D0I:10.13374/i.i8sn1001-t53.2010.04.00B 第32卷第4期 北京科技大学学报 Vol 32 No 4 2010年4月 Journal of Un iversity of Science and Technolgy Beijing Apr.2010 中间包吹氩去除钢水夹杂物 丰文祥2)陈伟庆”赵继增) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)洛阳利尔耐火材料有限公司，洛阳471023 摘要通过现场实验，研究了中间包吹氩位置和氩气流量对钢水洁净度的影响，重点探讨了在注流区吹氩对钢水洁净度的 影响.结果表明：在T型中间包注流区内进行合适流量吹氩可提高钢水洁净度，在浇铸区拐角处和塞棒附近吹氩对钢水洁净 度没有明显的影响：在注流区内吹氩，合适的氩气流量为6L·m,与不吹氩相比，钢中总氧降低率和夹杂物的去除率均可提 高1%左右，但15Lmm的大流量吹氩将会显著增加钢中总氧和大型夹杂物数量.分析认为：注流区内大的湍流强度可将 氩气泡击碎成弥散小气泡，大量小气泡在钢液中上浮，不但提高了气泡捕捉夹杂物的概率，而且增加了夹杂物之间的碰撞机 会，其结果是增大了夹杂物的粒径，促进了夹杂物的上浮去除；同时，注流区离水口距离最远，在注流区吹氩，碰撞长大的夹杂 物有更长的时间上浮排出，以上两个因素的共同作用，使得在注流区吹氩对去除钢水夹杂物有显著效果· 关键词炼钢：中间包：吹氩：夹杂物：洁净度 分类号TF703.5 Inclusions rem oval in a tund ish w ith argon purgig FENG Wenxiang2),CHEN Wei-qing),ZHAO Ji-zeng) 1)School ofMetallungical and Ecobgical Engneering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China 2)Luoyang Lirr Refmactories Coporation Luoyang 471023 China ABSTRACT The effect of argon purging site and argon flow rate in a tundish in particular argon purging in injection flow area on steel cleanliness was investigated by field test The results show that bubbling at injection flow area w ith suitable argon flow can inprove steel cleanliness while bubbling at the comer site in casting area and neaby the stopper has no obvious effect on steel cleanliness The suitable argon flow rate is 61.min when purging at injection fow area and compared with no argon bubbling the removal mate of to al oxygen and inchsions n steel can be decreased about 1 Butge argon flow wih5Lmnwill obviously increase oal oxy gen and inclusions in steel Inclusions removal n the argon purging tundish may be explained as that when argon purging at injection flow area bubbles will be smashed into a smaller size by the strong turbulence intensity A large number of diffusive bubbles in molten steel not only accelerate the collision beteen inclusions but also increase the pmbability of bubbles to capture inclsions which result in the ncrease of inclsion size and accelerating inchsions floating up and being rmoved On the other hand the distance from njec- tion flow area to the tundish nozzle is the longest and when argon purging at injection flow area the grown up inchsions have the lon- gest tine to be rmoved frm steel These two factors make purging at injection flow area have significant inpact on inclusions removal KEY WORDS steemaking tund ish:argon purging inchusions cleanliness 基于促进夹杂物“碰撞一聚合一长大一上浮一 道)，笔者进行了中间包吹氩水模型模拟实验研 去除”原理，钢水吹氩气搅拌是一种行之有效的方 究)，结果表明在T形中间包注流区吹氩有明显去 法，并在钢包中取得了广泛应用，有关中间包吹氩 除夹杂物效果， 气搅拌钢水，国内外学者做了很多理论、实验室和现 本文在水模型模拟实验的基础上，通过现场工 场实验研究，在日本、德国等有一些实际应用报 业实验，研究了中间包内吹氩位置和氩气流量对钢 收稿日期：2009-08-03 基金项目：科技部科技创新基金资助项目(N。08C26214101050) 作者简介：丰文祥(1972)，男，博士研究生：陈伟庆(195-)男，教授，博士生导师，Email wqchen ust@163cm
第 32卷 第 4期 2010年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．4 Ａｐｒ．2010 中间包吹氩去除钢水夹杂物 丰文祥 12） 陈伟庆 1） 赵继增 2） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京 100083 2） 洛阳利尔耐火材料有限公司洛阳 471023 摘 要 通过现场实验研究了中间包吹氩位置和氩气流量对钢水洁净度的影响重点探讨了在注流区吹氩对钢水洁净度的 影响．结果表明：在 Ｔ型中间包注流区内进行合适流量吹氩可提高钢水洁净度在浇铸区拐角处和塞棒附近吹氩对钢水洁净 度没有明显的影响；在注流区内吹氩合适的氩气流量为 6Ｌ·ｍｉｎ －1与不吹氩相比钢中总氧降低率和夹杂物的去除率均可提 高 10％左右但 15Ｌ·ｍｉｎ －1的大流量吹氩将会显著增加钢中总氧和大型夹杂物数量．分析认为：注流区内大的湍流强度可将 氩气泡击碎成弥散小气泡大量小气泡在钢液中上浮不但提高了气泡捕捉夹杂物的概率而且增加了夹杂物之间的碰撞机 会其结果是增大了夹杂物的粒径促进了夹杂物的上浮去除；同时注流区离水口距离最远在注流区吹氩碰撞长大的夹杂 物有更长的时间上浮排出．以上两个因素的共同作用使得在注流区吹氩对去除钢水夹杂物有显著效果． 