转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程

工程科学学报，第38卷，第6期：773-779,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.6:773-779,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.005:http://journals.ustb.edu.cn 转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程 李翔，包燕平区，王敏，林路 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，Email:baoyp(@usth.edu.cn 摘要在转炉留渣一双渣工艺脱磷阶段结束倒渣时，分别使用样勺获取倒渣开始时上部泡沫渣，倒渣结束时下部泡沫渣以 及倒渣结束后炉内剩余底部泡沫渣，使用宏观及微观的方法分别分析泡沫渣各部位气泡分布特点.结果表明：气泡平均当量 直径，上部>下部>底部：孔隙率，上部>下部>底部.转炉泡沫渣的形成过程为：随着大量C0/CO2气泡进入渣中，气泡之间 不断碰撞、合并，上部气泡被下部气泡抬挤且由于气泡本身的浮力作用，气泡不断上升，气泡在上升时由于重力作用，气泡之 间渣相在重力作用下折液，气泡的拓扑结构不断发生变化，同时气泡之间不断碰撞、合并，最后形成上部气泡直径大且孔隙率 高，下部气泡直径小且孔隙率低的泡沫渣。 关键词转炉：泡沫渣：气泡；分布：形成机理 分类号TF769 Distribution characteristic and formation process of bubbles in foaming slag in a converter LI Xiang,BAO Yan-ping,WANG Min,LIN Lu State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:baoyp@ustb.edu.cn ABSTRACT Foaming slags at the top at the beginning of deslaggging,in the lower portion at the end of deslagging,and at the bottom after deslagging were taken with a sample scoop at the end of dephosphorization in the converter slag-remaining and double-slag process.The distribution characteristic of bubbles was analyzed by the macro micro analysis technique.The results indicate that the order of average equivalent diameter of bubbles is the slag at the top slag in the lower slag at the bottom,and the order of gas porosity is the slag at the top slag in the lower slag at the bottom.The formation process of foaming slags was observed and analyzed.Bubbles collide and coalesce with CO/CO moving into the slag.Bubbles in the upper are elevated by bubbles in the lower and the bubbles rises up with buoyancy.The drainage of liquid slag occurs with gravity and the topological structure of bubbles chan- ges.With bubble collision and coalescence,the foaming slag with larger bubbles and higher porosity in the upper and that with smaller bubbles and lower porosity in the lower are formed. KEY WORDS converters:foaming slag:bubbles:distribution:formation mechanisms 炉渣泡沫化是治金过程中普遍存在的现象，有关学 度以降低铁损或减少喷溅-8，而在转炉倒渣时，泡沫 者对于炉渣泡沫化指数及泡沫寿命影响因素做过大量 渣孔隙率对于转炉倒渣量有重要影响.相同体积泡沫 研究.对于转炉双渣或留渣-双渣工艺，炉渣泡沫化 渣，孔隙率越低则倒渣量越大.本文通过宏观及微观的 是将前期脱磷渣从炉内倒出的主要手段.前人对于 方法，研究了某厂50转炉留渣一双渣工艺倒渣时不同 转炉泡沫渣的研究主要是减少吹炼终点炉渣泡沫化程 部位泡沫渣气泡分布特点，探讨转炉泡沫渣的形成过 收稿日期：2015-06-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(5157040346)：钢铁治金新技术国家重点实验室自主基金资助项目(41614014)

