D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.s1.016 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 钢液中气泡和夹杂物的去除 赵晶晶程树森陶涛 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要熔池中钢液的流动、气泡以及夹杂物的大小都影响着钢液中夹杂物的去除率。研究表明，向上流动的钢液有利于夹 杂物的上浮，几乎所有的夹杂物都能在钢液上升流中上浮·向下流动的钢液对夹杂物和气泡的上浮有阻碍作用，当气泡的直 径小于1mm时其在钢液中将无法上浮.在钢包精炼吹氩过程中，应使用较小的吹氩量，一方面避免产生过大的气泡而降低底 吹气体的利用效率，另一方面减小熔池内的钢液流速，促进气泡和夹杂物的上浮。但吹氩量也不宜过小，必须使气泡保持一定 的尺寸来保证其充分上浮，在钢包精炼过程中选择吹氩量时，应综合考虑钢液流速和气泡大小的影响· 关键词洁净钢：钢包精炼：吹氩：气泡；夹杂物 Bubble and inclusion removal in molten steel ZHAO Jing-jing.CHENG Shu-sen,TAO Tao School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The inclusion removal rate in molten steel is influenced by molten steel flow and the bubble/inclusion size.As the re- search results shown,the upward movement of molten steel is in favor of the inclusion floatation.and almost all of the inclusions can float up.Inclusion and bubble flotation is hindered by the downward molten steel flow.Bubbles whose diameters are smaller than 1 mm can not float up when the molten steel flows downward.In the ladle refining process.small gas injection rate should be used to avoid forming excessive big bubbles,which will reduce the gas"injection efficiency,and to reduce the molten steel velocities.which is good for the bubble/inclusion flotation.But the gas injection rate also should not be too small,which ensures that bubbles in molten steel maintain a certain size to fully float up.In the ladle refining process.both the molten steel velocity and the bubble size should be considered when choosing the gas injection rate. KEY WORDS clean steel:ladle refining:argon gas injection:bubble;inclusion 洁净钢治炼的目的就是控制钢中的夹杂物，在 1数学模型 冶炼工序中，精炼和连铸是去除夹杂物的主要场 所山，夹杂物在钢液中的上浮主要有两种方式：依 夹杂物、气泡颗粒在流体中主要受到3个力的 靠自身浮力上浮、黏附在气泡表面上浮，在钢液运 作用：重力、浮力、流体作用于颗粒上的阻力 动过程中，夹杂物之间会碰撞凝聚成大颗粒夹杂来 (1)浮力F: 依靠自身浮力上浮；还有一部分夹杂物会粘附在气 R=吉吗 (1) 泡表面，依靠气泡的浮力来上浮)，因此，夹杂物以 及气泡的大小对钢液中夹杂物的去除有着非常重要 (2)重力G: 的影响，本文通过分析钢液中夹杂物和气泡的受 G=日xd09 (2) 力，研究了钢包精炼和连铸过程中夹杂物和气泡大 小、以及不同的钢液流速对夹杂物上浮的影响，探讨 (3)阻力Fa1: 了三者之间的关系 Fa=女Cplu-wl(u-,) (3) 收稿日期：2009-06-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。-60672145) 作者简介：赵晶晶(1986-)，女，项士研究生，E-mail:jingjing032@126.com:程树森(1964一)，男，教授，博士