关键词 炼钢；中间包；吹氩；夹杂物；洁净度 分类号 ＴＦ703∙5 Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｒｅｍｏｖａｌｉｎａｔｕｎｄｉｓｈｗｉｔｈａｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇ ＦＥＮＧＷｅｎ-ｘｉａｎｇ 12）ＣＨＥＮＷｅｉ-ｑｉｎｇ 1）ＺＨＡＯＪｉ-ｚｅｎｇ 2） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＬｕｏｙａｎｇＬｉｒｒＲｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｕｏｙａｎｇ471023Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇｓｉｔｅａｎｄａｒｇｏｎｆｌｏｗｒａｔｅｉｎａｔｕｎｄｉｓｈｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒａｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇｉｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗａｒｅａｏｎ ｓｔｅｅｌｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｆｉｅｌｄｔｅｓｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｕｂｂｌｉｎｇａｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗａｒｅａｗｉｔｈｓｕｉｔａｂｌｅａｒｇｏｎｆｌｏｗｃａｎｉｍｐｒｏｖｅ ｓｔｅｅｌｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓｗｈｉｌｅｂｕｂｂｌｉｎｇａｔｔｈｅｃｏｒｎｅｒｓｉｔｅｉｎｃａｓｔｉｎｇａｒｅａａｎｄｎｅａｒｂｙｔｈｅｓｔｏｐｐｅｒｈａｓｎｏｏｂｖｉｏｕｓｅｆｆｅｃｔｏｎｓｔｅｅｌｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅａｒｇｏｎｆｌｏｗｒａｔｅｉｓ6Ｌ·ｍｉｎ －1ｗｈｅｎｐｕｒｇｉｎｇａｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗａｒｅａａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｎｏａｒｇｏｎｂｕｂｂｌｉｎｇｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｏｆｔｏ- ｔａｌｏｘｙｇｅｎａｎｄｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｓｔｅｅｌｃａｎｂｅｄｅｃｒｅａｓｅｄａｂｏｕｔ10％．Ｂｕｔｌａｒｇｅａｒｇｏｎｆｌｏｗｗｉｔｈ15Ｌ·ｍｉｎ －1ｗｉｌｌｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｏｔａｌｏｘｙ- ｇｅｎａｎｄｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｓｔｅｅｌ．Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｒｅｍｏｖａｌｉｎｔｈｅａｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇｔｕｎｄｉｓｈｍａｙｂｅｅｘｐｌａｉｎｅｄａｓｔｈａｔｗｈｅｎａｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇａｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｆｌｏｗａｒｅａｂｕｂｂｌｅｓｗｉｌｌｂｅｓｍａｓｈｅｄｉｎｔｏａｓｍａｌｌｅｒｓｉｚｅｂｙｔｈｅｓｔｒｏｎｇｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｉｆｆｕｓｉｖｅｂｕｂｂｌｅｓｉｎｍｏｌｔｅｎ ｓｔｅｅｌｎｏｔｏｎｌｙａｃｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｂｕｔａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｂｕｂｂｌｅｓｔｏｃａｐｔｕｒｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔ ｉｎｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｚｅａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｆｌｏａｔｉｎｇｕｐａｎｄｂｅｉｎｇｒｅｍｏｖｅｄ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｉｎｊｅｃ- ｔｉｏｎｆｌｏｗａｒｅａｔｏｔｈｅｔｕｎｄｉｓｈｎｏｚｚｌｅｉｓｔｈｅｌｏｎｇｅｓｔａｎｄｗｈｅｎａｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇａｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗａｒｅａｔｈｅｇｒｏｗｎ-ｕｐｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｈａｖｅｔｈｅｌｏｎ- ｇｅｓｔｔｉｍｅｔｏｂｅｒｅｍｏｖｅｄｆｒｏｍｓｔｅｅｌ．Ｔｈｅｓｅｔｗｏｆａｃｔｏｒｓｍａｋｅｐｕｒｇｉｎｇａｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗａｒｅａｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｒｅｍｏｖａｌ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ；ｔｕｎｄｉｓｈ；ａｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇ；ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ；ｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓ 收稿日期：2009--08--03 基金项目：科技部科技创新基金资助项目 （Ｎｏ．08Ｃ26214101050） 作者简介：丰文祥 （1972－ ）男博士研究生；陈伟庆 （1951－ ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｗｑｃｈｅｎ．ｕｓｔｂ＠163．ｃｏｍ 基于促进夹杂物 “碰撞－聚合－长大－上浮－ 去除 ”原理钢水吹氩气搅拌是一种行之有效的方 法并在钢包中取得了广泛应用．有关中间包吹氩 气搅拌钢水国内外学者做了很多理论、实验室和现 场实验研究在日本、德国等有一些实际应用报 道 ［1--2］．笔者进行了中间包吹氩水模型模拟实验研 究 ［3］结果表明在 Ｔ形中间包注流区吹氩有明显去 除夹杂物效果． 本文在水模型模拟实验的基础上通过现场工 业实验研究了中间包内吹氩位置和氩气流量对钢 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．04．003
