工程科学学报，第38卷，第5期：637643,2016年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.5:637-643,May 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.007:http://journals.ustb.edu.cn 基于PV技术的钢包临界卷渣行为水模型研究 吴华杰1)四，张漓”，徐阳”，岳峰》，冯美兰”，魏崇一”，郭浩” 1)北京科技大学治金工程研究院，北京1000832)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京100083 ☒通信作者，Email:whjyeah@163.com 摘要基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PV)技术，通过水模型研究临界卷渣条件下卷渣过程和钢包流场特 征，解析临界卷渣从发生到结束的整个过程卷渣处流场速度的变化情况，并定量分析炉渣运动黏度对临界卷渣速度的影响. 将临界卷渣速度的实验检测值与传统理论计算值进行比较和讨论.研究结果表明：临界卷渣过程从开始到结束可细分为八个 不同阶段，卷渣处流场速度变化在这八个阶段中先增大后减小再增大：炉渣运动黏度对卷渣具有重要影响，炉渣运动黏度越 大，临界气量和临界卷渣速度越大，并且临界卷渣速度与炉渣运动黏度的关系更具线性相关性.实验拟合得到炉渣运动黏度 与临界卷渣速度的关系式.最后根据传统理论计算模型和实测结果提出实验条件下修正的临界卷渣速度表达式， 关键词炼钢：流场：卷渣：速度：运动黏度：粒子图像测速 分类号TF769.9 Water model study on critical slag entrapment behavior based on PIV technology WU Huajie,ZHANG Li,XU Yang",YUE Feng,FEN Mei-an,WEI Chong-yi,GUO Hao 1)Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing,100083 2)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083 Corresponding author,E-mail:whjyeah@163.com ABSTRACT The slag entrapment process and the flow field of a specific ladle at critical flow rate are investigated based on particle image velocimetry (PIV)technology,and the change of fluid velocity at the region where slag is entrapped into steel during the whole slag entrapment process is studied by water modelling.The influence of the kinematic viscosity of slag on the critical slag entrapment velocity is analyzed quantitatively.The critical slag entrapment velocity collected from experiments is compared with the calculated one by the traditional theory.It is shown that the critical slag entrapment process can be divided into 8 stages from the occurrence to the end,and the fluid velocity at the point where slag is entrapped into steel increases first,then decreases and increases again during the 8 stages.The kinematic viscosity of slag has great influence on slag entrapment.When the kinematic viscosity of slag increases,the critical flow rate and critical slag entrapment velocity enlarge,and the linear correlation relationship between the critical slag entrap- ment velocity and the kinematic viscosity of slag becomes more obvious.A relational expression between the critical slag entrapment velocity and the kinematic viscosity of slag is derived from experimental data by liner fitting.At the end of this article,a correctional expression of the critical slag entrapment velocity is put forward based on the experimental data and the theoretically calculated values. KEY WORDS steelmaking:flow fields;slag entrapment:velocity:kinematic viscosity:particle image velocimetry 钢铁治金生产过程中钢包内钢液流动和卷渣行为 液的成分和温度.当搅拌强度较弱时，渣面处于一定程 是一种普遍存在且对治金效果有重要影响的现象.吹 度的凝固状态，传质较慢；当搅拌比较强烈的情况下， 氩搅拌能扩大反应界面，加速反应物质的传递，均匀钢 钢一渣界面强烈波动，甚至使渣滴卷入钢水.因此，研 收稿日期：201505-20 基金项目：中央高校基本科研业务费资金资助项目(FRF-TP-14-101A2)
