《工程科学学报》：长水口吹氩生成微小气泡工业实验研究

《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.09.15.009©北京科技大学2020 长水口吹氩生成微小气泡工业实验研究 刘建华”，李巍”，何杨☒，苏晓峰”，张杰，常芙蓉) 北京科技大学高效轧制与智能制造国家工程研究中心，北京100083 2) 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:heyang2020@ustb.edu.cn 鮰蛔鮰蛔本研究在连铸生产中采用大流量长水口吹氩，并采用“冷钢片沾钢法”沾取中间包钢液试样， 成功沾取了中间包钢液中微小氩气泡。冷钢片沾样表面气泡为中间包上部钢/渣界面和炉渣中氩气泡，尺 寸主要位于1.0-3.0mm,但该尺寸不能反映中间包钢液内部长水口吹氩生成气泡，冷钢片沿样内部气泡为 钢液内部长水口吹氩生成的气泡。结合扫描电镜和共聚焦显微镜对沾取试样内部气泡彩织？寸和数量进 行了分析，结果表明大部分气泡为独立圆形气泡，偶见少量粘连和聚合气泡：钢液内部金气泡尺寸主要位 于100-1000m,平均尺寸为500m左右：气泡在长水口出口及其下方较为弥散，气泡密度可达15.2 个m。采用扫描电镜结合能谱分析，发现部分气泡内粘附有夹杂物，有些气泡粘附多个夹杂物：气泡粘 附AlO,夹杂物的几率高于粘附CaO(-MgO)AlOg-SiO2复合夹杂物的几帝 鮰蛔鮰气泡：夹杂物：中间包：长水口：吹氩 鮰蛔蛔TF769.4 Industrial experimental study onthmation of mcro bubbles by argon injetion ino lalle hro LIUJian-hua,lWer.HE Yang)☒， SU Xiao-feng ZHANG Jie)CHANG Fu-rong) 1)National Engineering Research Center for Advanced Rolling and Intelligent Manufacturing,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3) Corresponding author,F heyang2020@ustb.edu.cn ABSTRACT Using bubbles to remove inclusions in steel is now becoming one of the important means of refining.It has become a consensus that fine bubbles have better effect on inclusion removal than the big bubbles. The fine bubble ean be formed in molten steel by the argon injection into ladle shroud technology.There are two stages during the formation process of fine bubbles in ladle shroud:bubble detachment in wall orifice and detached bubbles being split into smaller ones in turbulent steel.There exist many reports on water model of the argon injection into ladle shroud technology,but the industrial experimental research is just beginning.In this study,the injection of large argon flow into ladle shroud was adopted in continuous casting production in order to produce fine argon bubbles in tundish,and the bubbles were captured by dipping a cold steel sheet into molten steel.The captured bubbles at the surface of hot-dipped steel sheet,with a size of 1.0-3.0 mm,characterized the argon bubbles at steel/slag interface and slag phase in the upper part of tundish instead of those inside molten steel in tundish.The latter could be characterized by the captured bubbles in the interior of hot-dipped steel sheet,and their morphology,size,and number were analyzed by scanning electron microscopy and confocal microscopy.The bubbles inside molten steel in tundish generally had a spherical shape and occasionally adhered to each other.The 收稿日期： 项目基金：国家自然科学基金(51874028)

长水口吹氩生成微小气泡工业实验研究 刘建华 1) , 李 巍 1) , 何 杨 1), 苏晓峰 1) , 张 杰 2) , 常芙蓉 1) 1) 北京科技大学高效轧制与智能制造国家工程研究中心, 北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083  通信作者, E-mail: heyang2020@ustb.edu.cn 摘 摘 本研究在连铸生产中采用大流量长水口吹氩，并采用“冷钢片沾钢法”沾取中间包钢液试样， 成功沾取了中间包钢液中微小氩气泡。冷钢片沾样表面气泡为中间包上部钢/渣界面和炉渣中氩气泡，尺 寸主要位于 1.0-3.0 mm，但该尺寸不能反映中间包钢液内部长水口吹氩生成气泡，冷钢片沾样内部气泡为 钢液内部长水口吹氩生成的气泡。结合扫描电镜和共聚焦显微镜对沾取试样内部气泡形貌、尺寸和数量进 行了分析，结果表明大部分气泡为独立圆形气泡，偶见少量粘连和聚合气泡；钢液内部氩气泡尺寸主要位 于 100-1000 μm，平均尺寸为 500 μm 左右；气泡在长水口出口及其下方较为弥散，气泡密度可达 15.2 个/cm2。采用扫描电镜结合能谱分析，发现部分气泡内粘附有夹杂物，有些气泡粘附多个夹杂物；气泡粘 附 Al2O3夹杂物的几率高于粘附 CaO(-MgO)-Al2O3-SiO2复合夹杂物的几率。 摘摘摘 气泡；夹杂物；中间包；长水口；吹氩 摘摘摘 TF769.4 Industrial experimental study on the formation of micro bubbles by argon injection into ladle shroud LIU Jian-hua1), LI Wei1), HE Yang1) , SU Xiao-feng1), ZHANG Jie2), CHANG Fu-rong1) 1） National Engineering Research Center for Advanced Rolling and Intelligent Manufacturing, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2） School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3）  Corresponding author, E-mail: heyang2020@ustb.edu.cn ABSTRACT Using bubbles to remove inclusions in steel is now becoming one of the important means of refining. It has become a consensus that fine bubbles have better effect on inclusion removal than the big bubbles. The fine bubbles can be formed in molten steel by the argon injection into ladle shroud technology. There are two stages during the formation process of fine bubbles in ladle shroud: bubble detachment in wall orifice and detached bubbles being split into smaller ones in turbulent steel. There exist many reports on water model of the argon injection into ladle shroud technology, but the industrial experimental research is just beginning. In this study, the injection of large argon flow into ladle shroud was adopted in continuous casting production in order to produce fine argon bubbles in tundish, and the bubbles were captured by dipping a cold steel sheet into molten steel. The captured bubbles at the surface of hot-dipped steel sheet, with a size of 1.0-3.0 mm, characterized the argon bubbles at steel/slag interface and slag phase in the upper part of tundish instead of those inside molten steel in tundish. The latter could be characterized by the captured bubbles in the interior of hot-dipped steel sheet, and their morphology, size, and number were analyzed by scanning electron microscopy and confocal microscopy. The bubbles inside molten steel in tundish generally had a spherical shape and occasionally adhered to each other. The 收稿日期： 项目基金：国家自然科学基金(51874028) 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.009 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿