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期: 773--779，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 6: 773--779，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 06． 005; http: / /journals． ustb． edu． cn 转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程 李 翔，包燕平，王 敏，林 路 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn 摘 要 在转炉留渣--双渣工艺脱磷阶段结束倒渣时，分别使用样勺获取倒渣开始时上部泡沫渣，倒渣结束时下部泡沫渣以 及倒渣结束后炉内剩余底部泡沫渣，使用宏观及微观的方法分别分析泡沫渣各部位气泡分布特点． 结果表明: 气泡平均当量 直径，上部 ＞ 下部 ＞ 底部; 孔隙率，上部 ＞ 下部 ＞ 底部． 转炉泡沫渣的形成过程为: 随着大量 CO/CO2气泡进入渣中，气泡之间 不断碰撞、合并，上部气泡被下部气泡抬挤且由于气泡本身的浮力作用，气泡不断上升，气泡在上升时由于重力作用，气泡之 间渣相在重力作用下析液，气泡的拓扑结构不断发生变化，同时气泡之间不断碰撞、合并，最后形成上部气泡直径大且孔隙率 高，下部气泡直径小且孔隙率低的泡沫渣． 关键词 转炉; 泡沫渣; 气泡; 分布; 形成机理 分类号 TF769 Distribution characteristic and formation process of bubbles in foaming slag in a converter LI Xiang，BAO Yan-ping ，WANG Min，LIN Lu State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Foaming slags at the top at the beginning of deslaggging，in the lower portion at the end of deslagging，and at the bottom after deslagging were taken with a sample scoop at the end of dephosphorization in the converter slag-remaining and double-slag process． The distribution characteristic of bubbles was analyzed by the macro ＆ micro analysis technique． The results indicate that the order of average equivalent diameter of bubbles is the slag at the top ＞ slag in the lower ＞ slag at the bottom，and the order of gas porosity is the slag at the top ＞ slag in the lower ＞ slag at the bottom． The formation process of foaming slags was observed and analyzed． Bubbles collide and coalesce with CO/CO2 moving into the slag． Bubbles in the upper are elevated by bubbles in the lower and the bubbles rises up with buoyancy． The drainage of liquid slag occurs with gravity and the topological structure of bubbles chan￾ges． With bubble collision and coalescence，the foaming slag with larger bubbles and higher porosity in the upper and that with smaller bubbles and lower porosity in the lower are formed． KEY WOＲDS converters; foaming slag; bubbles; distribution; formation mechanisms 收稿日期: 2015--06--11 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 5157040346) ; 钢铁冶金新技术国家重点实验室自主基金资助项目( 41614014) 炉渣泡沫化是冶金过程中普遍存在的现象，有关学 者对于炉渣泡沫化指数及泡沫寿命影响因素做过大量 研究［1--8］． 对于转炉双渣或留渣!双渣工艺，炉渣泡沫化 是将前期脱磷渣从炉内倒出的主要手段［9--10］． 前人对于 转炉泡沫渣的研究主要是减少吹炼终点炉渣泡沫化程 度以降低铁损或减少喷溅［11--12］，而在转炉倒渣时，泡沫 渣孔隙率对于转炉倒渣量有重要影响． 相同体积泡沫 渣，孔隙率越低则倒渣量越大． 本文通过宏观及微观的 方法，研究了某厂 50 t 转炉留渣--双渣工艺倒渣时不同 部位泡沫渣气泡分布特点，探讨转炉泡沫渣的形成过