钢液中气泡和夹杂物的去除 赵晶晶 程树森 陶 涛 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 熔池中钢液的流动、气泡以及夹杂物的大小都影响着钢液中夹杂物的去除率．研究表明向上流动的钢液有利于夹 杂物的上浮几乎所有的夹杂物都能在钢液上升流中上浮．向下流动的钢液对夹杂物和气泡的上浮有阻碍作用当气泡的直 径小于1mm 时其在钢液中将无法上浮．在钢包精炼吹氩过程中应使用较小的吹氩量一方面避免产生过大的气泡而降低底 吹气体的利用效率另一方面减小熔池内的钢液流速促进气泡和夹杂物的上浮．但吹氩量也不宜过小必须使气泡保持一定 的尺寸来保证其充分上浮．在钢包精炼过程中选择吹氩量时应综合考虑钢液流速和气泡大小的影响． 关键词 洁净钢；钢包精炼；吹氩；气泡；夹杂物 Bubble and inclusion removal in molten steel ZHA O Jing-jingCHENG Shu-senT A O T ao School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he inclusion removal rate in molten steel is influenced by molten steel flow and the bubble／inclusion size．As the research results shownthe upward movement of molten steel is in favor of the inclusion floatationand almost all of the inclusions can float up．Inclusion and bubble flotation is hindered by the downward molten steel flow．Bubbles whose diameters are smaller than1 mm can not float up when the molten steel flows downward．In the ladle refining processsmall gas injection rate should be used to avoid forming excessive big bubbleswhich will reduce the gas-injection efficiencyand to reduce the molten steel velocitieswhich is good for the bubble／inclusion flotation．But the gas injection rate also should not be too smallwhich ensures that bubbles in molten steel maintain a certain size to fully float up．In the ladle refining processboth the molten steel velocity and the bubble size should be considered when choosing the gas injection rate． KEY WORDS clean steel；ladle refining；argon gas injection；bubble；inclusion 收稿日期：2009-06-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．60672145） 作者简介：赵晶晶（1986—）女硕士研究生E-mail：jingjing032＠126．com；程树森（1964—）男教授博士 洁净钢冶炼的目的就是控制钢中的夹杂物．在 冶炼工序中精炼和连铸是去除夹杂物的主要场 所［1］．夹杂物在钢液中的上浮主要有两种方式：依 靠自身浮力上浮、黏附在气泡表面上浮．