size of bubbles was in the range of 100-1000 um,with an average of about 500 um.The bubbles were more dispersive at the exit of ladle shroud and its lower position,with a density of 15.2 per square centimeter.Moreover, it was observed that,for part of bubbles,a bubble could adhere to an inclusion,even multiple inclusions.The adhesion of bubbles to Al2O3 inclusions was higher than that to CaO(-MgO)-Al2O3-SiO2 complex inclusions. KEY WORDS bubble;inclusion;tundish;ladle shroud;argon injection 非最终出版稿 录用稿件 收稿日期 项目基金：国家自然科学基金(51874028

size of bubbles was in the range of 100-1000 μm, with an average of about 500 μm. The bubbles were more dispersive at the exit of ladle shroud and its lower position, with a density of 15.2 per square centimeter. Moreover, it was observed that, for part of bubbles, a bubble could adhere to an inclusion, even multiple inclusions.The adhesion of bubbles to Al2O3 inclusions was higher than that to CaO(-MgO)-Al2O3-SiO2 complex inclusions. KEY WORDS bubble ; inclusion ; tundish ; ladle shroud ; argon injection 收稿日期： 项目基金：国家自然科学基金(51874028) 录用稿件，非最终出版稿

气泡去除钢中夹杂物具有明显优势，。气泡密度低，尺寸一般较夹杂物大，在钢液中 上浮速度快；夹杂物为非金属物质，大多与钢液不润湿，夹杂物与气泡碰撞后可以粘附于 气泡而快速上浮去除。 Sutherland研究表明钢液中气泡与夹杂物碰撞粘附的总概率P可按式(I)计算)。 P=P×Px1-Pa) (1) 式中：P为夹杂物与气泡发生碰撞的概率：P。为夹杂物与气泡发生碰撞后粘附的概率：P 为发生粘附后又脱附的概率。进一步的深入研究均表明微小气泡与钢中夹杂物相互碰撞、 粘附的概率大，具有显著的促进钢中夹杂物上浮去除效果。Zhang等对钢中夹杂物与气泡 碰撞的碰撞概率和粘附概率进行深入研究，结果表明钢中小于5m的气泡具有较高夹杂 物粘附几率。Rogler等研究表明钢中小于3mm的细小气泡可显著促进间包钢液中夹杂 物去除薛正良等研究表明气泡捕获夹杂物概率与气泡直径的平方成反化绪多研究表明 细小气泡与钢中夹杂物碰撞和粘附几率较高，远大于大尺寸气泡， 细小气泡可高效促进钢 中夹杂上浮去除。 y 但已有的钢包底吹氩、中间包气幕挡墙等常规钢铁生产吹氩技术生成的气泡尺寸粗大， 直径大于10mm,,去除夹杂物效果有限，不能满足超高洁？优特钢夹杂物控制需求。因 此迫切需要研发钢中生成弥散细小氩气泡高效去除钢中来杂物技米.。 研究表明连铸生产中向连接钢包和中间包的长水吹氩可在钢液中形成弥散细小气泡， 有望成为高效去除夹杂物新技术。该技术利用冰中中侠速向下流动钢流的强大剪切 力和湍动能将吹入气体剪切并破碎为弥散微小泡，人Guthrie等进行了长水口吹氩生成弥散 细小气泡水模型实验，采用0.3mm内径吹氩管Q04Lmin吹氩速率向长水口中水流吹 氩，当水流速度分别为0.5ms、1.0m和15ms时，生成的气泡尺寸分别为0.3mm- 2.0mm、0.5mm-3.0mm和0.5mm-4.0mm生成的这些细小气泡显著提高了中间包中5-50 μm夹杂物的上浮去除率。阳祥富等也应用水模型模拟研究了长水口吹氩生成细小气泡行 为，分别采用内径为0.11mm、0.25mm和0.58mm吹气孔以0.016Lmin'向长水口中水流 吹气，水流速度为2.5ms-375ms时，生成的气泡尺寸分别为0.1mm-l.0mm、0.1mm- 1.5mm和0.1mm-l.5mm?.水模型模拟实验研究均表明连铸生产条件下，长水口吹氩可 在钢液中生成细小氩气泡。 Bi等深入解析了莲铸处口水平管吹氩在快速向下流动钢液生成气泡时气泡受力状况。 研究表明水口中水平头入金气受到快速下流钢液施加的拽力F。、自身浮力F。、表面张力F 和吹入氩气的惯性力。，其中浮力和表面张力是气泡生成阻力，拽力是气泡脱附驱动力， 惯性力很小可以忽酪：当拽力大于浮力和表面张力在垂直方向的分量之和时，气泡成功脱 附形成独立泡。根据气泡的受力平衡分析可建立气泡脱附模型，计算气泡尺寸：水口中 钢液通钢量为20tmin.4.0tmin时，模型计算得钢液中气泡尺寸为1.5mm-3.5mm。但 该模型将水口中钢液流动理想化为层流，没有考虑湍急钢液的湍动能对气泡脱附的影响， 计算可能存在偏差。 Chang等进一步分析了长水口中湍急钢液的强大湍动能对气泡形成的影响。认为长水 口中细小气泡形成经历两个阶段，首先是快速向下流动钢流将吹入气体剪切为尺寸较小的 初始气泡，然后湍急钢液再将初始气泡部分破碎为尺寸更为细小的气泡。钢液湍动能对 气泡的破碎效果可采用化工领域成熟模型式(2)进行计算： 35 1.2σ (2)

