吴华杰等：基于PV技术的钢包临界卷渣行为水模型研究 ·641 0.030 2.1.2油的黏度对临界卷渣速度的影响 一一硅油100CS 对实验条件下不同种类油的临界卷渣气量与临界 0.025 卷渣度进行比较，并对临界卷渣速度值进行线性拟合， 0.020 结果如图7所示. 经拟合后关系式如式(2)所示，其中临界速度V 0.015 单位为ms,运动黏度7的单位为m2s,2为拟合 关系式的相关系数. 0.00 V=73.9n+0.0096,r2=0.997. (2) 0.005 从图7中可以看出，随着黏度的增加，临界卷渣气 量和临界卷渣速度不断增大，且运动黏度与临界卷渣 0650051.015202530354.0 速度之间近似为直线关系.所以，黏度对卷渣是有抑制 时间s 作用的，当钢渣的黏度值较大时，钢渣界面处受剪切流 图5测试点处速度变化 动产生的渣层运动受到的抑制作用也更大，渣滴的形 Fig.5 Velocity change at the test point 成也更加困难 0.014 ▲一硅油50CS 0.05 ▲一硅油350S 0.012 0.04 三0.010 0.008 0.02 0.006 0.01 1.004 -0.5 00.51.01.52.02.53.03.54.0 96500.51.0152.025303540 时间s 时间s 图6硅油50CS(a)和硅油350CS(b)测试点处速度变化 Fig.6 Velocity change at the test point for silicone oil 50CS (a)and silicone oil 350CS (b) 0.04 2000 述了由于界面附近流动造成的一种界面非稳态情况， 1800 并给出非稳态速度方程四： 1600 临界气量实验值 (3) z0.03 浅井滋生认为，当钢液流提供给液滴的动能大于 800 生成液滴所需要的界面能和渣滴的浮力功之和时才能 写0.02 临界速度拟合直线 60蓝 发生卷渣现象⑦.由此推导出如下公式： 400 (4) 200 0.01 0.51.01.52.02.53.0 3.5 奥特斯指出，当钢液流的惯性力大于钢渣界面的 硅油运动黏度/(10m2·%) 界面张力与渣的浮力之和时，渣层的下边界形成渣滴， 图7不同黏度硅油临界速度和临界气量 开始卷入钢液国.由此可以得到临界卷渣速度公式为 Fig.7 Critical velocity and gas flow of slag entrapment in differen (5) kinematic viscosity of silicone oils 3pa 式(3)~(5)中：V为临界卷渣速度，ms1:△p为炉渣 2.2讨论 和钢液的密度差，kg·m3;σ为炉渣和钢液界面张力， 2.2.1实验测试结果与临界卷渣理论公式的比较 Nm;g为重力加速度，ms2pu为炉渣密度，kg· 关于临界卷渣速度公式，开尔文一亥姆霍兹、浅井 m3:为渣滴浮力与界面张力的夹角. 滋生、奥特斯等进行过理论推导.开尔文一亥姆霍兹描 水模型不同类型硅油对应的临界卷渣速度与对应吴华杰等: 基于 PIV 技术的钢包临界卷渣行为水模型研究 图 5 测试点处速度变化 Fig． 5 Velocity change at the test point 2. 1. 2 油的黏度对临界卷渣速度的影响 对实验条件下不同种类油的临界卷渣气量与临界 卷渣度进行比较，并对临界卷渣速度值进行线性拟合， 结果如图 7 所示． 经拟合后关系式如式( 2) 所示，其中临界速度 Vcr 单位为 m·s － 1，运动黏度 η 的单位为 m2 ·s － 1，r 2 为拟合 关系式的相关系数． Vcr = 73. 9η + 0. 0096，r 2 = 0. 997． ( 2) 从图 7 中可以看出，随着黏度的增加，临界卷渣气 量和临界卷渣速度不断增大，且运动黏度与临界卷渣 速度之间近似为直线关系． 所以，黏度对卷渣是有抑制 作用的，当钢渣的黏度值较大时，钢渣界面处受剪切流 动产生的渣层运动受到的抑制作用也更大，渣滴的形 成也更加困难． 图 6 硅油 50CS ( a) 和硅油 350CS ( b) 测试点处速度变化 Fig． 6 Velocity change at the test point for silicone oil 50CS ( a) and silicone oil 350CS ( b) 图 7 不同黏度硅油临界速度和临界气量 Fig． 7 Critical velocity and gas flow of slag entrapment in different kinematic viscosity of silicone oils 2. 2 讨论 2. 2. 1 实验测试结果与临界卷渣理论公式的比较 关于临界卷渣速度公式，开尔文--亥姆霍兹、浅井 滋生、奥特斯等进行过理论推导． 开尔文--亥姆霍兹描 述了由于界面附近流动造成的一种界面非稳态情况， 并给出非稳态速度方程［12］: Vcr [ ( = 2 1 + ρsl ρ ) ] st 1 / ( 2 σgΔρ ρ 2 ) sl 1 /4 ． ( 3) 浅井滋生认为，当钢液流提供给液滴的动能大于 生成液滴所需要的界面能和渣滴的浮力功之和时才能 发生卷渣现象［7］． 由此推导出如下公式: Vcr [ = 48gσΔρ ρ 2 ] sl 1 /4 ． ( 4) 奥特斯指出，当钢液流的惯性力大于钢渣界面的 界面张力与渣的浮力之和时，渣层的下边界形成渣滴， 开始卷入钢液［13］． 由此可以得到临界卷渣速度公式为 Vcr [ = 128gσΔρcosα 3ρ 2 ] sl 1 /4 ． ( 5) 式( 3) ～ ( 5) 中: Vcr为临界卷渣速度，m·s － 1 ; Δρ 为炉渣 和钢液的密度差，kg·m － 3 ; σ 为炉渣和钢液界面张力， N·m － 1 ; g 为重力加速度，m·s － 2 ; ρsl 为炉渣密度，kg· m － 3 ; α 为渣滴浮力与界面张力的夹角． 水模型不同类型硅油对应的临界卷渣速度与对应 · 146 ·