,426 北京科技大学学报 第32卷 中总氧、氨含量及大样电解夹杂物和显微夹杂物的 中⑥处有效吹气面积为700mm×50mm,④处有效 影响，重点研究了注流区吹氩对钢水洁净度的影响， 吹气面积为600mm×50mm 探讨了中间包吹氩去除夹杂物的机理 ① 1实验方法 实验在国内某钢厂40六流T形方坯中间包和 62二流T形CSP薄板坯连铸中间包内进行，透气 砖结构及制作方法参看文献[4-5] 方坯中间包吹氩位置如图1所示，透气砖安装 (a) b 在挡渣墙内侧钢水注流区，其有效吹气面积为 ①冲击板：②透气砖：③挡渣墙：④中间包水口：⑤长水口 750mmX50mm,CSP中间包吹氩位置如图2所示， 图1方坯中间包吹氩位置示意图.(a)注流区俯视图：(b)注 流区侧视图 透气砖分别安装在浇注区右侧的拐角处（图中⑥ Fig 1 A ron purging site of a bloamn tundish (a)planfom at injec- 处)和水口附近的小挡坝位置（图中右侧④处），其 tion flow area (b)sile elevation at injection flow area 3 5 5 A-A A ①冲击板；②@挡渣墙：③大挡坝；④小挡坝；⑤中间包水口：⑤浇注区拐角处透气砖 图2CP中间包吹氩位置示意图 Fig 2 A rgon purging site of a CSP tundish 实验时在一个浇次的第1炉和第2炉不取样， 气流量为9Lmin,在第78炉取样；第8炉结束 待工况条件稳定后从第3炉开始提取钢包、中间包 时调节氩气流量为15Lmm,在第910炉取样； 钢水样品和俦坯样品，样品经处理后，分别检测总 第10炉结束时关闭氩气，在第1112炉取不吹氩条 氧、氮含量，并检测显微夹杂物和大样电解夹杂物， 件下的钢样. 以此评判中间包吹氩位置和氩气流量对钢水洁净度 2.1.1氩气流量对钢中总氧和氨含量的影响 的影响 对所取样品作总氧、氨含量分析，取其平均值， 结果如表1所示， 2实验结果与分析 由表1可见：(1)在氩气流量小于9Lmm时， 2.1氩气流量对钢水洁净度的影响 从钢包到中间包到俦坯，钢中总氧含量呈降低趋势， 实验在方坯中间包内进行，冶炼钢种为低碳铝 而氮含量呈升高趋势，(2)在不吹氩气时，从钢包到 镇静钢Q215B采用铝锰铁脱氧合金化，LF精炼结 铸坯钢中总氧含量减少25.5%；随着氩气流量增 束用钙硅合金处理后进行连铸.开浇时开通氩气， 大，钢中总氧含量降低，当氩气流量为6Lmn时， 调节氩气流量为3L~mm,并保持通气状态，第12 钢中总氧含量减少率达到34.2%，比不吹氩时总氧 炉不取样，从第3炉开始到第12炉从精炼结束后的 含量减少率提高了约10%；其后随着氩气流量增 钢包和中间包五、六流之间提取钢水样品，从六流铸 大，钢中总氧含量减少率降低，当氩气流量为 坯上提取硫印样.氩气流量为3L·mm时在浇铸 15Lmin时，钢水总氧含量反而增大了31.9%. 第34炉时取样；第4炉结束时调节氩气流量为 (3)氩气流量与钢中氮含量的增加率之间没有明显 6Lmm,在第56炉取样；第6炉结束时调节氩 规律
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 中总氧、氮含量及大样电解夹杂物和显微夹杂物的 影响重点研究了注流区吹氩对钢水洁净度的影响 探讨了中间包吹氩去除夹杂物的机理． 1 实验方法 实验在国内某钢厂 40ｔ六流 Ｔ形方坯中间包和 62ｔ二流 Ｔ形 ＣＳＰ薄板坯连铸中间包内进行透气 砖结构及制作方法参看文献 ［4--5］． 方坯中间包吹氩位置如图 1所示透气砖安装 在挡渣墙内侧钢水注流区其有效吹气面积为 750ｍｍ×50ｍｍ．ＣＳＰ中间包吹氩位置如图 2所示 透气砖分别安装在浇注区右侧的拐角处 （图中⑥ 处 ）和水口附近的小挡坝位置 （图中右侧④处 ）其 中⑥处有效吹气面积为 700ｍｍ×50ｍｍ④处有效 吹气面积为 600ｍｍ×50ｍｍ． ①冲击板；②透气砖；③挡渣墙；④中间包水口；⑤长水口 图 1 方坯中间包吹氩位置示意图．（ａ） 注流区俯视图；（ｂ） 注 流区侧视图 Ｆｉｇ．1 Ａｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇｓｉｔｅｏｆａｂｌｏｏｍｔｕｎｄｉｓｈ：（ａ）ｐｌａｎｆｏｒｍａｔｉｎｊｅｃ- ｔｉｏｎｆｌｏｗａｒｅａ；（ｂ） ｓｉｄｅｅｌｅｖａｔｉｏｎａｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗａｒｅａ ①冲击板；②挡渣墙；③大挡坝；④小挡坝；⑤中间包水口；⑥浇注区拐角处透气砖 图 2 ＣＳＰ中间包吹氩位置示意图 Ｆｉｇ．2 ＡｒｇｏｎｐｕｒｇｉｎｇｓｉｔｅｏｆａＣＳＰｔｕｎｄｉｓｈ 实验时在一个浇次的第 1炉和第 2炉不取样 待工况条件稳定后从第 3炉开始提取钢包、中间包 钢水样品和铸坯样品样品经处理后分别检测总 氧、氮含量并检测显微夹杂物和大样电解夹杂物 以此评判中间包吹氩位置和氩气流量对钢水洁净度 的影响． 2 实验结果与分析 2∙1 氩气流量对钢水洁净度的影响 实验在方坯中间包内进行冶炼钢种为低碳铝 镇静钢 Ｑ215Ｂ采用铝锰铁脱氧合金化ＬＦ精炼结 束用钙硅合金处理后进行连铸．开浇时开通氩气 调节氩气流量为3Ｌ·ｍｉｎ －1并保持通气状态第1、2 炉不取样从第 3炉开始到第 12炉从精炼结束后的 钢包和中间包五、六流之间提取钢水样品从六流铸 坯上提取硫印样．氩气流量为 3Ｌ·ｍｉｎ －1时在浇铸 第 3、4炉时取样；第 4炉结束时调节氩气流量为 6Ｌ·ｍｉｎ －1在第 5、6炉取样；第 6炉结束时调节氩 气流量为 9Ｌ·ｍｉｎ －1在第 7、8炉取样；第 8炉结束 时调节氩气流量为 15Ｌ·ｍｉｎ －1在第 9、10炉取样； 第 10炉结束时关闭氩气在第 11、12炉取不吹氩条 件下的钢样． 2∙1∙1 氩气流量对钢中总氧和氮含量的影响 对所取样品作总氧、氮含量分析取其平均值 结果如表 1所示． 由表 1可见：（1）在氩气流量小于 9Ｌ·ｍｉｎ －1时 从钢包到中间包到铸坯钢中总氧含量呈降低趋势 而氮含量呈升高趋势．（2）在不吹氩气时从钢包到 铸坯钢中总氧含量减少 25∙5％；随着氩气流量增 大钢中总氧含量降低当氩气流量为6Ｌ·ｍｉｎ －1时 钢中总氧含量减少率达到 34∙2％比不吹氩时总氧 含量减少率提高了约 10％；其后随着氩气流量增 大钢 中 总 氧 含 量 减 少 率 降 低当 氩 气 流 量 为 15Ｌ·ｍｉｎ －1时钢水总氧含量反而增大了 31∙9％． （3）氩气流量与钢中氮含量的增加率之间没有明显 规律． ·426·
第4期 丰文祥等：中间包吹氩去除钢水夹杂物 427. 表1从钢包到铸坯的钢样中总氧、氮含量（质量分数）的变化 Tabl 1 Total [O].[N]contents fromn the ldle to the billet 氩气流量/ 钢包 中包 铸坯 变化率% (mm1) T[o]h0-5 [N]/0-6 T[0]10-s [N]/0-6 T[0]A0-6 [N]A0-6 T[o] [N] 0 37.0 31.5 37.4 32.0 27.6 37.6 -25.5 +19.4 41.6 30.4 39.5 34.8 27.8 40.0 -33.1 +31.8 6 38.9 36.1 32.3 36.8 25.5 36.5 -34.2 +1.1 9 37.1 34.8 36.0 41.7 27.0 41.5 -27.0 十19.4 15 36.6 31.1 52.7 34.7 48.3 39.0 +31.9 +25.4 注：总氧含量变化率=(T[0还一T[0懈包)[0]懈包X100%,氨含量变化率=([N还一[N]懈包)N]解包X100%. 2.1.2氩气流量对钢中大样电解夹杂物含量的 不同氩气流量实验得到的大样电解夹杂物含量 影响 如表2所示 表2样品大样电解夹杂物含量（质量分数） Table2 Electmlysis inclsion contents of the smples 氩气流量(Lmn)钢包中的含量mg(10kg)-1]中包的含量九mg(10kg)-1] 铸坯的含量[mg(10kg)-1]变化率% 0 4.89 4.42 3.00 -38.69 3 4.49 4.82 2.87 -36.03 4.59 4.83 2.37 -48.24 9 4.74 4.70 3.18 -33.05 15 4.76 15.73 14.69 +208.89 注：变化率=([侠杂物坯一侠杂物台)夹杂物血×10% 由表2可见：(1)在氩气流量0~9Lmn的 片和能谱分析结果如表3所示，主要有三类氧化 条件下，从钢包到中间包到铸坯，钢水中大样电解夹 物夹杂：其中I类夹杂物是Ab03含量比较高的 杂物含量呈明显下降趋势；不吹氩时，从钢包到铸 Ab03C0类复合夹杂物，应为钙处理产物；Ⅱ 坯，钢水中电解夹杂物降低了38.69%；当氩气流量 类夹杂物为Ak03,应为钢液脱氧产物；Ⅲ类夹杂 为6Lmn时，从钢包到铸坯，钢水中电解夹杂物 物比较少，成分复杂，可能是中间包渣与钢中 降低了48.24%，与不吹氩相比，电解夹杂物去除率 Ab03C0夹杂物的反应产物，主要出现在 可提高10%左右，对比可知，当氩气流量为 15Lmm大流量吹氩的试样中，最大粒径 6Lmn时，电解夹杂物去除率与总氧降低率结果 24m,是粒径最大的一种夹杂物. 