气泡去除钢中夹杂物具有明显优势[1,2]。气泡密度低，尺寸一般较夹杂物大，在钢液中 上浮速度快；夹杂物为非金属物质，大多与钢液不润湿，夹杂物与气泡碰撞后可以粘附于 气泡而快速上浮去除。 Sutherland 研究表明钢液中气泡与夹杂物碰撞粘附的总概率 P 可按式（1）计算[3]。  1  P P P P     c a d （1） 式中：Pc为夹杂物与气泡发生碰撞的概率；Pa为夹杂物与气泡发生碰撞后粘附的概率；Pd 为发生粘附后又脱附的概率。进一步的深入研究均表明微小气泡与钢中夹杂物相互碰撞、 粘附的概率大，具有显著的促进钢中夹杂物上浮去除效果。Zhang 等对钢中夹杂物与气泡 碰撞的碰撞概率和粘附概率进行深入研究，结果表明钢中小于 5 mm 的气泡具有较高夹杂 物粘附几率[4]。Rogler 等研究表明钢中小于 3 mm 的细小气泡可显著促进中间包钢液中夹杂 物去除[5]薛正良等研究表明气泡捕获夹杂物概率与气泡直径的平方成反比[6]。诸多研究表明 细小气泡与钢中夹杂物碰撞和粘附几率较高，远大于大尺寸气泡，细小气泡可高效促进钢 中夹杂上浮去除。 但已有的钢包底吹氩、中间包气幕挡墙等常规钢铁生产吹氩技术生成的气泡尺寸粗大， 直径大于 10 mm[4,6]，去除夹杂物效果有限，不能满足超高洁净优特钢夹杂物控制需求。因 此迫切需要研发钢中生成弥散细小氩气泡高效去除钢中夹杂物技术[7-12]。 研究表明连铸生产中向连接钢包和中间包的长水口吹氩可在钢液中形成弥散细小气泡， 有望成为高效去除夹杂物新技术[13-15]。该技术利用长水口中快速向下流动钢流的强大剪切 力和湍动能将吹入气体剪切并破碎为弥散微小气泡。Guthrie 等进行了长水口吹氩生成弥散 细小气泡水模型实验，采用 0.3 mm 内径吹氩管以 0.04 L·min-1吹氩速率向长水口中水流吹 氩，当水流速度分别为 0.5 m·s-1、1.0 m·s-1和 1.5 m·s-1时，生成的气泡尺寸分别为 0.3 mm- 2.0 mm、0.5 mm-3.0 mm 和 0.5 mm-4.0 mm；生成的这些细小气泡显著提高了中间包中 5-50 m 夹杂物的上浮去除率[16]。阳祥富等也应用水模型模拟研究了长水口吹氩生成细小气泡行 为，分别采用内径为 0.11 mm、0.25 mm 和 0.58 mm 吹气孔以 0.016 L·min-1向长水口中水流 吹气，水流速度为 2.5 m·s-1-3.75 m·s-1时，生成的气泡尺寸分别为 0.1 mm-1.0 mm、0.1 mm- 1.5 mm 和 0.1 mm-1.5 mm[17]。水模型模拟实验研究均表明连铸生产条件下，长水口吹氩可 在钢液中生成细小氩气泡。 Bai 等深入解析了连铸水口水平管吹氩在快速向下流动钢液生成气泡时气泡受力状况。 研究表明水口中水平吹入氩气受到快速下流钢液施加的拽力 FD、自身浮力 FB、表面张力 FS 和吹入氩气的惯性力 FQ，其中浮力和表面张力是气泡生成阻力，拽力是气泡脱附驱动力， 惯性力很小可以忽略；当拽力大于浮力和表面张力在垂直方向的分量之和时，气泡成功脱 附形成独立气泡。根据气泡的受力平衡分析可建立气泡脱附模型，计算气泡尺寸；水口中 钢液通钢量为 2.0 t·min-1-4.0 t·min-1时，模型计算得钢液中气泡尺寸为 1.5 mm-3.5 mm[18]。但 该模型将水口中钢液流动理想化为层流，没有考虑湍急钢液的湍动能对气泡脱附的影响， 计算可能存在偏差。 Chang 等进一步分析了长水口中湍急钢液的强大湍动能对气泡形成的影响。认为长水 口中细小气泡形成经历两个阶段，首先是快速向下流动钢流将吹入气体剪切为尺寸较小的 初始气泡，然后湍急钢液再将初始气泡部分破碎为尺寸更为细小的气泡[19]。钢液湍动能对 气泡的破碎效果可采用化工领域成熟模型式（2）进行计算： 3/5 2/3 1.2 b w d C           (2) 录用稿件，非最终出版稿