·774· 工程科学学报，第38卷，第6期 程，为转炉获得更大的倒渣量提供理论依据 渣工艺脱磷阶段结束，转炉倒渣时使用取样勺取渣，所 取渣样分别为转炉倒渣开始时上部泡沫渣，倒渣即将 1研究方法 结束时下部泡沫渣，以及倒渣结束后炉内剩余底部泡 研究转炉泡沫渣气孔分布特点，在转炉留渣一双 沫渣，取样位置示意图如图1所示 (a 图1泡沫渣取样位置示意图.(a)上部泡沫渣：(b)下部泡沫渣：（底部泡沫渣 Fig.1 Schematic diagram of sampling points:(a)slag at the top:(b)slag in the lower:(c)slag at bottom 取上部渣样时提前将样勺置于炉口下方，倒渣初的气泡分布特点 期目测样勺已满后将转炉摇回零位，将上部渣样端走 2结果与讨论 后，再继续摇炉倒渣，然后依次取下部及底部泡沫渣， 所取渣样应保持平稳，避免磕碰，待所取渣样自然冷却2.1转炉泡沫渣宏观形貌 后作如下分析.宏观形貌观察：对所取的渣样进行拍 转炉不同部位所取渣样冷却后，泡沫渣宏观形貌 照观察，从宏观上评价转炉泡沫渣的气泡分布特点：微 如图2所示.其中上部泡沫渣由于极易碎裂，未经任 观形貌观察：对所取泡沫渣镶样、磨平和喷碳之后在扫 何处理，而下部及底部泡沫渣为使用磨样机磨平处理 描电镜下观察其微观形貌，从微观上分析转炉泡沫渣 后照片（图中标尺最小刻度为1mm). b 图2不同部位泡沫渣宏观形貌.(a)上部泡沫渣：(b)下部泡沫渣：()底部泡沫渣 Fig.2 Macro morphology of foaming slags at different positions:(a)slag at the top:(b)slag in the lower:(c)slag at the bottom 上部泡沫渣冷却后极为疏松，使用较小的外力即 泡，其中大气泡直径>2mm,同时存在大量直径2mm的气 总体而言，根据宏观形貌观察结果，不同部位泡沫 泡，由于气泡直径较大，气泡形状极不规则.泡沫渣冷 渣气泡直径为上部>下部>底部，且上部泡沫渣明显 却过程中，气泡体积收缩，所观察气泡直径应小于吹炼 更疏松，孔隙率明显大于下部和底部 过程中炉内泡沫渣气泡直径 2.2转炉泡沫渣微观形貌 由图2(b)可见，下部泡沫渣冷却后内部同样存在 图3为冷却后转炉底部泡沫渣背散射照片，图4 大量的气泡，其中大气泡直径>3mm,同时存在大量直 为图3(a)对应面扫描照片.由图4可见，转炉底部泡 径<2mm的气泡，下部泡沫渣气泡直径明显小于上部 沫渣中存在大量的Ca、Si、Mg、Fe、O、P和S元素， 泡沫渣.同时，下部泡沫渣相对上部泡沫渣更致密，由 图3(a)中黑色部分为气泡，灰色部分为渣相，白色部 于下部泡沫渣气泡直径较小，气泡多接近球形. 分为铁珠，其中铁珠主要是由于气泡穿越钢渣界面形 由图2(c)可见，底部泡沫渣中也存在大量的气 成的液膜将钢液带入渣中形成.由图3可见，底部泡

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 程，为转炉获得更大的倒渣量提供理论依据． 1 研究方法 研究转炉泡沫渣气孔分布特点，在转炉留渣--双 渣工艺脱磷阶段结束，转炉倒渣时使用取样勺取渣，所 取渣样分别为转炉倒渣开始时上部泡沫渣，倒渣即将 结束时下部泡沫渣，以及倒渣结束后炉内剩余底部泡 沫渣，取样位置示意图如图 1 所示． 图 1 泡沫渣取样位置示意图． ( a) 上部泡沫渣; ( b) 下部泡沫渣; ( c) 底部泡沫渣 Fig． 1 Schematic diagram of sampling points: ( a) slag at the top; ( b) slag in the lower; ( c) slag at bottom 取上部渣样时提前将样勺置于炉口下方，倒渣初 期目测样勺已满后将转炉摇回零位，将上部渣样端走 后，再继续摇炉倒渣，然后依次取下部及底部泡沫渣， 所取渣样应保持平稳，避免磕碰，待所取渣样自然冷却 后作如下分析． 宏观形貌观察: 对所取的渣样进行拍 照观察，从宏观上评价转炉泡沫渣的气泡分布特点; 微 观形貌观察: 对所取泡沫渣镶样、磨平和喷碳之后在扫 描电镜下观察其微观形貌，从微观上分析转炉泡沫渣 的气泡分布特点． 2 结果与讨论 2. 1 转炉泡沫渣宏观形貌 转炉不同部位所取渣样冷却后，泡沫渣宏观形貌 如图 2 所示． 其中上部泡沫渣由于极易碎裂，未经任 何处理，而下部及底部泡沫渣为使用磨样机磨平处理 后照片( 图中标尺最小刻度为 1 mm) ． 图 2 不同部位泡沫渣宏观形貌． ( a) 上部泡沫渣; ( b) 下部泡沫渣; ( c) 底部泡沫渣 Fig． 2 Macro morphology of foaming slags at different positions: ( a) slag at the top; ( b) slag in the lower; ( c) slag at the bottom 上部泡沫渣冷却后极为疏松，使用较小的外力即 可使其碎裂． 由上图 2( a) 可见，上部气泡直径极大， 大气泡直径超过 5 mm，同时存在大量直径 ＞ 2 mm 的气 泡，由于气泡直径较大，气泡形状极不规则． 泡沫渣冷 却过程中，气泡体积收缩，所观察气泡直径应小于吹炼 过程中炉内泡沫渣气泡直径． 由图 2( b) 可见，下部泡沫渣冷却后内部同样存在 大量的气泡，其中大气泡直径 ＞ 3 mm，同时存在大量直 径 ＜ 2 mm 的气泡，下部泡沫渣气泡直径明显小于上部 泡沫渣． 同时，下部泡沫渣相对上部泡沫渣更致密，由 于下部泡沫渣气泡直径较小，气泡多接近球形． 由图 2( c) 可见，底部泡沫渣中也存在大量的气 泡，其中大气泡直径 ＞ 2 mm，同时存在大量直径 ＜ 1 mm 的气泡，大气泡直径稍小于下部泡沫渣． 总体而言，根据宏观形貌观察结果，不同部位泡沫 渣气泡直径为上部 ＞ 下部 ＞ 底部，且上部泡沫渣明显 更疏松，孔隙率明显大于下部和底部． 2. 2 转炉泡沫渣微观形貌 图 3 为冷却后转炉底部泡沫渣背散射照片，图 4 为图 3( a) 对应面扫描照片． 由图 4 可见，转炉底部泡 沫渣中 存 在 大 量 的 Ca、Si、Mg、Fe、O、P 和 S 元 素， 图 3( a) 中黑色部分为气泡，灰色部分为渣相，白色部 分为铁珠，其中铁珠主要是由于气泡穿越钢渣界面形 成的液膜将钢液带入渣中形成． 由图 3 可见，底部泡 · 477 ·