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期: 637--643，2016 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 5: 637--643，May 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 05． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于 PIV 技术的钢包临界卷渣行为水模型研究 吴华杰1，2) ，张 漓1) ，徐 阳1) ，岳 峰2) ，冯美兰1) ，魏崇一1) ，郭 浩1) 1) 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 通信作者，E-mail: whjyeah@ 163． com 摘 要 基于粒子图像测速( particle image velocimetry，PIV) 技术，通过水模型研究临界卷渣条件下卷渣过程和钢包流场特 征，解析临界卷渣从发生到结束的整个过程卷渣处流场速度的变化情况，并定量分析炉渣运动黏度对临界卷渣速度的影响． 将临界卷渣速度的实验检测值与传统理论计算值进行比较和讨论． 研究结果表明: 临界卷渣过程从开始到结束可细分为八个 不同阶段，卷渣处流场速度变化在这八个阶段中先增大后减小再增大; 炉渣运动黏度对卷渣具有重要影响，炉渣运动黏度越 大，临界气量和临界卷渣速度越大，并且临界卷渣速度与炉渣运动黏度的关系更具线性相关性． 实验拟合得到炉渣运动黏度 与临界卷渣速度的关系式． 最后根据传统理论计算模型和实测结果提出实验条件下修正的临界卷渣速度表达式． 关键词 炼钢; 流场; 卷渣; 速度; 运动黏度; 粒子图像测速 分类号 TF769. 9 Water model study on critical slag entrapment behavior based on PIV technology WU Hua-jie 1，2) ，ZHANG Li 1) ，XU Yang1) ，YUE Feng2) ，FEN Mei-lan1) ，WEI Chong-yi 1) ，GUO Hao 1) 1) Engineering Ｒesearch Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing，100083 2) Collaborative Innovation Center of Steel Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083 Corresponding author，E-mail: whjyeah@ 163． com ABSTＲACT The slag entrapment process and the flow field of a specific ladle at critical flow rate are investigated based on particle image velocimetry ( PIV) technology，and the change of fluid velocity at the region where slag is entrapped into steel during the whole slag entrapment process is studied by water modelling． The influence of the kinematic viscosity of slag on the critical slag entrapment velocity is analyzed quantitatively． The critical slag entrapment velocity collected from experiments is compared with the calculated one by the traditional theory． It is shown that the critical slag entrapment process can be divided into 8 stages from the occurrence to the end，and the fluid velocity at the point where slag is entrapped into steel increases first，then decreases and increases again during the 8 stages． The kinematic viscosity of slag has great influence on slag entrapment． When the kinematic viscosity of slag