式中d为气泡最大尺寸，m:o为表面张力，Nm:pw为钢液密度，kgm3:e为湍动能耗 散率，m2s3:C为常数，设定为2。 工业生产中中间包覆盖剂厚度较薄，长水口直径较小，向长水口中钢液吹入较大体积 氩气时，将在长水口周围生成大量细小氩气泡密集上浮，容易在中间包形成钢液裸露，造 成钢液二次氧化，2：吹入少量氩气则不能形成数量充足的气泡，夹杂物去除效果不明显。 因此该技术一直还未能实现工业化应用。另外，由于钢中气泡尺寸难以测量，也未见长水 口吹氩生成细小气泡的工业实验报道。本研究在澳森钢厂连铸生产中尝试进行了长水口吹 氩生成微小气泡实验，并采用“冷钢片沾钢法”进行了钢液中微小氩气泡取样研究。 1.实验方法 1.1细细蛔蛔蛔细蛔 现代钢铁连铸生产中，钢包中钢液经过钢包下方连接钢包与中间包的长水流入中间 包进行连铸，长水口隔绝了钢液与空气的接触，发挥了良好的保护浇注作霜《图 1(a))。钢液快速通过长水口时，在长水口与钢包底部滑动水口连接的接缝处产生较大 负压，容易抽吸空气进入长水口内，造成钢水二次氧化；因此现代连铸生产中一般在长水 口与滑动水口连接处设置吹氩装置（图1(b)),吹入氩气抑制空气的吸入。本实验开 展所在钢厂实际生产过程中为了防止吹氩量过大及节省成本唤氩量控制在1.0m3h。 blowing port Slide gate Ladle shroud Steel casing Argon bubble Argon bubble Tundish ()连铸长水石保护浇注细细蛔蛔(b)吹氩保护装置示意图 细细幅幅连铸长水口保护浇注与吹金保护装置示意图.()连铸长水口保护浇注示意图：(b)吹氩保护装置示 意图 Fig.1 Schematic diagram of:(a)protective casting by ladle shroud and (b)argon injection device 为了在中何色钢液内产生较大量弥散微小气泡，本研究在现有长水口吹氩保护浇注基 础上，不改变吹氩装置机构，但通过显著提高吹氩量，研究大流量直接吹氩方法在中间包 生成微小气泡的可行性及气泡行为特征。 依据长水)]吹氩保护装置结构，吹入氩气首先通过吹氩孔吹送到长水口耐材与其外部 包裹铁皮间，其中大部分氩气通过耐材与铁皮间的空隙向上传送到长水口耐材上端，该氩 气流股为图2中氩气流股1：小部分氩气通过耐材与铁皮间的空隙向下运动，最后逃逸到 大气中，这部分氩气流股为图2中氩气流股2。氩气流股1到达长水口上端“铁皮-长水口 耐材上端-滑动水口”交界处后，又分成向上的流股3和向下的流股4，其中大部分氩气按 流股3的方向向上运动，在长水口上端与滑动水口交界附近形成氩气氛，抑制此处空气被 抽吸进入长水口，防止长水口中钢水发生二次氧化：氩气流股4向下运动，并在湍急的钢 流产生的负压作用下进入长水口，与钢液接触并被破碎成氩气泡，即氩流股1中只少量氩 气在长水口中负压的作用下被抽吸进入长水口，并将被长水口中湍急钢流破碎为弥散氩气 泡。为了在中间包中产生较多的弥散微小氩气泡，促进中间包钢液中夹杂物上浮去除，本

式中 db为气泡最大尺寸，m；为表面张力，N·m-1；w为钢液密度，kg·m-3；为湍动能耗 散率，m 2 ·s-3；C 为常数，设定为 2。 工业生产中中间包覆盖剂厚度较薄，长水口直径较小，向长水口中钢液吹入较大体积 氩气时，将在长水口周围生成大量细小氩气泡密集上浮，容易在中间包形成钢液裸露，造 成钢液二次氧化[20,21]；吹入少量氩气则不能形成数量充足的气泡，夹杂物去除效果不明显。 因此该技术一直还未能实现工业化应用。另外，由于钢中气泡尺寸难以测量，也未见长水 口吹氩生成细小气泡的工业实验报道。本研究在澳森钢厂连铸生产中尝试进行了长水口吹 氩生成微小气泡实验，并采用“冷钢片沾钢法”进行了钢液中微小氩气泡取样研究。 1. 实验方法 1.1 摘摘摘摘摘摘摘 现代钢铁连铸生产中，钢包中钢液经过钢包下方连接钢包与中间包的长水口流入中间 包进行连铸，长水口隔绝了钢液与空气的接触，发挥了良好的保护浇注作用（图 1（a））。钢液快速通过长水口时，在长水口与钢包底部滑动水口连接的接缝处产生较大 负压，容易抽吸空气进入长水口内，造成钢水二次氧化；因此现代连铸生产中一般在长水 口与滑动水口连接处设置吹氩装置（图 1（b）），吹入氩气，抑制空气的吸入。本实验开 展所在钢厂实际生产过程中为了防止吹氩量过大及节省成本，吹氩量控制在 1.0 m3 ·h-1。 (a) 连铸长水口保护浇注 (b) 吹氩保护装置示意图 摘 1 连铸长水口保护浇注与吹氩保护装置示意图. (a) 连铸长水口保护浇注示意图; (b) 吹氩保护装置示 意图 Fig.1 Schematic diagram of: (a) protective casting by ladle shroud and (b) argon injection device 为了在中间包钢液内产生较大量弥散微小气泡，本研究在现有长水口吹氩保护浇注基 础上，不改变吹氩装置机构，但通过显著提高吹氩量，研究大流量直接吹氩方法在中间包 生成微小气泡的可行性及气泡行为特征。 依据长水口吹氩保护装置结构，吹入氩气首先通过吹氩孔吹送到长水口耐材与其外部 包裹铁皮间，其中大部分氩气通过耐材与铁皮间的空隙向上传送到长水口耐材上端，该氩 气流股为图 2 中氩气流股 1；小部分氩气通过耐材与铁皮间的空隙向下运动，最后逃逸到 大气中，这部分氩气流股为图 2 中氩气流股 2。氩气流股 1 到达长水口上端“铁皮-长水口 耐材上端-滑动水口”交界处后，又分成向上的流股 3 和向下的流股 4，其中大部分氩气按 流股 3 的方向向上运动，在长水口上端与滑动水口交界附近形成氩气氛，抑制此处空气被 抽吸进入长水口，防止长水口中钢水发生二次氧化；氩气流股 4 向下运动，并在湍急的钢 流产生的负压作用下进入长水口，与钢液接触并被破碎成氩气泡，即氩流股 1 中只少量氩 气在长水口中负压的作用下被抽吸进入长水口，并将被长水口中湍急钢流破碎为弥散氩气 泡。为了在中间包中产生较多的弥散微小氩气泡，促进中间包钢液中夹杂物上浮去除，本 录用稿件，非最终出版稿