在钢液运 动过程中夹杂物之间会碰撞凝聚成大颗粒夹杂来 依靠自身浮力上浮；还有一部分夹杂物会粘附在气 泡表面依靠气泡的浮力来上浮［2］．因此夹杂物以 及气泡的大小对钢液中夹杂物的去除有着非常重要 的影响．本文通过分析钢液中夹杂物和气泡的受 力研究了钢包精炼和连铸过程中夹杂物和气泡大 小、以及不同的钢液流速对夹杂物上浮的影响探讨 了三者之间的关系． 1 数学模型 夹杂物、气泡颗粒在流体中主要受到3个力的 作用：重力、浮力、流体作用于颗粒上的阻力． （1）浮力 Ff： Ff＝ 1 6 πd 3 pρg （1） （2）重力 G： G＝ 1 6 πd 3 pρp g （2） （3）阻力 Fd ［3］： Fd＝ πd 2 p 8 CDρ｜u— up｜（ u— up） （3） 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．016
Vol.31 Suppl.I 赵晶晶等：钢液中气泡和夹杂物的去除 105 式中，CD为颗粒曳力系数，其与颗粒雷诺数Rep的 形成循环流[).夹杂物会在钢液上升流的作用下被 一般关系式如下： 带到钢渣界面附近，在实际生产中，应当确保钢包 24 顶渣对夹杂物有较大的吸收能力，确保大部分夹杂 Rep Rep<1 物能够在沿钢渣界面的水平流动中被吸收.一旦钢 CD 24(1+0.15Reg-6s7)1<Re<1000 液沿钢包壁面向下运动，夹杂物则很难有机会上浮. R 另外，当钢渣界面处发生卷渣时，被卷入的渣滴尺寸 0.44 Re,≥1000 必须要大于1mm,才能有机会重新上浮至渣层，否 (4) 则将被留在钢中，污染钢液 颗粒雷诺数Rep的表达式为： 0.12 uup dp (5) 0.10 P,=2700kgm-3 以 0.08 向上流钢液 式中，u和p分别为流体和颗粒的运动速度，m· 006 P。4000kgm- s1;p和，分别为流体和颗粒的密度，kgm3;4 色0.04 P,-2700kgm3。 为流体的黏度，kgm1s1;g为重力加速度，m· 0.02 ·静止钢液。十 p。=4000kgm 0 s2;dp为颗粒直径，m· P。2700kgm3 ● -0.02 夹杂物、气泡颗粒在运动的过程中，当其受力达 向下流钢液 P,-4000kgm3 -0.04 到平衡时，就会在钢液中做匀速运动，其最终的上浮 0.06 0 2004006008001000 速度决定了颗粒在钢液中的运动状态，本文使用计 夹杂物粒径m 算机程序对平衡状态下的颗粒运动速度进行了计 图1夹杂物的大小及密度对其上浮速度的影响 算，当颗粒的运动速度为正值时，表示其能够在钢液 中上浮；当上浮速度为负值时，则表示颗粒无法上 图2给出了不同粒径的夹杂物在钢液下降流中 浮.在中间包内，夹杂物的上浮主要依赖于熔池内 的上浮速度，从图中可以看出，随着向下流动的钢 的钢液活塞流，其平均流速约为0.05ms-1[],因 液速度的增大，夹杂物的上浮速度开始由正值转变 此本文着重讨论了钢液流速为0.05ms情况下的 为负值，这说明夹杂物在较大速度的钢液向下流中 夹杂物上浮速度 将不能够上浮.对于板坯结晶器来说，由于钢液向 下流在结晶器内部占有较大的空间，且平均流速达 2计算结果及分析 到0.06ms-1☑，因此夹杂物仅依靠其浮力上浮的 2.1夹杂物在钢液中的上浮 去除率很低.对于粒径小于50m的夹杂物，当拉 在钢液中，夹杂物会因自身浮力的作用而上浮. 速为1mmin时，其在结晶器中的上浮率小于 图1为当夹杂物的大小、密度不同时其在钢液中的 50%,大部分夹杂物被凝固坯壳捕捉8).而对于 最终上浮速度，其中2700kg·m-3为渣滴的密度， 方坯结晶器来说，小颗粒夹杂（小于50m)的上浮 4000kgm3为A203夹杂物的密度.从图中可以 率小于20%，大部分夹杂物从计算域下部流出，形 看出，夹杂物越大越容易上浮，夹杂物的密度对其上 成铸坯内部缺陷10). 浮速度影响很小.在钢液静止或向上流的情况下， 夹杂物的上浮速度始终为正值.这说明，熔池内的 0.06 0.04 向上流会将夹杂物带到钢渣界面，即使是粒径较小 0.02$ d.=600μm 的夹杂物也能在钢液上升流的带动下充分上浮，因 0 d。800μm 此，为了尽量减少钢液中的夹杂物，应当在熔池内更 -0.02 多地发展上升流，而熔池内的向下流则严重阻碍了 0.04 d,=400μm 夹杂物的上浮，夹杂物在下降流中的上浮速度大多 0.06 ▣ 都是负值，当夹杂物的粒径增长到1mm时，其平衡 d,=200um -0.08上 速度才出现正值 0.10 0 0.020.040.060.08 0.10 在钢包内，钢液会在气泡柱的浮力作用下向上 向下流动的钢液流速(m·s) 运动.当上升流到达钢液表面时，气体从液面溢出， 钢液在钢渣界面处形成水平流，并沿壁面向下运动， 图2钢液流速对夹杂物上浮速度的影响