李翔等：转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程 ·775· b 气泡 200 wm 200Hn 400m 400Hm 图3底部泡沫渣渣样背散射照片 Fig.3 EBSD photos of foaming slag at the bottom O-K Mg-K Ca-KA Fe-KA P-KA S-KA Su-KA 图4图3(a)对应面扫描照片 Fig.4 Corresponding surface scanning photos of Fig.3(a) 沫渣存在大量的气泡，其中多数气泡接近球形，少数为 由图3可见，冷却后转炉底部泡沫渣存在大量密 不规则形状，气泡直径差别较大，其中较大的气泡直径 集的气泡，多数气泡单独存在，但也有大量气泡相互之 >2mm,大量气泡直径<1mm. 间碰撞，并有进一步合并的趋势，表明钢液中形成的

李 翔等: 转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程 图 3 底部泡沫渣渣样背散射照片 Fig． 3 EBSD photos of foaming slag at the bottom 图 4 图 3( a) 对应面扫描照片 Fig． 4 Corresponding surface scanning photos of Fig． 3( a) 沫渣存在大量的气泡，其中多数气泡接近球形，少数为 不规则形状，气泡直径差别较大，其中较大的气泡直径 ＞ 2 mm，大量气泡直径 ＜ 1 mm． 由图 3 可见，冷却后转炉底部泡沫渣存在大量密 集的气泡，多数气泡单独存在，但也有大量气泡相互之 间碰撞，并有进一步合并的趋势，表明钢液中形成的 · 577 ·

·776· 工程科学学报，第38卷，第6期 C0/C0,在穿越渣层时相互之间不断碰撞、合并.由 不同气泡直径也相差较大.当然，所观察泡沫渣是冷 图3可见，气泡1为两个直径将近1mm气泡正在碰 却到室温时的形貌，实际转炉内气泡受热膨胀后气泡 撞，气泡5为三个直径将近1mm气泡正在碰撞，其他 直径大于所观察气泡. 如图中2、3、4和6均为两个气泡之间的碰撞，可见气 图5为冷却后下部泡沫渣背散射照片.下部泡沫 泡之间的碰撞可以发生在两个、三个或多个气泡之间， 渣同样存在大量的气泡，其中多数气泡接近球形，少数 气泡碰撞后气泡合并，单个气泡直径将增大.图3可 为不规则形状.气泡直径差别较大，其中较大的气泡 见转炉底部泡沫渣气泡直径分布极不均匀，观察位置 直径>3mm,大量气泡直径2mm:气泡3则 是多个气泡之间的碰撞.因此下部泡沫渣气泡之间的 碰撞同样可以发生在两个、三个或多个气泡之间，气泡 碰撞后单个气泡直径将增大.由此可见，转炉下部泡 沫渣气泡直径分布同样极不均匀，与底部泡沫渣相似， 下部泡沫渣主要基体相为渣相，同时含有一定量的铁 珠.从该图还可以看出，下部泡沫渣出现大量裂纹，主 27 23 要是由于下部渣样气泡更大，制样过程中更易导致试 样碎裂. 图6 Image-ProPlus6.0软件处理照片示例 对于上部泡沫渣渣样，由于气泡直径过大，渣样极 Fig.6 Photo example processed by Image-ProPlus 6.0 software 易碎裂，难以制样，且上部泡沫渣大气泡直径超出显微 使用Image-ProPlus6.0分别统计底部泡沫渣及下 电镜量程，故无法观察上部泡沫渣渣样的微观形貌 部泡沫渣气泡数量及当量直径，计算单位面积气泡个

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 CO /CO2在穿越渣层时相互之间不断碰撞、合并． 由 图 3 可见，气泡 1 为两个直径将近 1 mm 气泡正在碰 撞，气泡 5 为三个直径将近 1 mm 气泡正在碰撞，其他 如图中 2、3、4 和 6 均为两个气泡之间的碰撞，可见气 泡之间的碰撞可以发生在两个、三个或多个气泡之间， 气泡碰撞后气泡合并，单个气泡直径将增大． 图 3 可 见转炉底部泡沫渣气泡直径分布极不均匀，观察位置 不同气泡直径也相差较大． 当然，所观察泡沫渣是冷 却到室温时的形貌，实际转炉内气泡受热膨胀后气泡 直径大于所观察气泡． 图 5 为冷却后下部泡沫渣背散射照片． 下部泡沫 渣同样存在大量的气泡，其中多数气泡接近球形，少数 为不规则形状． 气泡直径差别较大，其中较大的气泡 直径 ＞ 3 mm，大量气泡直径 ＜ 2 mm． 图 5 下部泡沫渣渣样背散射照片 Fig． 5 EBSD photos of foaming slag in the lower 由图 5 可见，对于冷却后转炉下部泡沫渣，多数气 泡单独存在，但也有大量气泡相互之间碰撞，并有进一 步合并的趋势，表明下部泡沫渣气泡之间仍然在不断 碰撞、合并． 气泡 2 为两个直径不同的气泡正在碰撞， 其中较大气泡直径超过 1 mm，较小气泡直径在 1 mm 以内; 气泡 4 同样为两个气泡之间的碰撞; 气泡 1 是三 个气泡之间的碰撞，其中大气泡直径 ＞ 2 mm; 气泡 3 则 是多个气泡之间的碰撞． 因此下部泡沫渣气泡之间的 碰撞同样可以发生在两个、三个或多个气泡之间，气泡 碰撞后单个气泡直径将增大． 由此可见，转炉下部泡 沫渣气泡直径分布同样极不均匀，与底部泡沫渣相似， 下部泡沫渣主要基体相为渣相，同时含有一定量的铁 珠． 从该图还可以看出，下部泡沫渣出现大量裂纹，主 要是由于下部渣样气泡更大，制样过程中更易导致试 样碎裂． 对于上部泡沫渣渣样，由于气泡直径过大，渣样极 易碎裂，难以制样，且上部泡沫渣大气泡直径超出显微 电镜量程，故无法观察上部泡沫渣渣样的微观形貌． 2. 3 转炉泡沫渣气泡分布特点 使用 Image-ProPlus6. 0 软件对底部和下部各 60 张 渣样背散射照片进行处理，处理后照片示例如图 6 所示． 图 6 Image-ProPlus6. 0 软件处理照片示例 Fig． 6 Photo example processed by Image-ProPlus 6. 0 software 使用 Image-ProPlus 6. 0 分别统计底部泡沫渣及下 部泡沫渣气泡数量及当量直径，计算单位面积气泡个 · 677 ·