研究提高了长水口氩气吹入量，由常规的1.0m3h提高到3.0-5.0m3h。 Argon-blowing port Steel casing Gas flow Argon bubble teel casing Refractory 细细幅长水口吹氩氩气流股流动示意图 Fig.2 Schematic diagram of argon streams flow in ladle shroud 1.2细细蛔蛔如细细蛔 本实验设计了“冷钢片沾取”捕捉现实生产中间包钢液中气泡的方法，具体方法是采 用5mm左右厚度冷钢片，插入长水口出口下方钢液中，停留5s-10s灰春利用冷钢片的 冷却作用，使冷钢片周围钢液快速凝固冻结在冷钢片表面，在冷钢片表面彩成钢壳：这些 被冻结的钢液中原有气泡和夹杂物等也被原位快速冻结在钢壳中速上提冷钢片，对提 取的气泡和夹杂物等进行检测分析（见图3）。 Grip Ladle shr Bubble Steel sheet- nclusion Locating rod Molten steel Tundish 细细细蛔冷钢片沾钢法示意图 Fig.3 Schematic diagram of cold steel sheet dipping sampling method 实验中为了分析气泡在由涧包内深度方向和水平方向的分布，采用横、竖两种方向钢 片沾取试样。横向钢片尺寸小为300mm（宽)×200mm(高)×5mm(厚)，用于沾取分析 长水口出口附近水平方向气袍分布特征：竖直钢片尺寸为200mm(宽)×300mm(高)×5 mm(厚)，用于沾或分标®水口出口附近垂直方向气泡分布特征。 同时，在钢片上部得接一根长把手，以便冷钢片插入和提升操作：在冷钢片下部焊接 两根长10cm的定位和，以固定冷钢片距中间包注流区底部的距离，确保冷钢片在垂直方 向位于长水口出首下方氩气泡群位置。 实验时在沾取钢液前将冷钢片进行打磨去除表面油污及氧化皮，并放置于中间包盖 上烘烤10mn排除冷钢片表面水汽。每炉钢包开浇l5min时，将钢片插入到中间包注流 区，进行冷钢片沾钢实验。 1.3细蛔䲟蛔蛔蛔 本实验采用ER70S-6焊丝钢为实验用钢，ER70S-6焊丝钢的生产工艺流程为铁水脱硫 预处理→120吨顶底复吹转炉治炼→转炉出钢脱氧合金化→LF精炼→4流165mm×165mm 小方坯连铸一→高速线材轧机轧制。实验中中间包钢液温度控制为1532℃-1537℃、连铸拉 速为2.6mmin。 在某一连铸浇次的第二炉开始连续进行2炉次实验，2炉次的氩气流量分别为3.0m3h 1和5.0m3h,远大于日常生产中长水口吹氩流量1.0m3h。采用该吹氩量吹氩，在中间包

研究提高了长水口氩气吹入量，由常规的 1.0 m3 ·h-1提高到 3.0-5.0 m3 ·h-1。 摘 2 长水口吹氩氩气流股流动示意图 Fig.2 Schematic diagram of argon streams flow in ladle shroud 1.2 摘摘摘摘摘摘摘摘 本实验设计了“冷钢片沾取”捕捉现实生产中间包钢液中气泡的方法。具体方法是采 用 5 mm 左右厚度冷钢片，插入长水口出口下方钢液中，停留 5 s-10 s 左右；利用冷钢片的 冷却作用，使冷钢片周围钢液快速凝固冻结在冷钢片表面，在冷钢片表面形成钢壳；这些 被冻结的钢液中原有气泡和夹杂物等也被原位快速冻结在钢壳中；快速上提冷钢片，对提 取的气泡和夹杂物等进行检测分析（见图 3）。 摘 3 冷钢片沾钢法示意图 Fig.3 Schematic diagram of cold steel sheet dipping sampling method 实验中为了分析气泡在中间包内深度方向和水平方向的分布，采用横、竖两种方向钢 片沾取试样。横向钢片尺寸为 300 mm（宽）×200 mm（高）×5 mm（厚），用于沾取分析 长水口出口附近水平方向气泡分布特征；竖直钢片尺寸为 200 mm（宽）×300 mm（高）×5 mm（厚），用于沾取分析长水口出口附近垂直方向气泡分布特征。 同时，在钢片上部焊接一根长把手，以便冷钢片插入和提升操作；在冷钢片下部焊接 两根长 10 cm 的定位杆，以固定冷钢片距中间包注流区底部的距离，确保冷钢片在垂直方 向位于长水口出口下方氩气泡群位置。 实验时，在沾取钢液前将冷钢片进行打磨去除表面油污及氧化皮，并放置于中间包盖 上烘烤 10 min，排除冷钢片表面水汽。每炉钢包开浇 15 min 时，将钢片插入到中间包注流 区，进行冷钢片沾钢实验。 1.3 摘摘摘摘摘摘 本实验采用 ER70S-6 焊丝钢为实验用钢，ER70S-6 焊丝钢的生产工艺流程为铁水脱硫 预处理→120 吨顶底复吹转炉冶炼→转炉出钢脱氧合金化→LF 精炼→4 流 165 mm×165 mm 小方坯连铸→高速线材轧机轧制。实验中中间包钢液温度控制为 1532 -1537 ℃ ℃、连铸拉 速为 2.6 m·min-1。 在某一连铸浇次的第二炉开始连续进行 2 炉次实验，2 炉次的氩气流量分别为 3.0 m3 ·h- 1和 5.0 m3 ·h-1，远大于日常生产中长水口吹氩流量 1.0 m3 ·h-1。采用该吹氩量吹氩，在中间包 录用稿件，非最终出版稿

