转炉泡沫渣气泡分布特点及形成过程.pdf_大学文库

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 changes． 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 ·

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 different 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 diameters 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 diameters 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 ·

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