式中CD 为颗粒曳力系数其与颗粒雷诺数 Rep 的 一般关系式如下： CD＝ 24 Rep Rep＜1 24 Rep （1＋0∙15Re 0∙687 p ） 1＜ Rep＜1000 0∙44 Rep≥1000 （4） 颗粒雷诺数 Rep 的表达式为： Rep＝ ρ｜u— up｜dp μ （5） 式中u 和 up 分别为流体和颗粒的运动速度m· s —1 ；ρ和ρp 分别为流体和颗粒的密度kg·m —3 ；μ 为流体的黏度kg·m —1·s —1 ；g 为重力加速度m· s —2 ；dp 为颗粒直径m． 夹杂物、气泡颗粒在运动的过程中当其受力达 到平衡时就会在钢液中做匀速运动其最终的上浮 速度决定了颗粒在钢液中的运动状态．本文使用计 算机程序对平衡状态下的颗粒运动速度进行了计 算当颗粒的运动速度为正值时表示其能够在钢液 中上浮；当上浮速度为负值时则表示颗粒无法上 浮．在中间包内夹杂物的上浮主要依赖于熔池内 的钢液活塞流其平均流速约为0∙05m·s —1［4—5］因 此本文着重讨论了钢液流速为0∙05m·s —1情况下的 夹杂物上浮速度． 2 计算结果及分析 2∙1 夹杂物在钢液中的上浮 在钢液中夹杂物会因自身浮力的作用而上浮． 图1为当夹杂物的大小、密度不同时其在钢液中的 最终上浮速度其中2700kg·m —3为渣滴的密度 4000kg·m —3为 Al2O3 夹杂物的密度．从图中可以 看出夹杂物越大越容易上浮夹杂物的密度对其上 浮速度影响很小．在钢液静止或向上流的情况下 夹杂物的上浮速度始终为正值．这说明熔池内的 向上流会将夹杂物带到钢渣界面即使是粒径较小 的夹杂物也能在钢液上升流的带动下充分上浮．因 此为了尽量减少钢液中的夹杂物应当在熔池内更 多地发展上升流．而熔池内的向下流则严重阻碍了 夹杂物的上浮．夹杂物在下降流中的上浮速度大多 都是负值当夹杂物的粒径增长到1mm 时其平衡 速度才出现正值． 在钢包内钢液会在气泡柱的浮力作用下向上 运动．当上升流到达钢液表面时气体从液面溢出 钢液在钢渣界面处形成水平流并沿壁面向下运动 形成循环流［6］．夹杂物会在钢液上升流的作用下被 带到钢渣界面附近．在实际生产中应当确保钢包 顶渣对夹杂物有较大的吸收能力确保大部分夹杂 物能够在沿钢渣界面的水平流动中被吸收．一旦钢 液沿钢包壁面向下运动夹杂物则很难有机会上浮． 另外当钢渣界面处发生卷渣时被卷入的渣滴尺寸 必须要大于1mm才能有机会重新上浮至渣层否 则将被留在钢中污染钢液． 图1 夹杂物的大小及密度对其上浮速度的影响 图2 钢液流速对夹杂物上浮速度的影响 图2给出了不同粒径的夹杂物在钢液下降流中 的上浮速度．从图中可以看出随着向下流动的钢 液速度的增大夹杂物的上浮速度开始由正值转变 为负值这说明夹杂物在较大速度的钢液向下流中 将不能够上浮．对于板坯结晶器来说由于钢液向 下流在结晶器内部占有较大的空间且平均流速达 到0∙06m·s —1［7］因此夹杂物仅依靠其浮力上浮的 去除率很低．对于粒径小于50μm 的夹杂物当拉 速为1m·min —1时其在结晶器中的上浮率小于 50％大部分夹杂物被凝固坯壳捕捉［8—9］．而对于 方坯结晶器来说小颗粒夹杂（小于50μm）的上浮 率小于20％大部分夹杂物从计算域下部流出形 成铸坯内部缺陷［10］． Vol．31Suppl．1 赵晶晶等： 钢液中气泡和夹杂物的去除 ·105·
,106 北京科技大学学报 2009年增刊1 2.2气泡在钢液中的上浮 泡，当钢液流速增大到0.07ms1时，其上浮速度变 在钢包精炼过程中，通常采用底吹氩的方法来 为负值，将不能够上浮，因此，在钢包弱搅拌时，应 搅拌钢液，以达到均匀钢液温度和成分、纯净钢液的 使用合适的吹氩量，使气泡的大小维持在一定的范 目的，当钢包吹氩时，会在钢液中产生大量的气泡. 围内，还应避免钢包内的钢液流速过大，尤其是要减 图3为不同气泡在钢液中的上浮速度，从图中可以 小钢液向下流动的速度 看出，气泡越大，其在钢液中的上浮速度越大，在钢 0.4 液中的停留时间就越小.值得注意的是，若气泡在 0.3 10mm气泡 钢液中的停留时间过短，其与夹杂物碰撞的几率会 减小，还会减小钢液的脱气面积，不利于钢液的去气 旦0.2 △ 0-0-0 去夹杂，降低了底吹气体的利用效率。