increases，the critical flow rate and critical slag entrapment velocity enlarge，and the linear correlation relationship between the critical slag entrapment velocity and the kinematic viscosity of slag becomes more obvious． A relational expression between the critical slag entrapment velocity and the kinematic viscosity of slag is derived from experimental data by liner fitting． At the end of this article，a correctional expression of the critical slag entrapment velocity is put forward based on the experimental data and the theoretically calculated values． KEY WOＲDS steelmaking; flow fields; slag entrapment; velocity; kinematic viscosity; particle image velocimetry 收稿日期: 2015--05--20 基金项目: 中央高校基本科研业务费资金资助项目( FＲF--TP--14--101A2) 钢铁冶金生产过程中钢包内钢液流动和卷渣行为 是一种普遍存在且对冶金效果有重要影响的现象． 吹 氩搅拌能扩大反应界面，加速反应物质的传递，均匀钢 液的成分和温度． 当搅拌强度较弱时，渣面处于一定程 度的凝固状态，传质较慢; 当搅拌比较强烈的情况下， 钢--渣界面强烈波动，甚至使渣滴卷入钢水． 因此，研
·638· 工程科学学报，第38卷，第5期 究吹氩条件下，钢包流场和钢渣界面临界卷渣行为具 Fr数相等时，可以计算出模型底吹气量Q对应于原 有重要的意义.治金工作者在钢渣界面行为的某些方 型底吹气量Q的关系式为 面进行了大量的研究，并取得一些有重要价值的研究 Qm=0.012Q。 (1) 成果.但需要指出的是，吹氩条件下，气泡的行为 根据实际工作钢液面高度和渣层厚度，本实验中 及界面卷渣行为实质上是一个十分复杂的过程，有关 水的液面深度H=600mm,油层厚度h=2cm.当模型 钢渣黏度对卷渣行为的定量研究也不多，仍然还有许 与原型的修正弗劳德准数Fr数和韦伯准数W数相等 多问题和现象有待于进一步的深入探讨. 时，可以计算出实验中模拟介质硅油的密度为960kg· 粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技 m3.为研究钢渣黏度对临界卷渣行为的影响，油层选 术作为一种新型的流场测量技术，是一种非接触的测 取三种黏度不同、密度和水一油界面张力很相近的硅 量方法，具有整体性和瞬时性的特点，可定量测量出钢 油，分别为硅油50CS、硅油100CS和硅油350CS.各模 包流场中某一被测截面上所有点的速度分布，有效地 拟介质的物性参数如表1所示 显示钢包的流动状况，记录整个钢包卷渣过程的动态 表1模拟介质的物性参数 图像，为研究钢包流场和卷渣行为提供很好的技术手 Table 1 Physical parameters of the analog media 段.本文以某钢厂钢包为原型，采用粒子图像测速技术 密度/ 运动黏度/与水的界面张力/温度/ 进行水模型实验，对钢包卷渣过程进行解析，探索钢渣 液体 (kg*m-3)(10-6m2s1) (mN.m-1) ℃ 黏度对临界卷渣速度的影响，并基于实验结果提出实 钢液 7000 0.9 1600 验条件下修正的临界卷渣速度公式. 水 1000 1 25 1实验参数和方案 硅油50CS 960 50 52.7 25 硅油100CS 965 100 53.0 25 以往研究表明，采用水模型方法能够同时满足与 硅油350CS 970 350 53.0 25 原型钢包的几何相似和动力学相似条件，从而保证二 者之间钢液流动和钢渣界面行为的相似6-山.本研究 粒子图像测速实验时，激光强度定为30%.一次 采用水模拟研究方法，模型按照110：钢包原型以5：1 实验两个高速相机在t=25s时间内共拍摄50组照 采用有机玻璃制成，模型底部直径D=509mm,锥度为 片，利用粒子图像测速系统软件对所拍摄的照片进行 0.本实验采用水模拟钢液，油模拟钢渣，压缩空气模拟 处理，便可计算出所拍摄截面的速度流场.其装置示意 原型钢包底吹氩气，当模型与原型的修正弗劳德准数 图如图1所示 光传输系统 照明区 :一测试区域 激光器 高速摄像机 控制和存储装置 图像分析处理显示) 图1粒子图像测速装置示意图 Fig.I Schematic of particle image velocimetry 实验选择如图2所示的截面A作为研究对象.为尽 卷入.此外，油滴偶然一次的卷入不能表明后续会有油 可能减小底吹孔上方的气柱干扰整个流场拍摄，本实验 滴不间断的卷入，因此统计2min内发生油滴卷入的次 在离激光照射处远端的0.7R位置进行单孔底吹气，R 数.当在某气量下会发生两次或以上油滴脱离油层现 为底部半径大小，重点研究截面A左侧的钢包流场. 象，且超过该气量，油滴卷入次数会显著增加，定义该 观察各个方案下水一油界面卷混现象，由低至高 气量为临界卷渣气量.在临界卷渣气量下，粒子图像测 调节钢包底吹气量，由于开始发生油滴卷入时，水一油 速测定的油滴脱离点在油滴卷入前的最大速度为临界 界面一直处于非稳态状态，短时间内不一定发生油滴 卷渣速度