相近，比不吹氩时均提高了约10%.(2)当氩气流 (2)夹杂物粒径，不同吹氩条件下，铸坯中 量为15Lmm时，从钢包到俦坯，钢中电解夹杂物 夹杂物的种类和粒径如表4所示，在氩气流量 反而增加了208.89%，说明大流量吹氩恶化了钢水 ≤6Lmm时，铸坯中没有发现Ⅲ类夹杂物，而 质量 氩气流量为15Lmn时出现了Ⅲ类夹杂物，说 2.1.3氩气流量对显微夹杂物的影响 明Ⅲ类夹杂物可能是由于强吹氩时卷入的外来 取不吹氩、氩气流量为6Lmn和15Lmm1 夹杂物， 的铸坯样品做扫描电镜及能谱分析以确定显微夹杂 从表4还可以看到，中间包吹氩对夹杂物的粒 物的类型，用光学显微镜检测钢样中显微夹杂物粒 径也有较大影响：其中I类夹杂物粒径变化不大；对 径和数量，结果如下， 于Ⅱ类Ab03夹杂物，中间包吹氩后粒径明显变小， (1)夹杂物类型，钢中典型夹杂物的电镜照 说明吹氩有利于较大粒径的AbO3夹杂物排除
第 4期 丰文祥等： 中间包吹氩去除钢水夹杂物 表 1 从钢包到铸坯的钢样中总氧、氮含量 （质量分数 ）的变化 Ｔａｂｌｅ1 Ｔｏｔａｌ［Ｏ］ ［Ｎ］ ｃｏｎｔｅｎｔｓｆｒｏｍｔｈｅｌａｄｌｅｔｏｔｈｅｂｉｌｌｅｔ 氩气流量／ （Ｌ·ｍｉｎ－1） 钢包 中包 铸坯 变化率／％ Ｔ［Ｏ］／10－6 ［Ｎ］／10－6 Ｔ［Ｏ］／10－6 ［Ｎ］／10－6 Ｔ［Ｏ］／10－6 ［Ｎ］／10－6 Ｔ［Ｏ］ ［Ｎ］ 0 37∙0 31∙5 37∙4 32∙0 27∙6 37∙6 －25∙5 ＋19∙4 3 41∙6 30∙4 39∙5 34∙8 27∙8 40∙0 －33∙1 ＋31∙8 6 38∙9 36∙1 32∙3 36∙8 25∙5 36∙5 －34∙2 ＋1∙1 9 37∙1 34∙8 36∙0 41∙7 27∙0 41∙5 －27∙0 ＋19∙4 15 36∙6 31∙1 52∙7 34∙7 48∙3 39∙0 ＋31∙9 ＋25∙4 注：总氧含量变化率 ＝（Ｔ［Ｏ］铸坯 －Ｔ［Ｏ］钢包 ）／Ｔ［Ｏ］钢包 ×100％氮含量变化率 ＝（ ［Ｎ］铸坯 －［Ｎ］钢包 ）／［Ｎ］钢包 ×100％． 2∙1∙2 氩气流量对钢中大样电解夹杂物含量的 影响 不同氩气流量实验得到的大样电解夹杂物含量 如表 2所示． 表 2 样品大样电解夹杂物含量 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ2 Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｉｎｃｌｕｓｉｏｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓ 氩气流量／（Ｌ·ｍｉｎ－1） 钢包中的含量／［ｍｇ·（10ｋｇ） －1 ］ 中包的含量／［ｍｇ·（10ｋｇ） －1 ］ 铸坯的含量／［ｍｇ·（10ｋｇ） －1 ］ 变化率／％ 0 4∙89 4∙42 3∙00 －38∙69 3 4∙49 4∙82 2∙87 －36∙03 6 4∙59 4∙83 2∙37 －48∙24 9 4∙74 4∙70 3∙18 －33∙05 15 4∙76 15∙73 14∙69 ＋208∙89 注：变化率 ＝（ ［夹杂物 ］铸坯 －［夹杂物 ］钢包 ）／［夹杂物 ］钢包 ×100％． 由表 2可见：（1） 在氩气流量 0～9Ｌ·ｍｉｎ －1的 条件下从钢包到中间包到铸坯钢水中大样电解夹 杂物含量呈明显下降趋势；不吹氩时从钢包到铸 坯钢水中电解夹杂物降低了 38∙69％；当氩气流量 为6Ｌ·ｍｉｎ －1时从钢包到铸坯钢水中电解夹杂物 降低了 48∙24％与不吹氩相比电解夹杂物去除率 可提 高 10％ 左 右．对 比 可 知当 氩 气 流 量 为 6Ｌ·ｍｉｎ －1时电解夹杂物去除率与总氧降低率结果 相近比不吹氩时均提高了约 10％．（2） 当氩气流 量为 15Ｌ·ｍｉｎ －1时从钢包到铸坯钢中电解夹杂物 反而增加了 208∙89％说明大流量吹氩恶化了钢水 质量． 2∙1∙3 氩气流量对显微夹杂物的影响 取不吹氩、氩气流量为6Ｌ·ｍｉｎ －1和15Ｌ·ｍｉｎ －1 的铸坯样品做扫描电镜及能谱分析以确定显微夹杂 物的类型用光学显微镜检测钢样中显微夹杂物粒 径和数量结果如下． （1） 夹杂物类型．钢中典型夹杂物的电镜照 片和能谱分析结果如表 3所示．主要有三类氧化 物夹杂：其中Ⅰ类夹杂物是 Ａｌ2Ｏ3 含量比较高的 Ａｌ2Ｏ3--ＣａＯ类复合夹杂物应为钙处理产物；Ⅱ 类夹杂物为 Ａｌ2Ｏ3应为钢液脱氧产物；Ⅲ类夹杂 物 比 较 少成 分 复 杂可 能 是 中 间 包 渣 与 钢 中 Ａｌ2Ｏ3--ＣａＯ夹 杂 物 的 反 应 产 物主 要 出 现 在 15Ｌ·ｍｉｎ －1大 流 量 吹 氩 的 试 样 中最 大 粒 径 24μｍ是粒径最大的一种夹杂物． （2） 夹杂物粒径．不同吹氩条件下铸坯中 夹杂物的种类和粒径如表 4所示．在氩气流量 ≤6Ｌ·ｍｉｎ －1时铸坯中没有发现Ⅲ类夹杂物而 氩气流量为 15Ｌ·ｍｉｎ －1时出现了Ⅲ类夹杂物说 明Ⅲ类夹杂物可能是由于强吹氩时卷入的外来 夹杂物． 从表 4还可以看到中间包吹氩对夹杂物的粒 径也有较大影响：其中Ⅰ类夹杂物粒径变化不大；对 于Ⅱ类 Ａｌ2Ｏ3夹杂物中间包吹氩后粒径明显变小 说明吹氩有利于较大粒径的 Ａｌ2Ｏ3夹杂物排除． ·427·
,428 北京科技大学学报 第32卷 表3典型夹杂物SEM照片和能谐分析结果 Table 3 SEM photographs and EDAX data of typical inclusions 编号 电镜照片 最大尺寸/um 能情分析成分（质量分数） 夹杂物类型 Al,01.76.92%:Ca0,12.90%: 11 Si02,3.50%:M0,1.52%: A山，0，-Ca0复合夹泰物 Ti02,2.27%;Fe0,2.89% 21 A203,100% AL,03夹杂物 Al01,53.58%:Ca0,20.41%: Si02,14.96%:Mg0,5.17%: 24 Ti02,0.81%:Mn0,1.49%: A山203-Ca0-Si02-M:0复杂夹杂物 Fe0,3.58% 表4不同类型夹杂物的最大粒径 示，可以看出：(1)中间包吹氩对粒径较大的夹杂 Tab le 4 The largest sizes of different inclusions 物影响较大，对粒径较小的夹杂物影响不明显；(2) 氩气流量/ 夹杂物最大粒径：m 与不吹氩相比，氩气流量为6Lmm时，夹杂物单 (L.min) I I Ⅲ 位面积数量和相对指数均有降低；(3)与不吹氩相 0 9 21 比，氩气流量为15L·min时，粒径≥5m和 6 10 12 ≥0.5的夹杂物单位面积数量和相对指数均有所 15 10 14 24 增加，但对粒径≥0.1凸m的夹杂物，中间包吹氩对 它们没有明显影响 (3)单位面积夹杂物数量，对比铸坯中不同粒 以上结果表明，合适流量吹氩对大粒径夹杂物 径夹杂物的单位面积数量，并以不吹氩条件下夹杂 的去除效果更为明显，对小粒径夹杂物则没有明显 物数量指数为100，在氩气流量分别为06和 影响，但大流量吹氩将增加大粒径夹杂物的数量，恶 15L~mm条件下夹杂物数量的相对指数如表5所 化钢水质量 表5不同粒径夹杂物单位面积数量和相对指数 Table 5 Number of inclusions n unit ama of different sizes and their relative indexes 氩气流量/ 夹杂物数量mm2 相对指数 (Lmin-1) ≥5m ≥0.5m ≥0.1m ≥5m ≥0.5m ≥0.1Hm 0 1.66 483 69885 100 100 100 6 1.22 476 68000 73.5 88.2 97.3 15 1.95 497 67282 117.5 102.9 96.3 2.2中间包吹氩位置对钢水洁净度的影响 氮含量，取其平均值，结果如表6所示. 实验在CSP薄板坯中间包内进行，冶炼钢种为 表6铸坯总氧和氮含量（质量分数） 低碳铝镇静钢SPCC LF炉精炼喂铝线脱氧，结束后 Table 6 Toual [O]and [N contents of the samples 喂钙硅线，实验结果如下， 实验 T[0]A0-6 [N]A0-6 2.2.1小挡坝位置吹氩实验结果 吹氩侧 28.45 40.05 参考图2在CSP中间包右侧小挡坝位置④处 未吹氩侧 28.45 36.5 吹氩，氩气流量控制在5L~mn左右，开浇后，开 通氩气并保持通气状态，从第3炉到第10炉开始连 从表6可知，小挡坝位置吹氩对总氧含量没有 续从两流提取铸坯样，共取8炉，检测俦坯中总氧和 影响，而氨含量略有增加，说明小挡坝位置吹氩对钢