因此，在钢包 6mm气泡 3mm气泡 00-0 吹氩过程中，应当避免钢液中产生过大的气泡 0 0.5 1mm气泡 向上流钢液 -0 0.4 0.040.060.080.100.120.140.16 0.05m-s 向下流动的钢液流速(m·s) 03 0 图4钢液流速对气泡上浮速度的影响 向下流钢液 0.05ms 2.3气泡携带夹杂物在钢液中的上浮 06 静止钢液 在钢液中，使夹杂物黏附在气泡表面上浮是去 -0.1 除夹杂物的一种有效方式·图5给出了黏附有不同 4 6 8 10 气泡直径mm 大小夹杂物的气泡在钢液中的上浮速度，从图中可 以看出，夹杂物的黏附减小了气泡在钢液中的上浮 图3气泡大小对其上浮速度的影响 速度，黏附的夹杂物尺寸越大，气泡的上浮速率就 另外，从图3中还可以看出，当钢液静止或向上 越小.在静止钢液中，由于气泡的浮力作用，即使气 运动时，无论多大的气泡都能够上浮，而当钢液向下 泡黏附了较大的夹杂物，其也能在钢液中上浮.而 运动时，小于1mm的气泡则不能上浮.由于在钢包 在钢液向下流中，对于1mm的气泡，当其黏附的夹 内部存在较大范围的钢液向下流，即使夹杂物黏附 杂物的尺寸超过200m时，其在钢液中的上浮速率 在这种小气泡上也不可能再上浮，因此小于1mm 小于0.02ms1.在精炼过程中，需要使用较长的 的气泡并不能发挥去除夹杂物的作用 时间来使此种气泡上浮，因此，在钢包精炼过程中， 图4为气泡在具有不同速度的向下流动的钢液 吹氩量不能过小，必须使气泡保持一定的尺寸来保 中的上浮速度，随着钢液流速的增大，气泡在钢液 证其具有一定的上浮速度，否则即使气泡在钢液中 下降流中的上浮速度减小.对于直径为lmm的气 弥散分布也不能保证夹杂物的充分上浮 0.204-4 (a) 0.16△b 3mm气泡 (b) 3mm气泡 0.16 0.12 o-o 2mm气泡 Po-oo ● 2mm气泡 0.08poo- 0.04 1mm气泡 1mm气泡 0 00 p0-0 0.04 200400600800 1000 20 400600800 1000 气泡黏附的夹杂物粒径μm 气泡黏附的夹杂物粒径μm 图5气泡黏附不同大小夹杂物时的上浮速度比较.(a)静止钢液；(b)向下流动的钢液(0.05ms) 图6比较了在具有不同速度的向下流动的钢液 中的上浮速度就越小.，对于直径为lmm的气泡，当 中，黏附了粒径为100m夹杂物的气泡在钢液中的 钢液向下流动的速度大于0.08ms一1时，气泡的上 上浮速度，钢液向下流动的速度越大，气泡在钢液 浮速度开始出现负值，气泡将无法上浮.同样，当钢
2∙2 气泡在钢液中的上浮 在钢包精炼过程中通常采用底吹氩的方法来 搅拌钢液以达到均匀钢液温度和成分、纯净钢液的 目的．当钢包吹氩时会在钢液中产生大量的气泡． 图3为不同气泡在钢液中的上浮速度．从图中可以 看出气泡越大其在钢液中的上浮速度越大在钢 液中的停留时间就越小．值得注意的是若气泡在 钢液中的停留时间过短其与夹杂物碰撞的几率会 减小还会减小钢液的脱气面积不利于钢液的去气 去夹杂降低了底吹气体的利用效率．因此在钢包 吹氩过程中应当避免钢液中产生过大的气泡． 图3 气泡大小对其上浮速度的影响 另外从图3中还可以看出当钢液静止或向上 运动时无论多大的气泡都能够上浮而当钢液向下 运动时小于1mm 的气泡则不能上浮．由于在钢包 内部存在较大范围的钢液向下流即使夹杂物黏附 在这种小气泡上也不可能再上浮因此小于1mm 的气泡并不能发挥去除夹杂物的作用． 图4为气泡在具有不同速度的向下流动的钢液 中的上浮速度．随着钢液流速的增大气泡在钢液 下降流中的上浮速度减小．对于直径为1mm的气 泡当钢液流速增大到0∙07m·s —1时其上浮速度变 为负值将不能够上浮．因此在钢包弱搅拌时应 使用合适的吹氩量使气泡的大小维持在一定的范 围内还应避免钢包内的钢液流速过大尤其是要减 小钢液向下流动的速度． 图4 钢液流速对气泡上浮速度的影响 2∙3 气泡携带夹杂物在钢液中的上浮 在钢液中使夹杂物黏附在气泡表面上浮是去 除夹杂物的一种有效方式．图5给出了黏附有不同 大小夹杂物的气泡在钢液中的上浮速度．从图中可 以看出夹杂物的黏附减小了气泡在钢液中的上浮 速度．黏附的夹杂物尺寸越大气泡的上浮速率就 越小．在静止钢液中由于气泡的浮力作用即使气 泡黏附了较大的夹杂物其也能在钢液中上浮．而 在钢液向下流中对于1mm 的气泡当其黏附的夹 杂物的尺寸超过200μm 时其在钢液中的上浮速率 小于0∙02m·s —1．在精炼过程中需要使用较长的 时间来使此种气泡上浮．因此在钢包精炼过程中 吹氩量不能过小必须使气泡保持一定的尺寸来保 证其具有一定的上浮速度否则即使气泡在钢液中 弥散分布也不能保证夹杂物的充分上浮． 图5 气泡黏附不同大小夹杂物时的上浮速度比较．（a） 静止钢液；（b） 向下流动的钢液（0∙05m·s —1） 图6比较了在具有不同速度的向下流动的钢液 中黏附了粒径为100μm 夹杂物的气泡在钢液中的 上浮速度．