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 究吹氩条件下，钢包流场和钢渣界面临界卷渣行为具 有重要的意义． 冶金工作者在钢渣界面行为的某些方 面进行了大量的研究，并取得一些有重要价值的研究 成果［1--5］． 但需要指出的是，吹氩条件下，气泡的行为 及界面卷渣行为实质上是一个十分复杂的过程，有关 钢渣黏度对卷渣行为的定量研究也不多，仍然还有许 多问题和现象有待于进一步的深入探讨． 粒子图像测速( particle image velocimetry，PIV) 技 术作为一种新型的流场测量技术，是一种非接触的测 量方法，具有整体性和瞬时性的特点，可定量测量出钢 包流场中某一被测截面上所有点的速度分布，有效地 显示钢包的流动状况，记录整个钢包卷渣过程的动态 图像，为研究钢包流场和卷渣行为提供很好的技术手 段． 本文以某钢厂钢包为原型，采用粒子图像测速技术 进行水模型实验，对钢包卷渣过程进行解析，探索钢渣 黏度对临界卷渣速度的影响，并基于实验结果提出实 验条件下修正的临界卷渣速度公式． 1 实验参数和方案 以往研究表明，采用水模型方法能够同时满足与 原型钢包的几何相似和动力学相似条件，从而保证二 者之间钢液流动和钢渣界面行为的相似［6--11］． 本研究 采用水模拟研究方法，模型按照 110 t 钢包原型以 5∶ 1 采用有机玻璃制成，模型底部直径 D = 509 mm，锥度为 0． 本实验采用水模拟钢液，油模拟钢渣，压缩空气模拟 原型钢包底吹氩气，当模型与原型的修正弗劳德准数 Fr 数相等时，可以计算出模型底吹气量 Qm对应于原 型底吹气量 Qp的关系式为 Qm = 0. 012Qp ． ( 1) 根据实际工作钢液面高度和渣层厚度，本实验中 水的液面深度 H = 600 mm，油层厚度 h = 2 cm． 当模型 与原型的修正弗劳德准数 Fr 数和韦伯准数 We 数相等 时，可以计算出实验中模拟介质硅油的密度为 960 kg· m － 3 ． 为研究钢渣黏度对临界卷渣行为的影响，油层选 取三种黏度不同、密度和水--油界面张力很相近的硅 油，分别为硅油 50CS、硅油 100CS 和硅油 350CS． 各模 拟介质的物性参数如表 1 所示． 表 1 模拟介质的物性参数 Table 1 Physical parameters of the analog media 液体 密度/ ( kg·m － 3 ) 运动黏度/ ( 10 － 6 m2 ·s － 1 ) 与水的界面张力/ ( mN·m － 1 ) 温度/ ℃ 钢液 7000 0. 9 — 1600 水 1000 1 — 25 硅油 50CS 960 50 52. 7 25 硅油 100CS 965 100 53. 0 25 硅油 350CS 970 350 53. 0 25 粒子图像测速实验时，激光强度定为 30% ． 一次 实验两个高速相机在 t = 25 s 时间内共拍摄 50 组照 片，利用粒子图像测速系统软件对所拍摄的照片进行 处理，便可计算出所拍摄截面的速度流场． 其装置示意 图如图 1 所示． 图 1 粒子图像测速装置示意图 Fig． 1 Schematic of particle image velocimetry 实验选择如图 2 所示的截面 A 作为研究对象． 为尽 可能减小底吹孔上方的气柱干扰整个流场拍摄，本实验 在离激光照射处远端的 0. 7Ｒ 位置进行单孔底吹气，Ｒ 为底部半径大小，重点研究截面 A 左侧的钢包流场． 观察各个方案下水--油界面卷混现象，由低至高 调节钢包底吹气量，由于开始发生油滴卷入时，水--油 界面一直处于非稳态状态，短时间内不一定发生油滴 卷入． 此外，油滴偶然一次的卷入不能表明后续会有油 滴不间断的卷入，因此统计2 min 内发生油滴卷入的次 数． 当在某气量下会发生两次或以上油滴脱离油层现 象，且超过该气量，油滴卷入次数会显著增加，定义该 气量为临界卷渣气量． 在临界卷渣气量下，粒子图像测 速测定的油滴脱离点在油滴卷入前的最大速度为临界 卷渣速度． · 836 ·
吴华杰等：基于PV技术的钢包临界卷渣行为水模型研究 ·639 2实验结果与讨论 2.1实验结果 2.1.1临界卷渣过程和流场的粒子图像测速解析 激光照射 , 底吹孔 通过高速相机拍摄，可以获取不同实验条件下，油 0.7R ● 滴卷入整个过程的图像、钢包流场和速度变化情况.图 研究截面A 3所示为硅油100CS在临界卷渣气量为1120mL· min时的卷渣过程情况，另两种硅油的卷渣过程与其 类似. 图3中详细展示了油滴卷入各阶段随时间的八个 过程：开始时水油界面非常平稳，几乎没有波动：0.5s 图2研究截面示意图 时油层出现微小凸起，但界面处仍较为平稳；1s时层 Fig.2 Schematic illustration of the selected experimental section 凸起较0.5s明显变大，界面出现些微紊乱：1.5s时渣 测速点 1=0.5 1=5 =2.0 1=25- =30s 1=35, 图3油滴卷入过程 Fig.3 Involving process of an oil drop 层凸起变得非常明显：2s时油层凸起体积继续增大， 迹线图，对上述八个过程中油滴脱离点，即图3中测速 且开始往下运动开始形成油滴：2.5s时椭球状的油滴 点处流场速度进行提取，结果如图5所示. 将要与油层发生脱离：3s时形成完整的油滴，与油层 同样可得硅油50CS在临界卷渣气量600 断裂：3.5s时油滴进入水流场中并开始在浮力作用下 mL·min和硅油350CS在临界卷渣气量1640mL· 向上运动，水油界面恢复平稳.整个油滴卷入过程共历 min时在油滴脱离点处的速度变化图，分别如图6 时3.5s. 所示. 粒子图像测速检测截面在对应上述八个过程中钢 从图5和图6中可以看出，在油滴卷入的整个过 包流场矢量和迹线图如图4所示. 