注流区未见钢液裸露引起的“蛇眼”现象。 将沾钢片外层沾取到的钢壳取下，在较厚钢壳处切取薄片样，采用砂纸打磨、抛光， 采用LEXT OLS4100激光共聚焦显微镜观察分析试样内部气泡分布、尺寸及形貌。应用 ZEISS ULTRA55热场发射扫描电子显微镜进一步观察分析钢液内部气泡及气泡与夹杂物的 粘附，通过能谱检测夹杂物成分。 2.结果与讨论 2.1细蛔蛔蛔蛔蛔蛔蛔蛔蛔蛔 冷钢片沾取钢样刚提出中间包液面时，表面覆盖一层中间包覆盖剂熔渣层，并在沾样 表面存在大量细小气泡。图3中照片分别是实验第1和2炉次竖直钢片和第2炉次横向钢 录用稿件，非最终出版稿 片（分别编号为1-竖片、2-竖片和2-横片）沾取钢样热态照片。 (a)1-竖片表面气泡形貌照片

注流区未见钢液裸露引起的“蛇眼”现象。 将沾钢片外层沾取到的钢壳取下，在较厚钢壳处切取薄片样，采用砂纸打磨、抛光， 采用 LEXT OLS4100 激光共聚焦显微镜观察分析试样内部气泡分布、尺寸及形貌。应用 ZEISS ULTRA 55 热场发射扫描电子显微镜进一步观察分析钢液内部气泡及气泡与夹杂物的 粘附，通过能谱检测夹杂物成分。 2. 结果与讨论 2.1 摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘 冷钢片沾取钢样刚提出中间包液面时，表面覆盖一层中间包覆盖剂熔渣层，并在沾样 表面存在大量细小气泡。图 3 中照片分别是实验第 1 和 2 炉次竖直钢片和第 2 炉次横向钢 片（分别编号为 1-竖片、2-竖片和 2-横片）沾取钢样热态照片。 (a) 1-竖片表面气泡形貌照片 Bubbles 10mm 录用稿件，非最终出版稿

Bubbles collapse cavity (b)2-竖片表面气泡形貌照片 版稿 Slag layer falls of 最公 c)2横片表面气泡形貌照片（渣皮爆落） 细细 冷钢片沾样表面涎形貌(，1-竖片表面气泡形貌照片；b)2-竖片表面气泡形貌照片（爆裂气泡 坑)©)2-横片表面气泡形貌照片（渣皮爆落） Fig.4 Shape of bubbles on the surface of cold steel sheet:(a)I-vertical steel sheet (b)2-vertical steel sheet (Bubble collapse cavity):(c)2-horizontal steel sheet(slag layer falls off) 图4（是实验第1炉次中间包冷钢片沾取钢样照片，照片显示该冷钢片已经不是完整 的长方形站下角已被熔损，表明该试样沾取时冷钢片插入钢液中时间稍长：在试样中 部有较密集的细小气泡，气泡尺寸介于1.0mm-3.0mm:偶见个别聚合气泡，尺寸大于5.0 mm。图4b是实验第2炉次竖直冷钢片沾取钢样照片，照片中气泡尺寸主要位于1.0mm- 3.0mm,部分气泡己经爆裂，留下小坑。图4(c)是第2炉横向冷钢片沾取钢样照片，表面 气泡数量较少，直径也为1.0mm-3.0mm。 上述三块沾取钢样表面气泡数量及尺寸统计结果如表1和图5所示。 细1细妇细如如如如细蜘如细如细细蜘细细细 Table 1 The number and average size of bubbles on the surface of cold steel sheet Number of steel sheet <1.0mm 1.0-3.0mm 3.0-5.0mm 5.0-10.0mm Tot Average size/mm 1-vertical steel sheet 0 37 19 60 3.12

(b) 2-竖片表面气泡形貌照片（爆裂气泡坑） (c) 2-横片表面气泡形貌照片（渣皮爆落） 摘 4 冷钢片沾样表面气泡形貌. (a) 1-竖片表面气泡形貌照片; (b) 2-竖片表面气泡形貌照片（爆裂气泡 坑）; (c) 2-横片表面气泡形貌照片（渣皮爆落） Fig.4 Shape of bubbles on the surface of cold steel sheet: (a) 1-vertical steel sheet; (b) 2-vertical steel sheet (Bubble collapse cavity); (c) 2-horizontal steel sheet (slag layer falls off) 图 4(a)是实验第 1 炉次中间包冷钢片沾取钢样照片，照片显示该冷钢片已经不是完整 的长方形，其右下角已被熔损，表明该试样沾取时冷钢片插入钢液中时间稍长；在试样中 部有较密集的细小气泡，气泡尺寸介于 1.0 mm-3.0 mm；偶见个别聚合气泡，尺寸大于 5.0 mm。图 4(b)是实验第 2 炉次竖直冷钢片沾取钢样照片，照片中气泡尺寸主要位于 1.0 mm- 3.0 mm，部分气泡已经爆裂，留下小坑。图 4(c)是第 2 炉横向冷钢片沾取钢样照片，表面 气泡数量较少，直径也为 1.0 mm-3.0 mm。 上述三块沾取钢样表面气泡数量及尺寸统计结果如表 1 和图 5 所示。 摘 1 摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘 Table 1 The number and average size of bubbles on the surface of cold steel sheet Number of steel sheet <1.0mm 1.0~3.0mm 3.0~5.0mm 5.0~10.0mm Tot. Average size/mm 1-vertical steel sheet 0 37 19 4 60 3.12 10mm Bubbles collapse cavity Bubbles 10mm Bubbles Slag layer falls off 录用稿件，非最终出版稿