钢液向下流动的速度越大气泡在钢液 中的上浮速度就越小．对于直径为1mm 的气泡当 钢液向下流动的速度大于0∙08m·s —1时气泡的上 浮速度开始出现负值气泡将无法上浮．同样当钢 ·106· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.1 赵晶晶等：钢液中气泡和夹杂物的去除 .107. 液向下流动的速度大于0.15ms1时，2mm气泡的 参考文献 上浮速度也开始出现负值，由此可见，当钢液向下 [1]IISI.State of the Art and Process Technology in Clean Steel- 流动的速度较大时，气泡的尺寸不能太小，否则其将 making.Beijing:Metallurgical Industry Press.2006 无法携带夹杂物上浮， (国际钢铁协会，洁净钢生产工艺技术.北京：治金工业出版 0.20 社，2006) [2]Zhang L F,Aoki J,Thomas B G.Inclusion removal by bubble 0.15 3mm气泡 100mm夹杂物 flotation in a continuous casting mold.Metall Mater Trans B. 云00叶 2006,37(3):361 00 0 0 [3]Guo LJ.Multiphase Flow Dynamics.Beijing:Metallurgical In- 0.05 0 dustry Press,2002 0以 00 0 2mm气泡 0 0 (郭烈锦。两相与多相流动力学.北京：冶金工业出版社， o100mm夹杂物 2002) 0.05 1mm气泡 00 100mm夹杂物 [4]Lu Q H.Numerical Simulation of molten Steel Flow in Contin- 0.10 uous Casting Tundish of A nSteel[Dissertation ]Beijing:Univer- 0.040.060.080.100.120.140.16 向下流动的钢液流速(ms) sity of Science and Technology Beijing.2003 (吕情恒.鞍钢连铸中间包流动数值模拟[学位论文】，北京： 图6不同钢液流速下气泡黏附夹杂物的上浮速度 北京科技大学，2003) 王立涛等山的研究表明，大颗粒夹杂物更容易 [5]Ding J G.Cheng SS.Cheng GG.Numerical simulation of flow 被气泡捕获，而小气泡比大气泡更有利于捕获夹杂 effect on with gas injection in a ladle shroud.CSM 2005 Annual Meeting Proceedings.Beijing.2005:69 物，因此，在钢包吹氩过程中，应该使用较小的吹氩 (丁建国，程树森，成国光。钢包长水口吹气对中间包流场影响 量，一方面避免钢液的流速过大，另一方面用来在 的数值模拟/中国钢铁年会论文集，北京，2005：469) 钢液中产生弥散的小气泡，但是，在吹氩过程中气 [6]Su L W.Cheng S S.Cheng GG.Simulation of Ar blowing for 泡的尺寸也不应过小，应根据钢液的流速来确定所 ladle furnace.JRare Earth,2006,24:159 需要的气泡尺寸.郑淑国等通过水模型实验得 (宿立伟，程树森，成国光。LF炉吹氩数值模拟研究.中国稀土 学报，2006,24：159) 出，对于粒径在100m左右的夹杂物，在一定的吹 [7]Bai Y Q,Cheng SS.Influence of SEN rotary to steel flow field in 氩条件下其上浮率可达90%.由此可见，合理控制 mold for continuous casting slab-China Metall,2008,18(6):1 吹氩参数，可以达到较好的钢包精炼效果， (白永强，程树森。板坯连铸结晶器内非对称流动对渣钢界面 的影响.中国冶金，2008,18(6)：1) 3结论 [8]Zhao J J.Numerical simulation of inclusion movement in the con- tinuous casting slab mold Proceedings of 2008 International (1)向上流动的钢液有利于夹杂物的上浮，应在 Symposium on Clean Steel:AnShan,2008:169 熔池内更多地发展上升流，当钢液向下流动时，小 [9]Yuan Q.Thomas B G.Vanka S P.Study of transient flow and 于1mm的夹杂物都很难上浮.