程中，油滴脱离位置处的流速呈先增大后减小再增 由图4可知临界卷渣过程中，钢包内底吹孔所在 大的特点.临界卷渣开始时，水油界面比较平稳，测 的中心面的总体流场特征为：钢包底吹条件下产生的 速点处速度处于正常脉动状态：随着底吹气体的不 气泡带动底吹孔上方的水向上流动，最大的速度达 断推动，扰动水油界面，界面处速度开始增大：油层 0.4ms.上升流在水油界面处流动方向发生改变， 吸收能量后，表面逐步生成明显凸起，随着凸起部分 并使水油界面下方和钢包中心处各形成一个漩涡区. 的油滴体积不断增大，界面速度开始不断减小：随着 从水油界面漩涡区向下的水流受钢包壁面处向右水流 凸起形成较完整的油滴形状，体积不再增加，界面的 的影响而向气柱区域流动，并且速度逐渐增大，达 速度又开始增大：随后，当界面速度大于一定程度 0.06ms,进入气柱附近区域时在气柱上升作用的 后，油滴发生脱离.因此由图5和图6可得，硅油 影响下，改变方向向上运动，完成钢包内水流整体的一 50CS、硅油100CS和硅油350CS油滴脱离位置处的 个大回流 速度分别为0.0129、0.0175和0.0354ms,为对应 根据每组粒子图像测速检测截面流场速度矢量和 的临界卷渣速度
吴华杰等: 基于 PIV 技术的钢包临界卷渣行为水模型研究 图 2 研究截面示意图 Fig． 2 Schematic illustration of the selected experimental section 2 实验结果与讨论 2. 1 实验结果 2. 1. 1 临界卷渣过程和流场的粒子图像测速解析 通过高速相机拍摄，可以获取不同实验条件下，油 滴卷入整个过程的图像、钢包流场和速度变化情况． 图 3 所示 为 硅 油 100CS 在临界卷渣气量为 1120 mL· min － 1时的卷渣过程情况，另两种硅油的卷渣过程与其 类似． 图 3 中详细展示了油滴卷入各阶段随时间的八个 过程: 开始时水油界面非常平稳，几乎没有波动; 0. 5 s 时油层出现微小凸起，但界面处仍较为平稳; 1 s 时层 凸起较 0. 5 s 明显变大，界面出现些微紊乱; 1. 5 s 时渣 图 3 油滴卷入过程 Fig． 3 Involving process of an oil drop 层凸起变得非常明显; 2 s 时油层凸起体积继续增大， 且开始往下运动开始形成油滴; 2. 5 s 时椭球状的油滴 将要与油层发生脱离; 3 s 时形成完整的油滴，与油层 断裂; 3. 5 s 时油滴进入水流场中并开始在浮力作用下 向上运动，水油界面恢复平稳． 整个油滴卷入过程共历 时 3. 5 s． 粒子图像测速检测截面在对应上述八个过程中钢 包流场矢量和迹线图如图 4 所示． 由图 4 可知临界卷渣过程中，钢包内底吹孔所在 的中心面的总体流场特征为: 钢包底吹条件下产生的 气泡带动底吹孔上方的水向上流动，最大的速度达 0. 4 m·s － 1 ． 上升流在水油界面处流动方向发生改变， 并使水油界面下方和钢包中心处各形成一个漩涡区． 从水油界面漩涡区向下的水流受钢包壁面处向右水流 的影响 而 向 气 柱 区 域 流 动，并且速度逐渐增大，达 0. 06 m·s － 1，进入气柱附近区域时在气柱上升作用的 影响下，改变方向向上运动，完成钢包内水流整体的一 个大回流． 根据每组粒子图像测速检测截面流场速度矢量和 迹线图，对上述八个过程中油滴脱离点，即图 3 中测速 点处流场速度进行提取，结果如图 5 所示． 同 样 可 得 硅 油 50CS 在临界卷渣气量 600 mL·min － 1 和 硅 油 350CS 在临界卷渣气量1640 mL· min － 1时在油滴脱离点处的速度变化图，分别如图 6 所示． 从图 5 和图 6 中可以看出，在油滴卷入的整个过 程中，油滴脱离位置处的流速呈先增大后减小再增 大的特点． 临界卷渣开始时，水油界面比较平稳，测 速点处速度处于正常脉动状态; 随着底吹气体的不 断推动，扰动水油界面，界面处速度开始增大; 油层 吸收能量后，表面逐步生成明显凸起，随着凸起部分 的油滴体积不断增大，界面速度开始不断减小; 随着 凸起形成较完整的油滴形状，体积不再增加，界面的 速度又开 始 增 大; 随 后，当 界 面 速 度 大 于 一 定 程 度 后，油滴 发 生 脱 离． 因 此 由 图 5 和 图 6 可 得，硅 油 50CS、硅油 100CS 和硅油 350CS 油滴脱离位置处的 速度分别为 0. 0129、0. 0175 和 0. 0354 m·s － 1，为对应 的临界卷渣速度． · 936 ·
·640 工程科学学报，第38卷，第5期 650 0.1m-s-1 650 8 0.1m-8- 0.40 0.36 0.32 0.32 028 028 0.24 0.24 0.20 0.20 0.15 0.15 00 0.12 0.12 0.08 0.08 0.04 0.04 -150 0 -150 0 -400 -200 200 -400 -200 0 200 宽度mm 宽度/m (aj (b) 650 650 0.1ms 4 0.1ms 0.40 5 450 8 0.24 0. 82 0.15 0. 0.12 0. 0.08 0.04 0.04 -150 0 -150 -400 -200 200 -400 -200 0 0 200 宽度/mm 宽度/mm c y 650 0.1ms 650 0.40 0.1ms 0.40 024 0 55355 0.15 12 2 0.08 0.08 0.04 0.04 -150 -150 0 -400 -200 0 200 -400 -200 200 宽度mm 宽度/mm (e) 0 650 0.1ms 650 0.40 0.I m-s 0.40 50 0.36 0.36 0.32 0.28 0.24 0.20 0.15 0.15 00 0 2 0.12 0.08 5 0.08 0.04 0.04 -150 -150 0 400 -200 0 -400 -200 200 宽度/mm 宽度/mm (h) 图4油滴卷入过程流场矢量和迹线图.(a)t=0s:(b)t=0.5s:(c)t=1s:(d)t=1.5s:()t=2s:(0t=2.5s:(g)t=3s:(h)t= 3.55 Fig.4 Flow vectors and streamlines in the oil drop involving process:(a)t=0s:(b)t=0.5s:(c)t=1s:(d)t=1.5s:(e)t=2s:(f)t= 2.5s;(g)t=3s:(h)t=3.5s