李翔等：转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程 ·777· 数(mm2),如表1所示.可见，底部泡沫渣1mm2面积 当量直径主要集中在1~1.5mm及>2mm区间，0~ 内气泡个数为2.9，而下部泡沫渣气泡个数为2.2，下 200μm气泡个数最多但所占面积最小.下部泡沫渣在 部泡沫渣单位面积气泡个数明显少于底部泡沫渣.同 气泡当量直径600~1000m、1.5~2mm及>2mm区 时，底部泡沫渣气泡平均当量直径为381.6m,而下 间所占面积高于底部泡沫渣，其中气泡当量直径 部泡沫渣平均当量直径为498.9μm,下部泡沫渣平均 >2mm所占面积下部相对底部明显增加，增幅达 当量直径大于底部泡沫渣 20.4% 表1不同部位转炉泡沫渣气泡分布统计数据 35 33.0 Table 1 Statistic data of the bubble distribution of foaming slags in dif- 底部 30 下部 ferent parts during converter steelmaking process 32 泡沫渣 单位面积气泡 气泡平均当量 孔隙 25 部位 个数/mm2 直径/μm 率/% 20 底部 20 2.9 381.6 33.2 16.416.8 16.817,2 下部 2.2 498.9 3 15 13.7 使用气泡面积占视场面积比例表示泡沫渣的孔隙 率，统计底部及下部泡沫渣孔隙率如表1所示.可见 底部泡沫渣孔隙率为33.2%，而下部泡沫渣孔隙率为 1309 43.4%,底部泡沫渣孔隙率低于下部泡沫渣. 图7为底部及下部泡沫渣气泡当量直径个数分布 0-200 200-600600-10001000-15001500-2000>2000 气泡当量直径μm 比例.可见，底部泡沫渣气泡当量直径主要集中在0~ 图8不同当量直径气泡面积分布比例 600um之间，合计所占比例为80.4%，随着气泡直径 Fig.8 Area distribution of bubbles with different equivalent diame- 的增加气泡个数所占比例降低.下部泡沫渣中气泡当 ters 量直径同样主要集中在0~600um之间，但合计所占 比例为76.2%.下部泡沫渣中除0~200um气泡所占 通过微观形貌分析可知，气泡平均当量直径为下 比例少于底部，其余当量直径气泡所占比例都有所增 部>底部，且孔隙率为下部>底部.由于上部泡沫渣 加，其中当量直径1.5~2mm气泡数量下部比底部增 气泡直径过大且炉渣极易碎裂，无法镶样后观察微观 加0.5%（增幅为26.3%），当量直径>2mm气泡数量 形貌.但通过宏观形貌结果可知上部泡沫渣孔隙率明 下部比底部同样增加0.5%（增幅为62.5%），表明下 显大于下部及底部泡沫渣，且气泡平均当量直径明显 部泡沫渣中大气泡更多 大于下部和底部.因此，转炉泡沫渣的气泡平均当量 直径分布特点是上部>下部>底部，泡沫渣从上至下 ☑底部 下部 气泡直径逐渐减小.孔隙率分布特点为上部>下部> 底部，泡沫渣孔隙率分布至上而下逐渐降低 2.4转炉泡沫渣形成过程 0s31.1 转炉碳氧反应形成大量C0/C0,气泡，这些密集 的气泡进入炉渣中将发生碰撞（由底部泡沫渣微观形 貌分析结果可知)，无论是两个气泡之间的碰撞，还是 多个气泡之间的碰撞，任意两个气泡在相互碰撞时，由 Laplace定律可知，不同气泡内部压力不同，如图9所 1.92.4 示，假设其中一个气泡碰撞液膜处内部压力为P,则相 Z器0.81.3 200 600-10001000-15001500-2000>2000 应另一个气泡碰撞液膜处内部压力为P-,此时，相 气泡当量直径μm 邻胞元的压力差满足 图7不同当量直径气泡个数分布比例 Fig.7 Number distribution of bubbles with different equivalent di- 4P=22 (1) r ameters 式中：△P为碰撞气泡压力差，N·m2:y为气泡表面张 图8为不同当量直径气泡面积分布比例.可见， 力，Nm;r为碰撞气泡曲率半径，m. 无论是底部还是下部泡沫渣中，所占面积最大的气泡 气泡碰撞时，若液膜强度不足以维持压力差，相邻

李 翔等: 转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程 数( mm － 2 ) ，如表 1 所示． 可见，底部泡沫渣 1 mm2 面积 内气泡个数为 2. 9，而下部泡沫渣气泡个数为 2. 2，下 部泡沫渣单位面积气泡个数明显少于底部泡沫渣． 同 时，底部泡沫渣气泡平均当量直径为 381. 6 μm，而下 部泡沫渣平均当量直径为 498. 9 μm，下部泡沫渣平均 当量直径大于底部泡沫渣． 表 1 不同部位转炉泡沫渣气泡分布统计数据 Table 1 Statistic data of the bubble distribution of foaming slags in dif￾ferent parts during converter steelmaking process 泡沫渣 部位 单位面积气泡 个数/mm － 2 气泡平均当量 直径/μm 孔隙 率/% 底部 2. 9 381. 6 33. 2 下部 2. 2 498. 9 43 使用气泡面积占视场面积比例表示泡沫渣的孔隙 率，统计底部及下部泡沫渣孔隙率如表 1 所示． 可见 底部泡沫渣孔隙率为 33. 2% ，而下部泡沫渣孔隙率为 43. 4% ，底部泡沫渣孔隙率低于下部泡沫渣． 图 7 为底部及下部泡沫渣气泡当量直径个数分布 比例． 可见，底部泡沫渣气泡当量直径主要集中在 0 ～ 600 μm 之间，合计所占比例为 80. 4% ，随着气泡直径 的增加气泡个数所占比例降低． 下部泡沫渣中气泡当 量直径同样主要集中在 0 ～ 600 μm 之间，但合计所占 比例为 76. 2% ． 