在实际生产中，应当 particle transport in continuous steel caster molds:Part II.Parti- 确保渣层对夹杂物有较大的吸收能力，使得上升至 cle transport.Metall Mater Trans B.2004.35(4):703 [10]Wu D F.Research on the Fluid Flow,Heat Transfer,Inclu- 钢渣界面的夹杂物能够被充分吸收，一旦钢液向下 sion Movement and EMBR Phenomenon in Bloom Mold[Disser- 运动，夹杂物则很难有机会上浮， tation].Beijing:University of Science and Technology Beijing (2)钢包吹氩时应避免产生过大的气泡，气泡 2007 越大，其在钢液中的上浮速度越大，在钢液中的停留 (吴狄锋·大方坯结晶器内钢液流动、传热、夹杂物运动及电 磁制动研究[学位论文]北京：北京科技大学，2007) 时间就越短，不利于发挥气泡的去气去夹杂作用， 另外，气泡的尺寸也不能过小，小于1mm的气泡将 [11]Wang L T,Xue Z L,Zhang Q Y.et al.Argon blowing and in- clusion removal in ladle furnace.JIron Steel Res.2005,17(3): 不能发挥去除夹杂物的作用 (3)在钢包吹氩过程中，应使用较小的吹氩量， (王立涛，薛正良，张乔英，等。钢包炉吹氩与夹杂物去除，钢 一方面避免钢液的流速过大，另一方面用来在钢液 铁研究学报，2005,17(3)：34) 中产生弥散的小气泡，有利于气泡与夹杂物之间的 [12]Zheng S G.Zhu M Y.Water model study on removing inclu- 黏附上浮，但吹氩量也不应过小，应使气泡保持一 sions in a ladle with argon infected through nozzle and porous plug.Acta Metall Sin.2006.42(11):1143 定的尺寸来保证其在钢液中的上浮，在选择吹氩量 (郑淑国，朱苗勇，钢包内喷嘴与透气砖吹氩去夹杂水模型研 时，应综合考虑钢液流速和气泡大小的影响. 究.金属学报，2006,42(11)：1143)
液向下流动的速度大于0∙15m·s —1时2mm 气泡的 上浮速度也开始出现负值．由此可见当钢液向下 流动的速度较大时气泡的尺寸不能太小否则其将 无法携带夹杂物上浮． 图6 不同钢液流速下气泡黏附夹杂物的上浮速度 王立涛等［11］的研究表明大颗粒夹杂物更容易 被气泡捕获而小气泡比大气泡更有利于捕获夹杂 物．因此在钢包吹氩过程中应该使用较小的吹氩 量．一方面避免钢液的流速过大另一方面用来在 钢液中产生弥散的小气泡．但是在吹氩过程中气 泡的尺寸也不应过小应根据钢液的流速来确定所 需要的气泡尺寸．郑淑国等［12］ 通过水模型实验得 出对于粒径在100μm 左右的夹杂物在一定的吹 氩条件下其上浮率可达90％．由此可见合理控制 吹氩参数可以达到较好的钢包精炼效果． 3 结论 （1）向上流动的钢液有利于夹杂物的上浮应在 熔池内更多地发展上升流．当钢液向下流动时小 于1mm 的夹杂物都很难上浮．在实际生产中应当 确保渣层对夹杂物有较大的吸收能力使得上升至 钢渣界面的夹杂物能够被充分吸收．一旦钢液向下 运动夹杂物则很难有机会上浮． （2）钢包吹氩时应避免产生过大的气泡．气泡 越大其在钢液中的上浮速度越大在钢液中的停留 时间就越短不利于发挥气泡的去气去夹杂作用． 另外气泡的尺寸也不能过小小于1mm 的气泡将 不能发挥去除夹杂物的作用． （3）在钢包吹氩过程中应使用较小的吹氩量． 一方面避免钢液的流速过大另一方面用来在钢液 中产生弥散的小气泡有利于气泡与夹杂物之间的 黏附上浮．但吹氩量也不应过小应使气泡保持一 定的尺寸来保证其在钢液中的上浮．在选择吹氩量 时应综合考虑钢液流速和气泡大小的影响． 参 考 文 献 ［1］ IISI．State of the A rt and Process Technology in Clean Steelmaking．Beijing：Metallurgical Industry Press2006 （国际钢铁协会．