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 图 4 油滴卷入过程流场矢量和迹线图． ( a) t = 0 s; ( b) t = 0. 5 s; ( c) t = 1 s; ( d) t = 1. 5 s; ( e) t = 2 s; ( f) t = 2. 5 s; ( g) t = 3 s; ( h) t = 3. 5 s Fig． 4 Flow vectors and streamlines in the oil drop involving process: ( a) t = 0 s; ( b) t = 0. 5 s; ( c) t = 1 s; ( d) t = 1. 5 s; ( e) t = 2 s; ( f) t = 2. 5 s; ( g) t = 3 s; ( h) t = 3. 5 s · 046 ·
吴华杰等：基于PV技术的钢包临界卷渣行为水模型研究 ·641 0.030 2.1.2油的黏度对临界卷渣速度的影响 一一硅油100CS 对实验条件下不同种类油的临界卷渣气量与临界 0.025 卷渣度进行比较，并对临界卷渣速度值进行线性拟合， 0.020 结果如图7所示. 经拟合后关系式如式(2)所示，其中临界速度V 0.015 单位为ms,运动黏度7的单位为m2s,2为拟合 关系式的相关系数. 0.00 V=73.9n+0.0096,r2=0.997. (2) 0.005 从图7中可以看出，随着黏度的增加，临界卷渣气 量和临界卷渣速度不断增大，且运动黏度与临界卷渣 0650051.015202530354.0 速度之间近似为直线关系.所以，黏度对卷渣是有抑制 时间s 作用的，当钢渣的黏度值较大时，钢渣界面处受剪切流 图5测试点处速度变化 动产生的渣层运动受到的抑制作用也更大，渣滴的形 Fig.5 Velocity change at the test point 成也更加困难 0.014 ▲一硅油50CS 0.05 ▲一硅油350S 0.012 0.04 三0.010 0.008 0.02 0.006 0.01 1.004 -0.5 00.51.01.52.02.53.03.54.0 96500.51.0152.025303540 时间s 时间s 图6硅油50CS(a)和硅油350CS(b)测试点处速度变化 Fig.6 Velocity change at the test point for silicone oil 50CS (a)and silicone oil 350CS (b) 0.04 2000 述了由于界面附近流动造成的一种界面非稳态情况， 1800 并给出非稳态速度方程四： 1600 临界气量实验值 (3) z0.03 浅井滋生认为，当钢液流提供给液滴的动能大于 800 生成液滴所需要的界面能和渣滴的浮力功之和时才能 写0.02 临界速度拟合直线 60蓝 发生卷渣现象⑦.由此推导出如下公式： 400 (4) 200 0.01 0.51.01.52.02.53.0 3.5 奥特斯指出，当钢液流的惯性力大于钢渣界面的 硅油运动黏度/(10m2·%) 界面张力与渣的浮力之和时，渣层的下边界形成渣滴， 图7不同黏度硅油临界速度和临界气量 开始卷入钢液国.由此可以得到临界卷渣速度公式为 Fig.7 Critical velocity and gas flow of slag entrapment in differen (5) kinematic viscosity of silicone oils 3pa 式(3)~(5)中：V为临界卷渣速度，ms1:△p为炉渣 2.2讨论 和钢液的密度差，kg·m3;σ为炉渣和钢液界面张力， 2.2.1实验测试结果与临界卷渣理论公式的比较 Nm;g为重力加速度，ms2pu为炉渣密度，kg· 关于临界卷渣速度公式，开尔文一亥姆霍兹、浅井 m3:为渣滴浮力与界面张力的夹角. 滋生、奥特斯等进行过理论推导.开尔文一亥姆霍兹描 水模型不同类型硅油对应的临界卷渣速度与对应
吴华杰等: 基于 PIV 技术的钢包临界卷渣行为水模型研究 图 5 测试点处速度变化 Fig． 5 Velocity change at the test point 2. 1. 2 油的黏度对临界卷渣速度的影响 对实验条件下不同种类油的临界卷渣气量与临界 卷渣度进行比较，并对临界卷渣速度值进行线性拟合， 结果如图 7 所示． 经拟合后关系式如式( 2) 所示，其中临界速度 Vcr 单位为 m·s － 1，运动黏度 η 的单位为 m2 ·s － 1，r 2 为拟合 关系式的相关系数． Vcr = 73. 9η + 0. 0096，r 2 = 0. 997． ( 2) 从图 7 中可以看出，随着黏度的增加，临界卷渣气 量和临界卷渣速度不断增大，且运动黏度与临界卷渣 速度之间近似为直线关系． 所以，黏度对卷渣是有抑制 作用的，当钢渣的黏度值较大时，钢渣界面处受剪切流 动产生的渣层运动受到的抑制作用也更大，渣滴的形 成也更加困难． 图 6 硅油 50CS ( a) 和硅油 350CS ( b) 测试点处速度变化 Fig． 