下部泡沫渣中除 0 ～ 200 μm 气泡所占 比例少于底部，其余当量直径气泡所占比例都有所增 加，其中当量直径 1. 5 ～ 2 mm 气泡数量下部比底部增 加 0. 5% ( 增幅为 26. 3% ) ，当量直径 ＞ 2 mm 气泡数量 下部比底部同样增加 0. 5% ( 增幅为 62. 5% ) ，表明下 部泡沫渣中大气泡更多． 图 7 不同当量直径气泡个数分布比例 Fig． 7 Number distribution of bubbles with different equivalent di￾ameters 图 8 为不同当量直径气泡面积分布比例． 可见， 无论是底部还是下部泡沫渣中，所占面积最大的气泡 当量直径主要集中在 1 ～ 1. 5 mm 及 ＞ 2 mm 区间，0 ～ 200 μm 气泡个数最多但所占面积最小． 下部泡沫渣在 气泡当量直径 600 ～ 1000 μm、1. 5 ～ 2 mm 及 ＞ 2 mm 区 间所占 面 积 高 于 底 部 泡 沫 渣，其 中 气 泡 当 量 直 径 ＞ 2 mm所 占 面 积 下 部 相 对 底 部 明 显 增 加，增 幅 达 20. 4% ． 图 8 不同当量直径气泡面积分布比例 Fig． 8 Area distribution of bubbles with different equivalent diame￾ters 通过微观形貌分析可知，气泡平均当量直径为下 部 ＞ 底部，且孔隙率为下部 ＞ 底部． 由于上部泡沫渣 气泡直径过大且炉渣极易碎裂，无法镶样后观察微观 形貌． 但通过宏观形貌结果可知上部泡沫渣孔隙率明 显大于下部及底部泡沫渣，且气泡平均当量直径明显 大于下部和底部． 因此，转炉泡沫渣的气泡平均当量 直径分布特点是上部 ＞ 下部 ＞ 底部，泡沫渣从上至下 气泡直径逐渐减小． 孔隙率分布特点为上部 ＞ 下部 ＞ 底部，泡沫渣孔隙率分布至上而下逐渐降低． 2. 4 转炉泡沫渣形成过程 转炉碳氧反应形成大量 CO /CO2 气泡，这些密集 的气泡进入炉渣中将发生碰撞( 由底部泡沫渣微观形 貌分析结果可知) ，无论是两个气泡之间的碰撞，还是 多个气泡之间的碰撞，任意两个气泡在相互碰撞时，由 Laplace 定律可知，不同气泡内部压力不同，如图 9 所 示，假设其中一个气泡碰撞液膜处内部压力为 P，则相 应另一个气泡碰撞液膜处内部压力为 P － 2γ r ，此时，相 邻胞元的压力差满足 ΔP = 2γ r ． ( 1) 式中: ΔP 为碰撞气泡压力差，N·m － 2 ; γ 为气泡表面张 力，N·m － 1 ; r 为碰撞气泡曲率半径，m． 气泡碰撞时，若液膜强度不足以维持压力差，相邻 · 777 ·

·778· 工程科学学报，第38卷，第6期 气泡则会合并.因此，碰撞气泡内部压力差是导致气 泡合并的动力，合并后单个气泡体积增加，合并后的气 泡再与其他气泡继续碰撞，单个气泡体积不断增加. 随着气泡体积的增加，渣中大气泡增多，同时气泡之间 的渣相在重力作用下析液，析液将导致气泡间的几何 结构重排，气泡间的几何拓扑关系发生变化四，如图 10所示. 由图10可见，气泡之间渣相的析液使得气泡之间 的渣相减少，伴随着气泡直径的变大，泡沫渣的孔隙率 增加.由于炉渣底部不断有气体进入，炉渣体积逐渐 图9气泡碰撞时内部压力差 膨胀，达到一定高度后即可倒渣.倒渣时，首先倒出的 Fig.9 Intemal pressure difference during bubble collision 是孔隙率较高的上层泡沫渣，之后泡沫渣孔隙率逐渐 重力 图10气泡析液几何拓扑结构变化示意图 Fig.10 Schematic diagram of geometric topology change during bubble drainage process 减小，底部泡沫渣孔隙率最低，但由于炉渣和钢液之间大量C0/C0,气泡进入渣中，气泡之间不断碰撞、合 的黏附力，底部泡沫渣难以从炉内分离. 并，上部气泡被下部气泡抬挤且由于气泡本身的浮力 因此，转炉泡沫渣的形成过程为：随着Si、Mn氧化 作用，气泡不断上升，气泡在上升同时由于重力作用， 结束，碳氧反应到来，大量C0/C02气泡进入渣中，气 气泡之间的渣相在重力作用下析液，气泡的拓扑结构 泡之间不断碰撞、合并，由于气泡不断进入，上部气泡 不断发生变化，最后形成上部气泡直径大、孔隙率高， 被下部气泡抬挤且由于气泡本身的浮力作用，气泡不 下部气泡直径小、孔隙率低的泡沫渣 断上升，气泡在上升同时由于重力作用，气泡之间的渣 相在重力作用下析液，气泡的拓扑结构不断发生变化， 参考文献 气泡之间不断碰撞、合并，最后形成上部气泡直径大、 孔隙率高，下部气泡直径小、孔隙率低的泡沫渣.可 [1]Ito K,Fruehan R J.Study on the foaming of Cao-Si02-Fe0 slags:Part I.Foaming parameters and experimental results. 见，析液是影响泡沫形成过程的一个重要因素，析液导 Metall Mater Trans B,1989,20(4):509 致气泡之间的渣相减少，降低析液速度或减少析液时 Ito K,Fruehan R J.Study on the foaming of Cao-Si0,-Fe0 间有利于得到孔隙率更低的泡沫渣.显然，相同体积 slags:Part I.Dimensional analysis and foaming in iron and 泡沫渣，孔隙率越低则倒渣量越大 steelmaking processes.Metall Mater Trans B.1989,20(4):515 B]Ito K,Fruehan R J.Slag foaming in electric fumace steelmaking 3结论 1&SM,1989,16(8):55 4]Lahiri A K,Seetharaman S.Foaming behavior of slags.Metall (1)转炉泡沫渣的气泡平均当量直径分布特点是 Mater Trans B,2002,33 (3):499 上部>下部>底部，泡沫渣从上至下气泡直径逐渐减 [5] Cheng GG,Niu S T,Zhang J,et al.Slag foaming in the process 小.孔隙率分布特点为上部>下部>底部，泡沫渣孔 of reduction and refining.J Iron Steel Res,1996,8(5):12 (成国光，牛四通，张鉴，等.还原精炼条件下炉渣的泡沫化 隙率分布至上而下逐渐降低 钢铁研究学报，1996,8(5)：12) (2)转炉泡沫渣的形成过程为：碳氧反应形成的 6]Yue K X,Dong Y,Wang S J,et al.Experimental study on foa-