2-vertical steel sheet 10 13 71 3.02 2-horizontal steel sheet 28 0 33 2.13 -5mm 1-3mm 2-verical stcel she 朝解细解冷钢片沾取试样表面气泡尺寸分布 版稿 Fig.5 Bubble size distribution on the surface of cold steel shee 由测量和统计结果可知，三块钢样在完全冷却前表面可观测的气泡大多为尺寸在1.0 mm-3.0mm的小气泡。3.0mm-5.0mm和5.0mm-10.0m的气泡所占比例均较小：三块钢 片表面所观测到的气泡平均尺寸均在3.0mm左右。 冷钢片沾样在空气中冷却时，表面覆盖的渣层很快爆裂脱落，冷钢片沾样冷却后表面 气泡也随之消失，难以在冷态沾样表面观察气爱 4(C中已现渣层剥落。 2.2蛔细蛔蛔蛔细鲡蛔蛔蛔细 1)激光共聚焦显微镜分析结果 图6中照片分别为实验第1和第2炉次实验沾取钢样内部气泡的共聚焦显微镜照片。 由图可见，气泡在钢样中分布较为弥散 录用稿件 (a)第1炉次

2-vertical steel sheet 0 48 10 13 71 3.02 2-horizontal steel sheet 0 28 5 0 33 2.13 37 48 28 19 10 5 4 13 1-vertical steel sheet 2-vertical steel sheet 2-horizontal steel sheet 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Number of bubbles 5~10mm 3~5mm 1~3mm <1mm 摘 5 冷钢片沾取试样表面气泡尺寸分布图 Fig.5 Bubble size distribution on the surface of cold steel sheet 由测量和统计结果可知，三块钢样在完全冷却前表面可观测的气泡大多为尺寸在 1.0 mm-3.0 mm 的小气泡。3.0 mm-5.0 mm 和 5.0 mm-10.0 mm 的气泡所占比例均较小；三块钢 片表面所观测到的气泡平均尺寸均在 3.0 mm 左右。 冷钢片沾样在空气中冷却时，表面覆盖的渣层很快爆裂脱落，冷钢片沾样冷却后表面 气泡也随之消失，难以在冷态沾样表面观察气泡。图 4(c)中已现渣层剥落。 2.2 摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘摘 1）激光共聚焦显微镜分析结果 图 6 中照片分别为实验第 1 和第 2 炉次实验沾取钢样内部气泡的共聚焦显微镜照片。 由图可见，气泡在钢样中分布较为弥散。 （a） 第 1 炉次 录用稿件，非最终出版稿

(b)第2炉次 细细细细冷钢片沾样内部气泡形貌.(a)第1炉次；(b)第2炉冷 Fig.6 Shape of bubbles in cold steel sheet:(a)the first test and(b)the second test 图6中试样面积均为7.23cm,第1炉次试样中气泡数量为97个 数量密度为13.4个 cm2,气泡平均尺寸为365.74um:第2炉次试样中气泡数量为110个，数量密度为15.2个 cm2,气泡平均尺寸为408.63m。该图还表明试样内部气泡基本多圆形，气泡直径主要介 于0.1mm至1.0mm间，占总数80%的气泡直径介于Q人mm至6mm(图7)。 The first furnace The second furnace 400 50600 700 800 900 100011001200 Bubble size/μm 冷钢片沾取试样内部气泡尺寸分布 Fig.7 Bubble size distribution in cold steel sheet 2)扫描电镜观察结果 为进步深人分析沾取钢样内部气泡尺寸，采用扫描电镜对沾取钢样内部气泡进行 了观察。图8和图9是部分气泡扫描电镜照片，由图可见，试样内部气泡基本呈球形，尺 寸大都处于100m-1000m,偶见直径小于100m和大于1000um气泡：大部分气泡为 单个独立气泡。 56.49μm 137.80m 170.57m 200.16m (a)D=56.49m(b)D2=137.80um(c)D=170.57um (d)D=200.16um

（b） 第 2 炉次 摘 6 冷钢片沾样内部气泡形貌. (a) 第 1 炉次; (b) 第 2 炉次 Fig.6 Shape of bubbles in cold steel sheet: (a) the first test and (b) the second test 图 6 中试样面积均为 7.23 cm2，第 1 炉次试样中气泡数量为 97 个，数量密度为 13.4 个 ·cm-2，气泡平均尺寸为 365.74 μm；第 2 炉次试样中气泡数量为 110 个，数量密度为 15.2 个 ·cm-2，气泡平均尺寸为 408.63 μm。该图还表明试样内部气泡基本呈圆形，气泡直径主要介 于 0.1 mm 至 1.0 mm 间，占总数 80%的气泡直径介于 0.1 mm 至 0.6 mm（图 7）。 2 16 24 21 13 8 5 7 0 0 0 1 0 10 19 22 14 14 12 5 2 2 2 4 2 2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0 5 10 15 20 25 Number of bubbles Bubble size/μm The first furnace The second furnace 摘 7 冷钢片沾取试样内部气泡尺寸分布 Fig.7 Bubble size distribution in cold steel sheet 2）扫描电镜观察结果 为了进一步深入分析沾取钢样内部气泡尺寸，采用扫描电镜对沾取钢样内部气泡进行 了观察。图 8 和图 9 是部分气泡扫描电镜照片，由图可见，试样内部气泡基本呈球形，尺 寸大都处于 100 μm-1000 μm，偶见直径小于 100 μm 和大于 1000 μm 气泡；大部分气泡为 单个独立气泡。 (a) D1=56.49 μm (b) D2=137.80 μm (c) D3=170.57 μm (d) D4=200.16 μm 56.49 μm 137.80 μm 170.57 μm 200.16 μm 录用稿件，非最终出版稿