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 表 4 不同类型夹杂物的最大粒径 Ｔａｂｌｅ4 Ｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｓｉｚｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ 氩气流量／ （Ｌ·ｍｉｎ－1） 夹杂物最大粒径／μｍ Ⅰ Ⅱ Ⅲ 0 9 21 － 6 10 12 － 15 10 14 24 （3） 单位面积夹杂物数量．对比铸坯中不同粒 径夹杂物的单位面积数量并以不吹氩条件下夹杂 物数量指数 为 100在 氩 气 流 量 分 别 为 0、6和 15Ｌ·ｍｉｎ －1条件下夹杂物数量的相对指数如表 5所 示．可以看出：（1） 中间包吹氩对粒径较大的夹杂 物影响较大对粒径较小的夹杂物影响不明显；（2） 与不吹氩相比氩气流量为 6Ｌ·ｍｉｎ －1时夹杂物单 位面积数量和相对指数均有降低；（3） 与不吹氩相 比氩气流量为 15Ｌ·ｍｉｎ －1时粒径 ≥5μｍ 和 ≥0∙5μｍ的夹杂物单位面积数量和相对指数均有所 增加但对粒径≥0∙1μｍ的夹杂物中间包吹氩对 它们没有明显影响． 以上结果表明合适流量吹氩对大粒径夹杂物 的去除效果更为明显对小粒径夹杂物则没有明显 影响但大流量吹氩将增加大粒径夹杂物的数量恶 化钢水质量． 表 5 不同粒径夹杂物单位面积数量和相对指数 Ｔａｂｌｅ5 Ｎｕｍｂｅｒｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｕｎｉｔａｒｅａｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｒｅｌａｔｉｖｅｉｎｄｅｘｅｓ 氩气流量／ （Ｌ·ｍｉｎ－1） 夹杂物数量／ｍｍ－2 相对指数 ≥5μｍ ≥0∙5μｍ ≥0∙1μｍ ≥5μｍ ≥0∙5μｍ ≥0∙1μｍ 0 1∙66 483 69885 100 100 100 6 1∙22 476 68000 73∙5 88∙2 97∙3 15 1∙95 497 67282 117∙5 102∙9 96∙3 2∙2 中间包吹氩位置对钢水洁净度的影响 实验在 ＣＳＰ薄板坯中间包内进行冶炼钢种为 低碳铝镇静钢 ＳＰＣＣＬＦ炉精炼喂铝线脱氧结束后 喂钙硅线．实验结果如下． 2∙2∙1 小挡坝位置吹氩实验结果 参考图 2在 ＣＳＰ中间包右侧小挡坝位置④处 吹氩氩气流量控制在 5Ｌ·ｍｉｎ －1左右．开浇后开 通氩气并保持通气状态从第 3炉到第 10炉开始连 续从两流提取铸坯样共取 8炉检测铸坯中总氧和 氮含量取其平均值结果如表 6所示． 表 6 铸坯总氧和氮含量 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ6 Ｔｏｔａｌ［Ｏ］ ａｎｄ ［Ｎ］ ｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓ 实验 Ｔ［Ｏ］／10－6 ［Ｎ］／10－6 吹氩侧 28∙45 40∙05 未吹氩侧 28∙45 36∙5 从表 6可知小挡坝位置吹氩对总氧含量没有 影响而氮含量略有增加说明小挡坝位置吹氩对钢 ·428·
第4期 丰文祥等：中间包吹氩去除钢水夹杂物 ,429. 水洁净度的影响不明显，然而，在实验过程中观察 Bown碰撞和速度梯度碰撞的类型比较少，而Stokes 到，由于吹氩引起钢液面波动，导致吹氩侧塞棒渣线 碰撞和湍流碰撞是夹杂物碰撞长大的主要形式 位置的侵蚀要比未吹氩侧的大得多，势必影响到塞 (l)Stokes碰撞与夹杂物的排出.Stokes碰撞 棒的使用寿命，因而小挡坝位置吹氩不是一个合适 的频率函数B,如下式，显然夹杂物的密度越小、 的选择 直径越大，两颗粒粒径相差越大，碰撞机会越多. 2.2.2浇铸区拐角位置吹氩实验结果 月-2a8x(d+4.l居-引 (1) 参考图2在CSP中间包右侧位置⑥处吹氩，氩 9μ 气流量为6L~mn.开浇后，开通氩气并保持通气 式中，d山、d为夹杂物颗粒Stokes]直径，5为夹杂 状态，从第3炉至18炉连续从两流提取铸坯样，共 物质点半径，P为钢液密度，，为夹杂物密度，“为 取16炉，分别检测大样电解夹杂物含量，取其平均 钢液黏度，g为重力加速度， 值，结果如表7所示.可见，拐角处单侧位置吹氩对 在中间包吹氩条件下，可以近似认为钢液中的 钢质量没有明显影响， 氩气泡是一个颗粒，根据文献[7]，钢液中常见夹杂 表7铸坯大样电解夹杂物含量（质量分数） 物与气体的接触角均大于90°，从理论上讲，它们都 Table 7 Electmlysis inclusion contents of the sampes 容易被气泡俘获，在中间包内氩气泡比夹杂物的粒 实验 吹氩侧 未吹氩侧 径要大得多，其上浮速度也比夹杂物的运动速度要 夹杂物含量mg(10kg)1] 8.07 8.12 快，根据式(1)，上浮的氩气泡碰撞到夹杂物的频率 很大，氩气泡俘获夹杂物后，其整体的体积将变得更 3讨论 大，上浮速度也加快，将更有利于其再碰撞到其他的 夹杂物，如此反复，在氩气泡上浮排出钢液面的过程 上述实验结果表明，中间包吹氩位置和氩气流 中，将携带大量夹杂物上浮，因而提高了钢水洁 量对钢水洁净度有较大影响，以下结合水模型研究 净度 结果对工业实验结果分别进行讨论， 文献[8]给出了夹杂物与气泡的碰撞概率Pc 3.1中间包吹氩位置对去除钢水夹杂物的影响 的计算公式为： 笔者在中间包吹氩水模型实验中选用苯胺模拟 1.5 夹杂物，有机硅油模拟中间包渣，研究了中间包吹氩 P≈ 15 0R6<400(2) 去除夹杂物的效果)，在此基础上设计了本次工业 式中，Ra,为气泡的Reynols准数，d为夹杂物直 实验，其结果与水模型实验相符合，即在T型中间 径，d,为气泡直径 包注流区内吹氩去除夹杂物效果最为明显，但是水 显然，大颗粒夹杂物更容易被气泡俘获，小气泡 模型实验结果表明，与浇铸区拐角处吹氩相比，在注 更有利于俘获夹杂物颗粒，要得到小的气泡，除了 流区吹氩并不能增加钢水在中间包内的停留时间， 透气砖本身的性能和氩气流量外，将氩气泡引入到 因此分析认为在注流区内吹氩提高夹杂物去除率的 大的湍流强度钢流中是必要的，因为当气泡处于湍 主要原因是：①在注流区内吹氩，由于钢液湍流强度 流强度大的区域时，气泡周围大的波动速度梯度所 大，可得到尺寸更小的气泡，不但提高了气泡捕捉夹 产生的剪切力可将大气泡击碎成小气泡.流体湍流 杂物颗粒的概率，而且促进了夹杂物碰撞长大；②由 强度的大小可用湍流动能黏性耗散率表示，气泡 于注流区离水口较远，碰撞长大后的夹杂物有较长 尺寸随湍流强度增加而减小.对于给定湍流强度的 的时间上浮排出.具体而言，在注流区内吹氩去除 流体，气泡具有稳定的尺寸，这一尺寸定义为最大稳 夹杂物的理论分析如下， 定气泡尺寸d,如下式： 在中间包注流区吹氩，强大的钢水湍流强度可 We·o 0.6 0.4 (3) 将氩气泡击碎成弥散小气泡，细小气泡在上浮过程 中对夹杂物产生两个方面的作用：一是有利于夹杂 式中，We为临界W eberi准数，o为钢液表面张力，P 物碰撞长大；二是氩气泡可以捕捉夹杂物颗粒，并携 为钢液密度，ε为湍流动能黏性耗散率 带夹杂物颗粒一同上浮去除 可见，最大稳定气泡尺寸dm随湍流动能黏性 夹杂物之间的碰撞通常有四种形式[)，即 耗散率ε的增大而减小，即流体湍流强度越大，气泡 Brown碰撞，Stokest碰撞，速度梯度碰撞和湍流碰撞， 尺寸越小，在中间包内，只有注流区的钢流才具有 根据各碰撞的定义来看，在中间包钢液中，属于 足够大的湍流强度，因而在注流区吹氩，可以得到更