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 图 9 气泡碰撞时内部压力差 Fig． 9 Internal pressure difference during bubble collision 气泡则会合并． 因此，碰撞气泡内部压力差是导致气 泡合并的动力，合并后单个气泡体积增加，合并后的气 泡再与其他气泡继续碰撞，单个气泡体积不断增加． 随着气泡体积的增加，渣中大气泡增多，同时气泡之间 的渣相在重力作用下析液，析液将导致气泡间的几何 结构重排，气泡间的几何拓扑关系发生变化［13］，如图 10 所示． 由图 10 可见，气泡之间渣相的析液使得气泡之间 的渣相减少，伴随着气泡直径的变大，泡沫渣的孔隙率 增加． 由于炉渣底部不断有气体进入，炉渣体积逐渐 膨胀，达到一定高度后即可倒渣． 倒渣时，首先倒出的 是孔隙率较高的上层泡沫渣，之后泡沫渣孔隙率逐渐 图 10 气泡析液几何拓扑结构变化示意图 Fig． 10 Schematic diagram of geometric topology change during bubble drainage process 减小，底部泡沫渣孔隙率最低，但由于炉渣和钢液之间 的黏附力，底部泡沫渣难以从炉内分离． 因此，转炉泡沫渣的形成过程为: 随着 Si、Mn 氧化 结束，碳氧反应到来，大量 CO /CO2 气泡进入渣中，气 泡之间不断碰撞、合并，由于气泡不断进入，上部气泡 被下部气泡抬挤且由于气泡本身的浮力作用，气泡不 断上升，气泡在上升同时由于重力作用，气泡之间的渣 相在重力作用下析液，气泡的拓扑结构不断发生变化， 气泡之间不断碰撞、合并，最后形成上部气泡直径大、 孔隙率高，下部气泡直径小、孔隙率低的泡沫渣． 可 见，析液是影响泡沫形成过程的一个重要因素，析液导 致气泡之间的渣相减少，降低析液速度或减少析液时 间有利于得到孔隙率更低的泡沫渣． 显然，相同体积 泡沫渣，孔隙率越低则倒渣量越大． 3 结论 ( 1) 转炉泡沫渣的气泡平均当量直径分布特点是 上部 ＞ 下部 ＞ 底部，泡沫渣从上至下气泡直径逐渐减 小． 孔隙率分布特点为上部 ＞ 下部 ＞ 底部，泡沫渣孔 隙率分布至上而下逐渐降低． ( 2) 转炉泡沫渣的形成过程为: 碳氧反应形成的 大量 CO /CO2 气泡进入渣中，气泡之间不断碰撞、合 并，上部气泡被下部气泡抬挤且由于气泡本身的浮力 作用，气泡不断上升，气泡在上升同时由于重力作用， 气泡之间的渣相在重力作用下析液，气泡的拓扑结构 不断发生变化，最后形成上部气泡直径大、孔隙率高， 下部气泡直径小、孔隙率低的泡沫渣． 参 考 文 献 ［1］ Ito K，Fruehan Ｒ J． Study on the foaming of CaO--SiO2 --FeO slags: Part Ⅰ． Foaming parameters and experimental results． Metall Mater Trans B，1989，20( 4) : 509 ［2］ Ito K，Fruehan Ｒ J． Study on the foaming of CaO--SiO2 --FeO slags: Part Ⅱ． Dimensional analysis and foaming in iron and steelmaking processes． Metall Mater Trans B，1989，20( 4) : 515 ［3］ Ito K，Fruehan Ｒ J． Slag foaming in electric furnace steelmaking． I ＆ SM，1989，16( 8) : 55 ［4］ Lahiri A K，Seetharaman S． Foaming behavior of slags． Metall Mater Trans B，2002，33( 3) : 499 ［5］ Cheng G G，Niu S T，Zhang J，et al． Slag foaming in the process of reduction and refining． J Iron Steel Ｒes，1996，8( 5) : 12 ( 成国光，牛四通，张鉴，等． 还原精炼条件下炉渣的泡沫化． 钢铁研究学报，1996，8( 5) : 12) ［6］ Yue K X，Dong Y，Wang S J，et al． Experimental study on foa- · 877 ·