洁净钢生产工艺技术．北京：冶金工业出版 社2006） ［2］ Zhang L FAoki JThomas B G．Inclusion removal by bubble flotation in a continuous casting mold． Metall Mater T rans B 200637（3）：361 ［3］ Guo L J．Multiphase Flow Dynamics．Beijing：Metallurgical Industry Press2002 （郭烈锦．两相与多相流动力学．北京：冶金工业出版社 2002） ［4］ Lu Q H．Numerical Simulation of molten Steel Flow in Continuous Casting T undish of A nSteel［Dissertation］．Beijing：University of Science and Technology Beijing2003 （吕情恒．鞍钢连铸中间包流动数值模拟 ［学位论文］．北京： 北京科技大学2003） ［5］ Ding J GCheng S SCheng G G．Numerical simulation of flow effect on with gas injection in a ladle shroud．CSM2005 A nnual Meeting ProceedingsBeijing2005：469 （丁建国程树森成国光．钢包长水口吹气对中间包流场影响 的数值模拟／／中国钢铁年会论文集北京2005：469） ［6］ Su L WCheng S SCheng G G．Simulation of Ar blowing for ladle furnace．J Rare Earth200624：159 （宿立伟程树森成国光．LF 炉吹氩数值模拟研究．中国稀土 学报200624：159） ［7］ Bai Y QCheng S S．Influence of SEN rotary to steel flow field in mold for continuous casting slab．China Metall200818（6）：1 （白永强程树森．板坯连铸结晶器内非对称流动对渣钢界面 的影响．中国冶金200818（6）：1） ［8］ Zhao J J．Numerical simulation of inclusion movement in the continuous casting slab mold ∥ Proceedings of 2008 International Symposium on Clean SteelAnShan2008：169 ［9］ Yuan QThomas B GVanka S P．Study of transient flow and particle transport in continuous steel caster molds：PartⅡ．Particle transport．Metall Mater T rans B200435（4）：703 ［10］ Wu D F．Research on the Fluid FlowHeat T ransferInclusion Movement and EMBR Phenomenon in Bloom Mold ［Dissertation］．Beijing：University of Science and Technology Beijing 2007 （吴狄峰．大方坯结晶器内钢液流动、传热、夹杂物运动及电 磁制动研究［学位论文］．北京：北京科技大学2007） ［11］ Wang L TXue Z LZhang Q Yet al．Argon blowing and inclusion removal in ladle furnace．J Iron Steel Res200517（3）： 34 （王立涛薛正良张乔英等．钢包炉吹氩与夹杂物去除．钢 铁研究学报200517（3）：34） ［12］ Zheng S GZhu M Y．Water model study on removing inclusions in a ladle with argon infected through nozzle and porous plug．Acta Metall Sin200642（11）：1143 （郑淑国朱苗勇．钢包内喷嘴与透气砖吹氩去夹杂水模型研 究．金属学报200642（11）：1143） Vol．31Suppl．1 赵晶晶等： 钢液中气泡和夹杂物的去除 ·107·