250.10m .319.98um 347.50μum 396.23m (e)D=250.10um(①D6=319.98m(g)D,=347.50m(h)Dg=396.23m 429.72m 451.05um 454.41μm 573.60m (iDg=429.72um 0)D1o=451.05um k)D1=454.41m ①D573,60 614.48m6 66559 700.53um 127L.43u (m)D1=614.48m()D1=665.59m(o)Ds=70053umY/(p)D16=1271.43m 细朝冷钢片沾取试样中单个球形气泡形貌及尺寸/um.(a)b无649um:(b)D2=137.80m:(C)D,=170.57 m;(dD,=200.16μm;(e)D,=250.10μm;(0D。=3198wm;白p,=347.50um;(h)D,=396.23μm;(0 D,=429.72μm;G)D1=451.05m,(k)D1=454.41μm;D53.60um;(m)D1=614.48μm;(n)D1:=665.59 um;,(o)D1=700,53μm,016≥1271.43um Fig.8 Shape and size of single spherical bubble in cold steel sheet/um:(a)D=56.49 um;(b)D:=137.80 um;(c) D,=170.57um,(d)D4=200.16m,(e)D=250.10m0D。=319.98um,(g)D=347.50μm;(h)D=396.23μm; (①Dg=429.72um,G)D0-451.05um,(k)D1=454.41um;(①D1=573.60m,(m)D1=614.48μm;(m)D4=665.59 4m,(o)D1s=700.53m,(p)D16=1271.43um 图9是扫描电镜观察到的少最粘连与聚合球形气泡照片，表明中间包中细小氩气泡会发生 碰撞和粘连，但比例较小。 1206.06Hm 335.70m 319.00m ·4四m·8e (a)D=1206.06m,D2=816.10m(b)D3=335.70um,D4=319.00m 细冷钢片沾取试样中粘连与聚合气泡形貌及尺寸/um.(a)D=1206.06μm,D2=816.10μm,(b)D=335.70 um,D=319.00um Fig.9 Shape and size of adhesive and polymeric bubbles in cold steel sheet/um:(a)D,=1206.06um,D:=816.10 mand(b)D3=335.70um,D4=319.00um 将扫描电镜观察到的气泡尺寸进行统计分析，图10是钢样中随机选择的140个气泡尺 寸分布的统计结果，可见中间包沾取钢样中气泡尺寸大多介于100um-600m,平均尺寸

(e) D5=250.10 μm (f) D6=319.98 μm (g) D7=347.50 μm (h) D8=396.23 μm (i) D9=429.72 μm (j) D10=451.05 μm (k) D11=454.41 μm (l) D12=573.60 μm (m) D13=614.48 μm (n) D14=665.59 μm (o) D15=700.53 μm (p) D16=1271.43 μm 摘 8 冷钢片沾取试样中单个球形气泡形貌及尺寸/μm. (a) D1=56.49 μm; (b) D2=137.80 μm; (c) D3=170.57 μm; (d) D4=200.16 μm; (e) D5=250.10 μm; (f) D6=319.98 μm; (g) D7=347.50 μm; (h) D8=396.23 μm; (i) D9=429.72 μm; (j) D10=451.05 μm; (k) D11=454.41 μm; (l) D12=573.60 μm; (m) D13=614.48 μm; (n) D14=665.59 μm; (o) D15=700.53 μm; (p) D16=1271.43 μm Fig.8 Shape and size of single spherical bubble in cold steel sheet/μm: (a) D1=56.49 μm; (b) D2=137.80 μm; (c) D3=170.57 μm; (d) D4=200.16 μm; (e) D5=250.10 μm; (f) D6=319.98 μm; (g) D7=347.50 μm; (h) D8=396.23 μm; (i) D9=429.72 μm; (j) D10=451.05 μm; (k) D11=454.41 μm; (l) D12=573.60 μm; (m) D13=614.48 μm; (n) D14=665.59 μm; (o) D15=700.53 μm; (p) D16=1271.43 μm 图 9 是扫描电镜观察到的少量粘连与聚合球形气泡照片，表明中间包中细小氩气泡会发生 碰撞和粘连，但比例较小。 （a）D1=1206.06 μm, D2=816.10 μm （b）D3=335.70 μm, D4=319.00 μm 摘 9 冷钢片沾取试样中粘连与聚合气泡形貌及尺寸/μm. (a) D1=1206.06μm, D2=816.10 μm; (b) D3=335.70 μm, D4=319.00 μm Fig.9 Shape and size of adhesive and polymeric bubbles in cold steel sheet/μm: (a) D1=1206.06μm, D2=816.10 μm and (b) D3=335.70 μm, D4=319.00 μm 将扫描电镜观察到的气泡尺寸进行统计分析，图 10 是钢样中随机选择的 140 个气泡尺 寸分布的统计结果，可见中间包沾取钢样中气泡尺寸大多介于 100 μm-600 μm，平均尺寸 250.10 μm 319.98 μm 347.50 μm 396.23 μm 429.72 μm 451.05 μm 454.41 μm 573.60 μm 614.48 μm 665.59 μm 700.53 μm 1271.43 μm 319.00 μm 335.70 μm 816.10 μm 1206.06 μm 录用稿件，非最终出版稿