李翔等：转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程 ·779· ming behavior of refining slag.J /ron Steel Res,2000,12(3):14 [10]Wang X H,Zhu G S,Li H B,et al.Investigation on "slag-e- (乐可襄，董元，王世俊，等.精炼炉熔渣泡沫化的实验研究 maining doubleslag"BOF steelmaking technology.China 钢铁研究学报，2000,12(3)：14) Meal,2013,23(4):40 Zhang D L,Wang X M,Kuang S B,et al.Study on foaming (王新华，朱国森，李海波，等.氧气转炉“留渣+双渣”炼 property of LF refining slag.J Iron Steel Res,2003,15(6):12 钢工艺技术研究.中国治金，2013,23(4)：40) (张东力，王晓鸣，匡世波，等.LF精炼渣发泡性能的实验研 [11]Cui Y,Nan X D.Feng J,et al.Technology of foaming slag level 究.钢铁研究学报，2003,15(6)：12) control during latter period of blowing for BOF process.Steelmak- [8]Niu Q,Chu SJ,Wu K,et al.Morphotype conversion of foams in img,2010,26(2):70 metallurgical melts.Unir Sci Technol Beijing,2000,22 (2): (崔阳，南晓东，冯军，等。转炉吹炼末期泡沫渣高度控制技 109 术.炼钢，2010,26(2)：70) (牛强，储少军，吴铿，等.治金熔体泡沫演化中的转型.北 [12]Lu K,Li JZ.Effect of oxygen used in steel making on splash in 京科技大学学报，2000,22(2)：109) converter.Steelmaking,2009,25(6):20 9]Zhu Y X,Zhong L C,Xiao Z M.Application and development of (卢凯，李具中.炼钢用氧对转炉喷溅的影响.炼钢，2009， deep dephosphorization technology in top and bottom combination 25(6):20) blown converters.Steelmaking,2013,29(4):I [13]Gergely V,Clyne T W.Drainage in standing liquid metal foams: (朱英雄，钟良才，萧忠敏.复吹转炉深脱磷技术在国内的应 modeling and experimental observations.Acta Mater,2004,52 用与进展.炼钢，2013,29(4)：1) (10),453

李 翔等: 转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程 ming behavior of refining slag． J Iron Steel Ｒes，2000，12( 3) : 14 ( 乐可襄，董元，王世俊，等． 精炼炉熔渣泡沫化的实验研究． 钢铁研究学报，2000，12( 3) : 14) ［7］ Zhang D L，Wang X M，Kuang S B，et al． Study on foaming property of LF refining slag． J Iron Steel Ｒes，2003，15( 6) : 12 ( 张东力，王晓鸣，匡世波，等． LF 精炼渣发泡性能的实验研 究． 钢铁研究学报，2003，15( 6) : 12) ［8］ Niu Q，Chu S J，Wu K，et al． Morphotype conversion of foams in metallurgical melts． J Univ Sci Technol Beijing，2000，22 ( 2) : 109 ( 牛强，储少军，吴铿，等． 冶金熔体泡沫演化中的转型． 北 京科技大学学报，2000，22( 2) : 109) ［9］ Zhu Y X，Zhong L C，Xiao Z M． Application and development of deep dephosphorization technology in top and bottom combination blown converters． Steelmaking，2013，29( 4) : 1 ( 朱英雄，钟良才，萧忠敏． 复吹转炉深脱磷技术在国内的应 用与进展． 炼钢，2013，29( 4) : 1) ［10］ Wang X H，Zhu G S，Li H B，et al． Investigation on“slag-re￾maining + double-slag”BOF steelmaking technology． China Metall，2013，23( 4) : 40 ( 王新华，朱国森，李海波，等． 氧气转炉“留渣 + 双渣”炼 钢工艺技术研究． 中国冶金，2013，23( 4) : 40) ［11］ Cui Y，Nan X D，Feng J，et al． Technology of foaming slag level control during latter period of blowing for BOF process． Steelmak￾ing，2010，26( 2) : 70 ( 崔阳，南晓东，冯军，等． 转炉吹炼末期泡沫渣高度控制技 术． 炼钢，2010，26( 2) : 70) ［12］ Lu K，Li J Z． Effect of oxygen used in steel making on splash in converter． Steelmaking，2009，25( 6) : 20 ( 卢凯，李具中． 炼钢用氧对转炉喷溅的影响． 炼钢，2009， 25( 6) : 20) ［13］ Gergely V，Clyne T W． Drainage in standing liquid metal foams: modeling and experimental observations． Acta Mater，2004，52 ( 10) ，453 · 977 ·