第 4期 丰文祥等： 中间包吹氩去除钢水夹杂物 水洁净度的影响不明显．然而在实验过程中观察 到由于吹氩引起钢液面波动导致吹氩侧塞棒渣线 位置的侵蚀要比未吹氩侧的大得多势必影响到塞 棒的使用寿命因而小挡坝位置吹氩不是一个合适 的选择． 2∙2∙2 浇铸区拐角位置吹氩实验结果 参考图 2在 ＣＳＰ中间包右侧位置⑥处吹氩氩 气流量为 6Ｌ·ｍｉｎ －1．开浇后开通氩气并保持通气 状态从第 3炉至 18炉连续从两流提取铸坯样共 取 16炉分别检测大样电解夹杂物含量取其平均 值结果如表 7所示．可见拐角处单侧位置吹氩对 钢质量没有明显影响． 表 7 铸坯大样电解夹杂物含量 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ7 Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｉｎｃｌｕｓｉｏｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓ 实验 吹氩侧 未吹氩侧 夹杂物含量／［ｍｇ·（10ｋｇ） －1 ］ 8∙07 8∙12 3 讨论 上述实验结果表明中间包吹氩位置和氩气流 量对钢水洁净度有较大影响．以下结合水模型研究 结果对工业实验结果分别进行讨论． 3∙1 中间包吹氩位置对去除钢水夹杂物的影响 笔者在中间包吹氩水模型实验中选用苯胺模拟 夹杂物有机硅油模拟中间包渣研究了中间包吹氩 去除夹杂物的效果 ［3］在此基础上设计了本次工业 实验其结果与水模型实验相符合即在 Ｔ型中间 包注流区内吹氩去除夹杂物效果最为明显．但是水 模型实验结果表明与浇铸区拐角处吹氩相比在注 流区吹氩并不能增加钢水在中间包内的停留时间 因此分析认为在注流区内吹氩提高夹杂物去除率的 主要原因是：①在注流区内吹氩由于钢液湍流强度 大可得到尺寸更小的气泡不但提高了气泡捕捉夹 杂物颗粒的概率而且促进了夹杂物碰撞长大；②由 于注流区离水口较远碰撞长大后的夹杂物有较长 的时间上浮排出．具体而言在注流区内吹氩去除 夹杂物的理论分析如下． 在中间包注流区吹氩强大的钢水湍流强度可 将氩气泡击碎成弥散小气泡细小气泡在上浮过程 中对夹杂物产生两个方面的作用：一是有利于夹杂 物碰撞长大；二是氩气泡可以捕捉夹杂物颗粒并携 带夹杂物颗粒一同上浮去除． 夹杂物 之 间 的 碰 撞 通 常 有 四 种 形 式 ［6］即 Ｂｒｏｗｎ碰撞Ｓｔｏｋｅｓ碰撞速度梯度碰撞和湍流碰撞． 根据各碰撞的定义来看在中间包钢液中属于 Ｂｒｏｗｎ碰撞和速度梯度碰撞的类型比较少而 Ｓｔｏｋｅｓ 碰撞和湍流碰撞是夹杂物碰撞长大的主要形式． （1） Ｓｔｏｋｅｓ碰撞与夹杂物的排出．Ｓｔｏｋｅｓ碰撞 的频率函数 βｉｊ ［6］如下式显然夹杂物的密度越小、 直径越大两颗粒粒径相差越大碰撞机会越多． βｉｊ＝ 2ｇ（ρｍ －ρｐ） 9μ π（ｄｉ＋ｄｊ） 2·｜ｒ 2 ｉ－ｒ 2 ｊ｜ （1） 式中ｄｉ、ｄｊ为夹杂物颗粒 Ｓｔｏｋｅｓ直径ｒｉ、ｒｊ为夹杂 物质点半径ρｍ 为钢液密度ρｐ为夹杂物密度μ为 钢液黏度ｇ为重力加速度． 在中间包吹氩条件下可以近似认为钢液中的 氩气泡是一个颗粒根据文献 ［7］钢液中常见夹杂 物与气体的接触角均大于 90°从理论上讲它们都 容易被气泡俘获．在中间包内氩气泡比夹杂物的粒 径要大得多其上浮速度也比夹杂物的运动速度要 快根据式 （1）上浮的氩气泡碰撞到夹杂物的频率 很大氩气泡俘获夹杂物后其整体的体积将变得更 大上浮速度也加快将更有利于其再碰撞到其他的 夹杂物如此反复在氩气泡上浮排出钢液面的过程 中将携带大量夹杂物上浮因而提高了钢水洁 净度． 文献 ［8］给出了夹杂物与气泡的碰撞概率 ＰＣ 的计算公式为： ＰＣ≈ 1∙5＋ 4Ｒｅ 0∙72 ｂ 15 · ｄｐ ｄｂ 2 0＜Ｒｅｂ＜400（2） 式中Ｒｅｂ为气泡的 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ准数ｄｐ 为夹杂物直 径ｄｂ为气泡直径． 显然大颗粒夹杂物更容易被气泡俘获小气泡 更有利于俘获夹杂物颗粒．要得到小的气泡除了 透气砖本身的性能和氩气流量外将氩气泡引入到 大的湍流强度钢流中是必要的因为当气泡处于湍 流强度大的区域时气泡周围大的波动速度梯度所 产生的剪切力可将大气泡击碎成小气泡．流体湍流 强度的大小可用湍流动能黏性耗散率 ε表示气泡 尺寸随湍流强度增加而减小．对于给定湍流强度的 流体气泡具有稳定的尺寸这一尺寸定义为最大稳 定气泡尺寸 ｄｂｍａｘ ［9］如下式： ｄｂｍａｘ＝ Ｗｅｃ·σ ρ 0∙6 · 1 ε 0∙4． （3） 式中Ｗｅｃ为临界 Ｗｅｂｅｒ准数σ为钢液表面张力ρ 为钢液密度ε为湍流动能黏性耗散率． 可见最大稳定气泡尺寸 ｄｂｍａｘ随湍流动能黏性 耗散率 ε的增大而减小即流体湍流强度越大气泡 尺寸越小．在中间包内只有注流区的钢流才具有 足够大的湍流强度因而在注流区吹氩可以得到更 ·429·
,430 北京科技大学学报 第32卷 小尺寸的氩气泡，将提高氩气泡捕捉夹杂物颗粒的 响的理论分析如下 概率，促进夹杂物颗粒的上浮去除 Yoo等研究认为[)，钢液中的气泡促进夹杂物 (2)湍流碰撞与夹杂物的排出.湍流碰撞是指 去除的速率如下式： 在湍流中速度的脉动作用于颗粒，促使它们相互碰 撞长大，碰撞的频率函数如下式： p.P (6) F(d,d)=CR (4) 式中，H为熔池深度，n,为夹杂物数量，V为液体体 式中，C为常数，为有效碰撞分率，R为两个夹杂物 积，P:为气泡与夹杂物碰撞的概率，P:为气泡与夹 的冲突半径，e为湍流动能黏性耗散率，μ为钢液的 杂物碰撞后稳定存在的概率，Q为气体流量，V为 运动黏度， 温度变化引起的气泡体积膨胀，也即式(6)中右边 可见，湍流碰撞也是夹杂物聚合长大的重要形 第1项为每个气泡的清洗体积，第2项为单位体积 式之一，湍流动能耗散率大的区域，发生湍流碰撞 内的夹杂物数量，第3项为气泡有效捕捉夹杂物的 的频率越大，在实际中间包内，钢液的性质、流速及 概率，第4项为吹气生成气泡数量，第5项为温度变 夹杂物的性质基本确定，夹杂物颗粒发生碰撞的频 化引起的气泡体积膨张 率主要取决于中间包局部湍流动能耗散率飞，越 由式(6)河可知，中间包吹氩氩气流量越大，气泡 大，发生湍流碰撞的频率越大，根据一般常识，中间 直径越小，熔池越深，则夹杂物的去除率越高·然 包注流区具有最大的湍流动能耗散率，因而在注流 而，在实际操作中，过大的氩气流量会导致钢液液面 区夹杂物发生碰撞的概率是最大的；在注流区吹氩， 裸露和卷渣，在钢液中产生外来夹杂物，如果该夹杂 将在更大程度上提高局部湍流动能耗散率，夹杂物 物不能有效上浮去除，将恶化钢水质量 发生碰撞的概率将更大，更有利于夹杂物发生碰撞 钢水吹氩发生卷渣的临界气体流量可由下 长大而排出 式计算： 根据修正的Stokes New ton.公式，钢液中夹杂物 0.35 Q=3.8X10-3 (7) 上浮速度V的理论计算公式[o为： 式中，Q为临界气体流量，Lmn;H。为吹氩位置 V= 3.03(0-9)5 u (5) 钢液深度，amom为表面张力，m;△p为钢渣密 式中，5为夹杂物质点半径. 度差，gam;0为渣密度，gm3. 可见，夹杂物的上浮速度取决于钢液的密度、黏 由式(7)可见，吹氩位置钢液深度、渣钢界面张 度及夹杂物的密度和粒径，其密度越小、粒径越大， 力及渣钢密度对临界气体流量有很大影响，对本实 夹杂物上浮速度越快.中间包内夹杂物随钢液一起 验方坯中间包来讲，已知吹氩位置H.