡有利于粘附去除夹杂物15。较小气量主要是通过气泡粘附去除夹杂物,故较小气量有较好的去夹杂效果。并在一定的气量范围内,夹杂物的去除效果相差不大,其中相对较大的气量由于增大了钢包内流体的湍动能从而增加了夹杂物碰撞长大的机会,促使更多的夹杂物易于去除,因此有相对较优的去夹杂效果。但随着气量的再次增大,去夹杂的效果会明显变差(对应于4.75×10-2ITl3/h的气量。这是因为,气泡直径随气量的增加而增大,过大的气量会使气泡的直径明显变大、气泡的数量显著减少(见图6(c,这些均不利于粘附去除夹杂物。随着气量进一步增大,由于气泡直径已经比较大(见图6(d、(e、(f,夹杂物已不再通过气泡粘附去除,而主要是通过卷入到气泡的尾流中去除。由于随着吹气量的增大,气泡的直径、速度不断增大,这均有利于气泡尾流卷入夹杂,故随着吹气量的增加去夹杂效果越来越好;当气量增大到一定程度时,气泡的直径、速度随气量的增加变化不大(见图6(e、