6 Velocity change at the test point for silicone oil 50CS ( a) and silicone oil 350CS ( b) 图 7 不同黏度硅油临界速度和临界气量 Fig． 7 Critical velocity and gas flow of slag entrapment in different kinematic viscosity of silicone oils 2. 2 讨论 2. 2. 1 实验测试结果与临界卷渣理论公式的比较 关于临界卷渣速度公式，开尔文--亥姆霍兹、浅井 滋生、奥特斯等进行过理论推导． 开尔文--亥姆霍兹描 述了由于界面附近流动造成的一种界面非稳态情况， 并给出非稳态速度方程［12］: Vcr [ ( = 2 1 + ρsl ρ ) ] st 1 / ( 2 σgΔρ ρ 2 ) sl 1 /4 ． ( 3) 浅井滋生认为，当钢液流提供给液滴的动能大于 生成液滴所需要的界面能和渣滴的浮力功之和时才能 发生卷渣现象［7］． 由此推导出如下公式: Vcr [ = 48gσΔρ ρ 2 ] sl 1 /4 ． ( 4) 奥特斯指出，当钢液流的惯性力大于钢渣界面的 界面张力与渣的浮力之和时，渣层的下边界形成渣滴， 开始卷入钢液［13］． 由此可以得到临界卷渣速度公式为 Vcr [ = 128gσΔρcosα 3ρ 2 ] sl 1 /4 ． ( 5) 式( 3) ～ ( 5) 中: Vcr为临界卷渣速度，m·s － 1 ; Δρ 为炉渣 和钢液的密度差，kg·m － 3 ; σ 为炉渣和钢液界面张力， N·m － 1 ; g 为重力加速度，m·s － 2 ; ρsl 为炉渣密度，kg· m － 3 ; α 为渣滴浮力与界面张力的夹角． 水模型不同类型硅油对应的临界卷渣速度与对应 · 146 ·
642 工程科学学报，第38卷，第5期 条件下上述理论的推导值进行比较，得到的结果如 图8所示 V.=(1119.7m+0.15) △pgc 2 (9) Pa 值得一提的是，温度对n、σ和p有较大影响，实 0.25 一开尔文-赫姆霍兹 一·一浅并滋生 ▲一奥特斯 一粒子成像测速 际生产中计算n、σ和P,的取值时应注意温度条件. 0.20 3结论 0.15 以5：1的钢包原型为研究对象，基于相似原理和 粒子图像测速技术，进行钢包卷渣的水模型实验研究， 0.10 解析渣滴进入钢包流场的全过程，并研究油的黏度对 临界卷渣速度的影响，得到如下结论 0.05 (1)对应实际0.7R底部半径的底吹气位置，在临 界卷渣气量时，钢包内流场分布为：底吹气体带动底吹 50CS 100CS 350CS 孔上方的钢液向上流动，上升流使钢渣界面形成一个 硅油类型 漩涡区，促进了渣滴的形成.从水油界面漩涡区向下的 图8临界卷渣速度水模型实验值和理论值的比较 水流受钢包壁面处向右水流的影响而向气柱区域流 Fig.8 Comparison of critical slag entrapment velocity between ex- 动，并且速度逐渐增大，进入气柱附近区域时在气柱上 perimental data by water modelling and theoretical results 升作用的影响下，改变方向向上运动，完成钢包内水流 从图8中可以看出：粒子图像测速实测出的钢包 整体的一个大回流 模型临界卷渣速度要远小于前三者的理论推导值：并 (2)临界卷渣过程钢渣界面变化可详细分为非常 且随黏度的增大，临界卷渣速度的实验值呈增大趋势， 平稳一出现微小凸起一凸起开始长大一凸起明显变 而前三者的理论推导值呈略微递减趋势. 大一凸起开始形成渣滴一椭球状渣滴将要与渣层脱 经分析，发现理论推导建立的临界卷渣速度模型 离一出现完整的渣滴一渣滴进入钢液八个阶段.在这 忽略了两个重要的因素：(1)以上理论模型分析都是 个过程中，渣滴脱离位置处的速度变化为先增大后减 假设渣滴在瞬时间获取钢液流速的能量，直接跳跃进 小再增大. 入钢液中.由粒子图像测速观察可知，渣滴完全卷入钢 (3)随着黏度的增加，临界卷渣速度不断增大，且 液的整个过程中，渣滴不是瞬间就卷入钢液，而是在钢 运动黏度与临界卷渣速之间近似为直线关系.对实验 渣界面有渣层凸起之后，气泡持续驱动的钢液流依旧 条件下黏度和临界卷渣速度的关系进行线性拟合为 能持续为之提供能量，这个能量大于一定程度后才会 V=73.91+0.0096. 使油滴脱落，完成整个卷渣过程，反之油滴会回到油层 (4)粒子图像测速实验测得的临界卷渣速度要比 中，这个阶段所需要的能量要小于卷渣完成的整个过 奥特斯、浅井滋生等推导的理论公式值小，因为传统临 程所需克服的界面能、内能变化和浮力功的总和.(2) 界卷渣速度的理论推导模型忽略了卷渣过程中能量提 黏度对卷渣是有影响的，而以上的理论推导中忽略了 供的持续性和黏度对卷渣的抑制作用.综合理论公式 黏度的抑制作用.因此，粒子图像测速实验测量的临界 特征和实验结果，得到实验条件下的临界卷渣速度修 卷渣速度要远小于理论计算公式得到的临界值. 2.2.2临界卷渣速度公式的修正 正公式为V.=(1119.7m+0.15) △Pg 分析式(3)、式(4)和式(5)可以综合得到 Ve.=M×N. (6) 考文献 其中，N= △pgo ,则 [Li Y H,Zhao L H,Bao Y P,et al.Flow characteristic of molten M=N steel in slab casting tundishes.JUniv Sci Technol Beijing,2014,36 (7) (1):21 M理论上应与钢渣厚度、钢渣与钢液密度比、钢渣 (李怡宏，赵立华，包燕平，等.板坯中间包内钢液流动特性.北 运动黏度相关.由表1可得本实验条件下N的数值为 京科技大学学报，2014,36(1)：21) 2] 0.066,将式(2)和N的数值代入式(7)可得 Feng J H.Li BB,Wei GZ,et al.Effect of different bottom blowing argon methods on LF refining.J Unin Sci Technol Beijing,2009,31 M=1119.7n+0.15. (8) (Suppl 1):7 将式(8)代回式(6)，由此可得实验条件下修正的 (冯聚合，李博斌，魏国增，等.钢包底吹氢方式对LF精炼的影 临界卷渣速度的公式为 响.北京科技大学学报，2009,31（增刊1）：7)