=90m假设 流动，夹杂物的粒径长大依赖于夹杂物相互碰撞聚 6m=0.4Nm,影=7gam3,=3.0gam3,由 合，在此过程中，小夹杂物数目减少，大夹杂物数目 式(7)可计算出发生卷渣时临界氩气流量Q= 增加.在中间包注流区吹氩，将更有利于夹杂物与 10.0Lmn.本实验中，当氩气流量为15Lmm 夹杂物之间和夹杂物与气泡之间发生碰撞长大，加 时铸坯中夹杂物明显增加，特别是出现了Ⅲ类夹杂 速了夹杂物上浮的速度；同时，由于注流区与水口之 物，说明Ⅲ类夹杂物可能是由于吹氩流量过大而导 间的距离较长，在注流区吹氩，碰撞长大后的夹杂物 致中间包渣等外来夹杂物卷入到钢液中，因而，在 将有更长的时间上浮排出，以上两个因素的共同作 进行中间包吹氩时，必须要控制合适的氩气流量， 用，使得在注流区吹氩对去除钢水夹杂物有显著的 效果 4结论 3.2中间包吹氩氩气流量对去除钢水夹杂物的 (1)中间包吹氩位置对钢水夹杂物的去除有较 影响 大影响.对于本研究的T型中间包来说，在钢水注 根据上述实验结果，中间包吹氩氩气流量在0~ 流区内吹氩可提高钢水洁净度；在浇注区拐角位置 6Lmin范围内，随着氩气流量增加，夹杂物去除 和塞棒附近小挡坝位置吹氩对钢水洁净度没有明显 率提高；氩气流量在6~l5L·mm范围内，随着氩 的影响，相反，在塞棒附近小挡坝位置吹氩将加剧熔 气流量增加，夹杂物去除率降低，在15Lmn时大 渣对塞棒的侵蚀和冲刷，影响塞棒的使用寿命， 型夹杂物明显增加，氩气流量对去除钢水夹杂物影 (2)中间包吹氩氩气流量对钢水洁净度有明显
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 小尺寸的氩气泡将提高氩气泡捕捉夹杂物颗粒的 概率促进夹杂物颗粒的上浮去除． （2） 湍流碰撞与夹杂物的排出．湍流碰撞是指 在湍流中速度的脉动作用于颗粒促使它们相互碰 撞长大碰撞的频率函数 ［6］如下式： Ｆ（ｄｉｄｊ）＝ＣｆＲ 3 ε μ 1 2 （4） 式中Ｃ为常数ｆ为有效碰撞分率Ｒ为两个夹杂物 的冲突半径ε为湍流动能黏性耗散率μ为钢液的 运动黏度． 可见湍流碰撞也是夹杂物聚合长大的重要形 式之一湍流动能耗散率 ε大的区域发生湍流碰撞 的频率越大．在实际中间包内钢液的性质、流速及 夹杂物的性质基本确定夹杂物颗粒发生碰撞的频 率主要取决于中间包局部湍流动能耗散率 εε越 大发生湍流碰撞的频率越大．根据一般常识中间 包注流区具有最大的湍流动能耗散率因而在注流 区夹杂物发生碰撞的概率是最大的；在注流区吹氩 将在更大程度上提高局部湍流动能耗散率夹杂物 发生碰撞的概率将更大更有利于夹杂物发生碰撞 长大而排出． 根据修正的 Ｓｔｏｋｅｓ--Ｎｅｗｔｏｎ公式钢液中夹杂物 上浮速度 Ｖ的理论计算公式 ［10］为： Ｖ＝ 3∙03（ρｍ －ρｐ）ｒｐｇ ρｍμ 1 2 （5） 式中ｒｐ为夹杂物质点半径． 可见夹杂物的上浮速度取决于钢液的密度、黏 度及夹杂物的密度和粒径其密度越小、粒径越大 夹杂物上浮速度越快．中间包内夹杂物随钢液一起 流动夹杂物的粒径长大依赖于夹杂物相互碰撞聚 合在此过程中小夹杂物数目减少大夹杂物数目 增加．在中间包注流区吹氩将更有利于夹杂物与 夹杂物之间和夹杂物与气泡之间发生碰撞长大加 速了夹杂物上浮的速度；同时由于注流区与水口之 间的距离较长在注流区吹氩碰撞长大后的夹杂物 将有更长的时间上浮排出．以上两个因素的共同作 用使得在注流区吹氩对去除钢水夹杂物有显著的 效果． 3∙2 中间包吹氩氩气流量对去除钢水夹杂物的 影响 根据上述实验结果中间包吹氩氩气流量在0～ 6Ｌ·ｍｉｎ －1范围内随着氩气流量增加夹杂物去除 率提高；氩气流量在 6～15Ｌ·ｍｉｎ －1范围内随着氩 气流量增加夹杂物去除率降低在 15Ｌ·ｍｉｎ －1时大 型夹杂物明显增加．氩气流量对去除钢水夹杂物影 响的理论分析如下． Ｙｏｏｎ等研究认为 ［8］钢液中的气泡促进夹杂物 去除的速率如下式： － ｄｎｐ ｄｔ ＝ π 4 ｄ 2 ｂＨ ｎｐ Ｖ 3ｄｐ ｄｂ ＰｆＰｄ 6Ｑ πｄ 3 ｂ ＶＴ （6） 式中Ｈ为熔池深度ｎｐ 为夹杂物数量Ｖ为液体体 积Ｐｆ为气泡与夹杂物碰撞的概率Ｐｄ 为气泡与夹 杂物碰撞后稳定存在的概率Ｑ为气体流量ＶＴ 为 温度变化引起的气泡体积膨胀．也即式 （6）中右边 第 1项为每个气泡的清洗体积第 2项为单位体积 内的夹杂物数量第 3项为气泡有效捕捉夹杂物的 概率第 4项为吹气生成气泡数量第 5项为温度变 化引起的气泡体积膨胀． 由式 （6）可知中间包吹氩氩气流量越大气泡 直径越小熔池越深则夹杂物的去除率越高．然 而在实际操作中过大的氩气流量会导致钢液液面 裸露和卷渣在钢液中产生外来夹杂物如果该夹杂 物不能有效上浮去除将恶化钢水质量． 钢水吹氩发生卷渣的临界气体流量可由下 式 ［11］计算： Ｑｃｒ＝3∙8×10 －3Ｈ 1∙80 ｍ σＩＴΔρ ρｓ 0∙35 （7） 式中Ｑｃｒ为临界气体流量Ｌ·ｍｉｎ －1；Ｈｍ 为吹氩位置 钢液深度ｃｍ；σＩＴ为表面张力Ｎ·ｍ －1；Δρ为钢渣密 度差ｇ·ｃｍ －3；ρｓ为渣密度ｇ·ｃｍ －3． 由式 （7）可见吹氩位置钢液深度、渣钢界面张 力及渣钢密度对临界气体流量有很大影响．对本实 验方坯中间包来讲已知吹氩位置 Ｈｍ ＝90ｃｍ假设 σＩＴ＝0∙4Ｎ·ｍ －1ρ钢 ＝7ｇ·ｃｍ －3ρ渣 ＝3∙0ｇ·ｃｍ －3由 式 （7）可计算出发生卷渣时临界氩气流量 Ｑｃｒ＝ 10∙0Ｌ·ｍｉｎ －1．本实验中当氩气流量为 15Ｌ·ｍｉｎ －1 时铸坯中夹杂物明显增加特别是出现了Ⅲ类夹杂 物说明Ⅲ类夹杂物可能是由于吹氩流量过大而导 致中间包渣等外来夹杂物卷入到钢液中．因而在 进行中间包吹氩时必须要控制合适的氩气流量． 4 结论 （1） 中间包吹氩位置对钢水夹杂物的去除有较 大影响．对于本研究的 Ｔ型中间包来说在钢水注 流区内吹氩可提高钢水洁净度；在浇注区拐角位置 和塞棒附近小挡坝位置吹氩对钢水洁净度没有明显 的影响相反在塞棒附近小挡坝位置吹氩将加剧熔 渣对塞棒的侵蚀和冲刷影响塞棒的使用寿命． （2） 中间包吹氩氩气流量对钢水洁净度有明显 ·430·
第4期 丰文祥等：中间包吹氩去除钢水夹杂物 ,431. 影响.在本研究条件下，合适的氩气流量为6L· (丰文祥，陈伟庆，赵继增.中间包吹氩去除夹杂物的模拟研 mn,与不吹氩相比，在注流区内吹氩，钢中总氧含 究.钢铁，200944(10)：21) [4]Feng W X.Zhao JZ Chen W Q.et al One Kind of Tundish 量的降低和夹杂物的去除率均可提高10%左右；然 Purging Dam:China Patent ZL200520142243 5.2005-12-01 而15Lmn大流量吹氩将会明显增加钢中总氧含 (丰文祥，赵继增，陈伟庆，等。一种中间包吹气式挡坝：中 量和夹杂物数量， 国专利，ZI200520142243.52005-12-01) (3)中间包吹氩去除夹杂物与Stokes碰撞和湍 [5]Feng W X.Chen W Q.Zhao JZ Properties ofAbOs based per 流碰撞有关，在注流区内吹氩，强大的湍流强度可把 meable pomous purging plug made by casting Refractories 2009, 氩气泡击碎成弥散细小气泡，大量弥散小气泡在钢 43(3):218 液中上浮，不但增加了夹杂物之间的碰撞概率，而且 (律文祥，陈伟庆，赵继增·浇注成型刚玉质弥散型透气砖的 性能研究.