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 条件下上述理论的推导值进行比较，得到的结果如 图 8 所示． 图 8 临界卷渣速度水模型实验值和理论值的比较 Fig． 8 Comparison of critical slag entrapment velocity between experimental data by water modelling and theoretical results 从图 8 中可以看出: 粒子图像测速实测出的钢包 模型临界卷渣速度要远小于前三者的理论推导值; 并 且随黏度的增大，临界卷渣速度的实验值呈增大趋势， 而前三者的理论推导值呈略微递减趋势． 经分析，发现理论推导建立的临界卷渣速度模型 忽略了两个重要的因素: ( 1) 以上理论模型分析都是 假设渣滴在瞬时间获取钢液流速的能量，直接跳跃进 入钢液中． 由粒子图像测速观察可知，渣滴完全卷入钢 液的整个过程中，渣滴不是瞬间就卷入钢液，而是在钢 渣界面有渣层凸起之后，气泡持续驱动的钢液流依旧 能持续为之提供能量，这个能量大于一定程度后才会 使油滴脱落，完成整个卷渣过程，反之油滴会回到油层 中，这个阶段所需要的能量要小于卷渣完成的整个过 程所需克服的界面能、内能变化和浮力功的总和． ( 2) 黏度对卷渣是有影响的，而以上的理论推导中忽略了 黏度的抑制作用． 因此，粒子图像测速实验测量的临界 卷渣速度要远小于理论计算公式得到的临界值． 2. 2. 2 临界卷渣速度公式的修正 分析式( 3) 、式( 4) 和式( 5) 可以综合得到 Vcr = M × N． ( 6) 其中，N ( = Δρgσ ρ 2 ) sl 1 4 ，则 M = Vcr N ． ( 7) M 理论上应与钢渣厚度、钢渣与钢液密度比、钢渣 运动黏度相关． 由表 1 可得本实验条件下 N 的数值为 0. 066，将式( 2) 和 N 的数值代入式( 7) 可得 M = 1119. 7η + 0. 15． ( 8) 将式( 8) 代回式( 6) ，由此可得实验条件下修正的 临界卷渣速度的公式为 Vcr = ( 1119. 7η + 0. 15 ( ) Δρgσ ρ 2 ) sl 1 4 ． ( 9) 值得一提的是，温度对 η、σ 和 ρsl有较大影响，实 际生产中计算 η、σ 和 ρsl的取值时应注意温度条件． 3 结论 以 5∶ 1的钢包原型为研究对象，基于相似原理和 粒子图像测速技术，进行钢包卷渣的水模型实验研究， 解析渣滴进入钢包流场的全过程，并研究油的黏度对 临界卷渣速度的影响，得到如下结论． ( 1) 对应实际 0. 7Ｒ 底部半径的底吹气位置，在临 界卷渣气量时，钢包内流场分布为: 底吹气体带动底吹 孔上方的钢液向上流动，上升流使钢渣界面形成一个 漩涡区，促进了渣滴的形成． 从水油界面漩涡区向下的 水流受钢包壁面处向右水流的影响而向气柱区域流 动，并且速度逐渐增大，进入气柱附近区域时在气柱上 升作用的影响下，改变方向向上运动，完成钢包内水流 整体的一个大回流． ( 2) 临界卷渣过程钢渣界面变化可详细分为非常 平稳—出现微小凸起—凸起开始长大—凸起明显变 大—凸起开始形成渣滴—椭球状渣滴将要与渣层脱 离—出现完整的渣滴—渣滴进入钢液八个阶段． 在这 个过程中，渣滴脱离位置处的速度变化为先增大后减 小再增大． ( 3) 随着黏度的增加，临界卷渣速度不断增大，且 运动黏度与临界卷渣速之间近似为直线关系． 对实验 条件下黏度和临界卷渣速度的关系进行线性拟合为 Vcr = 73. 9η + 0. 0096． ( 4) 粒子图像测速实验测得的临界卷渣速度要比 奥特斯、浅井滋生等推导的理论公式值小，因为传统临 界卷渣速度的理论推导模型忽略了卷渣过程中能量提 供的持续性和黏度对卷渣的抑制作用． 综合理论公式 特征和实验结果，得到实验条件下的临界卷渣速度修 正公式为 Vcr = ( 1119. 7η + 0. 15 ( ) Δρgσ ρ 2 ) sl 1 4 ． 参 考 文 献 ［1］ Li Y H，Zhao L H，Bao Y P，et al． Flow characteristic of molten steel in slab casting tundishes． J Univ Sci Technol Beijing，2014，36 ( 1) : 21 ( 李怡宏，赵立华，包燕平，等． 板坯中间包内钢液流动特性． 北 京科技大学学报，2014，36( 1) : 21) ［2］ Feng J H，Li B B，Wei G Z，et al． Effect of different bottom blowing argon methods on LF refining． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31 ( Suppl 1) : 7 ( 冯聚合，李博斌，魏国增，等． 钢包底吹氩方式对 LF 精炼的影 响． 北京科技大学学报，2009，31( 增刊 1) : 7) · 246 ·
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