耐火材料，200943(3)：218) 增加了夹杂物与气泡之间的碰撞概率，其结果是增 [6]Saffnan PG.Tumer J S On the collision of dmops in tudbulent 大了夹杂物的粒径，促进了夹杂物的上浮去除 clouds J Fli Mech 1956,1.16 (4)中间包注流区离水口的距离最远，在注流 [7]WeiP.UauraK I KoyanaS Cold mol experinent on entmap- 区吹氩使得碰撞长大后的夹杂物有较长的时间上浮 ment of inclusions n steel by insert gas Tetsu-toHagane 1992 78.1361 排出，去除夹杂物效果更为明显 [8]Yoon R H.LuttrellG H.The effect of bubble size on fine particle 参考文献 flotation M iner Pmcess ExtrMetallRev 1989.5.101 [9]EvansG M.Jameson G J Atkinson B W.Prediction of the bubble [1]MarqueC Dony A.Nyssen P.The bubbling of nter gas in the size generated by a phnging liquid jet bubble cohmn Chan Eng tundish a means to ipmove the steel elanliness//Stcemaking Sci199247:3265 Conference Pmceeding Pennsylvania 1990,461 [10]Himyuki Ryoji N.Ryusuke M.Technology for cleaning of [2]BrooksG A.SetiadhamajiW.Bubbling in a tundish/Steemak- molten steel in tundish IJ Int 1994.34(11):868 ing Conference Pmceeding Pennsylvania 1997:655 [11]Kin SH.Fnuehan R J Guthrie R IL Physicalmodel studies of [3]Feng W X.Chen W Q.Zhao JZ Watermodel study on inchision slag /metal meactions n gas stired adks detem nation of eritical mmoval in tundish with aron bubbling Iron Stcel 2009.44 gas flow rate Iron Steemaker 1993 20(11):71 (10):21
第 4期 丰文祥等： 中间包吹氩去除钢水夹杂物 影响．在本研究条件下合适的氩气流量为 6Ｌ· ｍｉｎ －1与不吹氩相比在注流区内吹氩钢中总氧含 量的降低和夹杂物的去除率均可提高 10％左右；然 而 15Ｌ·ｍｉｎ －1大流量吹氩将会明显增加钢中总氧含 量和夹杂物数量． （3） 中间包吹氩去除夹杂物与 Ｓｔｏｋｅｓ碰撞和湍 流碰撞有关在注流区内吹氩强大的湍流强度可把 氩气泡击碎成弥散细小气泡大量弥散小气泡在钢 液中上浮不但增加了夹杂物之间的碰撞概率而且 增加了夹杂物与气泡之间的碰撞概率其结果是增 大了夹杂物的粒径促进了夹杂物的上浮去除． （4） 中间包注流区离水口的距离最远在注流 区吹氩使得碰撞长大后的夹杂物有较长的时间上浮 排出去除夹杂物效果更为明显． 参 考 文 献 ［1］ ＭａｒｉｑｕｅＣＤｏｎｙＡＮｙｓｓｅｎＰ．Ｔｈｅｂｕｂｂｌｉｎｇｏｆｉｎｔｅｒｇａｓｉｎｔｈｅ ｔｕｎｄｉｓｈａｍｅａｎｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｅｅｌｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓ∥ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ．Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ1990：461 ［2］ ＢｒｏｏｋｓＧＡＳｅｔｉａｄｈａｒｍａｊｉＷ．Ｂｕｂｂｌｉｎｇｉｎａｔｕｎｄｉｓｈ∥Ｓｔｅｅｌｍａｋ- ｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ．Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ1997：655 ［3］ ＦｅｎｇＷ ＸＣｈｅｎＷ ＱＺｈａｏＪＺ．Ｗａｔｅｒｍｏｄｅｌｓｔｕｄｙｏｎｉｎｃｌｕｓｉｏｎ ｒｅｍｏｖａｌｉｎｔｕｎｄｉｓｈｗｉｔｈａｒｇｏｎｂｕｂｂｌｉｎｇ．ＩｒｏｎＳｔｅｅｌ200944 （10）：21 （丰文祥陈伟庆赵继增．中间包吹氩去除夹杂物的模拟研 究．钢铁200944（10）：21） ［4］ ＦｅｎｇＷ ＸＺｈａｏＪＺＣｈｅｎＷ Ｑｅｔａｌ．ＯｎｅＫｉｎｄｏｆＴｕｎｄｉｓｈ ＰｕｒｇｉｎｇＤａｍ：ＣｈｉｎａＰａｔｅｎｔＺＬ200520142243．5．2005--12--01 （丰文祥赵继增陈伟庆等．一种中间包吹气式挡坝：中 国专利ＺＬ200520142243．5．2005--12--01） ［5］ ＦｅｎｇＷ ＸＣｈｅｎＷ ＱＺｈａｏＪＺ．ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡｌ2Ｏ3-ｂａｓｅｄｐｅｒ- ｍｅａｂｌｅｐｏｒｏｕｓｐｕｒｇｉｎｇｐｌｕｇｍａｄｅｂｙｃａｓｔｉｎｇ．Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ2009 43（3）：218 （丰文祥陈伟庆赵继增．浇注成型刚玉质弥散型透气砖的 性能研究．耐火材料200943（3）：218） ［6］ ＳａｆｆｍａｎＰＧＴｕｒｎｅｒＪＳ．Ｏｎｔｈｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｏｆｄｒｏｐｓｉｎｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｃｌｏｕｄｓ．ＪＦｌｕｉｄＭｅｃｈ19561：16 ［7］ ＷｅｉＰＵｅｍｕｒａＫＩＫｏｙａｍａＳ．Ｃｏｌｄｍｏｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｅｎｔｒａｐ- ｍｅｎｔｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｓｔｅｅｌｂｙｉｎｓｅｒｔｇａｓ．Ｔｅｔｓｕ-ｔｏ-Ｈａｇａｎé1992 78：1361 ［8］ ＹｏｏｎＲＨＬｕｔｔｒｅｌｌＧＨ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｂｕｂｂｌｅｓｉｚｅｏｎｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｌｏｔａｔｉｏｎ．ＭｉｎｅｒＰｒｏｃｅｓｓＥｘｔｒＭｅｔａｌｌＲｅｖ19895：101 ［9］ ＥｖａｎｓＧＭＪａｍｅｓｏｎＧＪＡｔｋｉｎｓｏｎＢＷ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｕｂｂｌｅ ｓｉｚｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙａｐｌｕｎｇｉｎｇｌｉｑｕｉｄｊｅｔｂｕｂｂｌｅｃｏｌｕｍｎ．ＣｈｅｍＥｎｇ Ｓｃｉ199247：3265 ［10］ ＨｉｒｏｙｕｋｉＴＲｙｏｊｉＮＲｙｕｓｕｋｅＭ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｃｌｅａｎｉｎｇｏｆ ｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌｉｎｔｕｎｄｉｓｈ．ＩＳＩＪＩｎｔ199434（11）：868 ［11］ ＫｉｍＳＨＦｒｕｅｈａｎＲＪＧｕｔｈｒｉｅＲＩＬ．Ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｔｕｄｉｅｓｏｆ ｓｌａｇ／ｍｅｔａｌｒｅａｃｔｉｏｎｓｉｎｇａｓｓｔｉｒｒｅｄｌａｄｌｅｓ：ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｒｉｔｉｃａｌ ｇａｓｆｌｏｗｒａｔｅ．ＩｒｏｎＳｔｅｅｌｍａｋｅｒ199320（11）：71 ·431·