张国磊等：真空条件下钢液脱气过程的模拟研究 3· 氩气气泡表面反应、溶池表面反应以及内部脱气 10 反应，eq表示平衡状态. 在负压或搅拌实验条件下，水溶液中溶解氧 的脱氧反应为 7 [02]→02(g) (4) ---P=101kPa 由上式可知，水中溶解氧的释放过程为表观 5 -P.=15 kPa 一级反应，其脱气反应的速率表达式为 4 8 -a-Co,-Goal） 3 (5) dt 水溶液的脱气速率通常是由体积传质系数 0306090120150180210240 Time/min k4来评价，可通过积分公式(5)将其表达为 图2负压下溶解氧随时间的变化 -In CDO.:-CDO.eq k-A (6) Fig.2 Variation of dissolved oxygen concentration with time under CDo.0-CDo.eq V vacuum pressure 本实验通过考察真空压力、氩气流量等参数 图3观察了不同负压下溶氧仪探头表面和局 对水中溶解氧去除速率的影响展开研究.实验开 部容器壁面的情况.从图中可看出，当负压为75kPa 始前，每组实验的水位深度均为0.38m,向室温的 时，在溶氧仪探头表面会观察到极少的小气泡的 水溶液中注入O2,使水中的溶解氧浓度达到预设 析出；随着压力进一步降低，虽然会在测氧探头表 值(9.0-0.2)mgL,然后，将注入的气体转换成氩 气以除去未溶解的O2分子.实验开始后，打开真 面开始出现较多的小气泡，但基本不发生小气泡 空泵抽真空，调节气体控制阀控制氩气流量；在此 脱离壁面的现象；当压力下降至25kPa,在测氧探 期间，溶氧仪每隔10s可测得并记录一次溶解氧 头和容器壁面开始迅速析出小气泡，随着脱气时 浓度的读数，压力计可以实时记录容器内部压力 间延长，析出的气泡开始不断长大，在600s后，气 的变化，数码相机可拍摄测氧探头和反应器壁面 泡已长大到一定程度，开始脱离探头表面或溶池 上析出的气泡，直至实验结束 壁面.这一现象与以往钢液脱气数学模型假设的 内部反应位点的脱气过程，20非常相似，即在真 2结果与讨论 空条件下，熔池内部非均质形核的脱气反应发生 2.1内部脱气反应位点的存在 在耐火材料表面或真空室钢液表面以下很小范围内 在纯负压无吹氩条件下，脱气反应仅可能发 生在溶池自由表面和内部反应位点，此时水中 DO浓度的变化情况如图2所示.图中的“虚线”表 明常压下溶池自由表面的脱气速率很小，DO在常 00 压下基本无法去除.当真空负压为l5kPa时，DO 质量浓度在240min内可从8.66mgL降低至 6.66mgL,平均脱气速率约为0.5mgLh.此 005 00: 时，除了发生自由表面脱气外，很可能存在着溶池 内部脱气反应.其依据为在氧-水体系中，当水溶 液上方的压力低于一定值时，DO的饱和蒸气压和 300s 1200 分压之和大于大气压、毛细管压力以及表面张力 d 引起的静压之和时，溶解的气体分子就会析出， 即发生内部脱气的条件为 Pv+Pg≥Po+Pgh+2cr (7) 9s 25 其中，P、P。分别为液态水饱和蒸汽分压和溶解氧 图3不同压力下溶氧仪探头表面气泡的析出过程.(a)P,=101kPa; 的分压，Pa;Po为标准大气压力，Pa;p为液态水的 (b)P,=75 kPa;(c)P,=50 kPa;(d)P,=25 kPa Fig.3 Bubble precipitation process from the surface of DO probe with 密度，kgm3;g为重力加速度，ms2:σ为液态水表 different vacuum pressures:(a)P.101 kPa;(b)P.=75 kPa;(c)P. 面张力，Nm;r为内生气泡的临界形核半径，m 50 kPa;(d)Py=25 kPa氩气气泡表面反应、溶池表面反应以及内部脱气 反应，eq 表示平衡状态. 在负压或搅拌实验条件下，水溶液中溶解氧 的脱氧反应为 [O2] → O2(g) （4） 由上式可知，水中溶解氧的释放过程为表观 一级反应，其脱气反应的速率表达式为 − dCDO dt = k · A V · ( CDO,t −CDO,eq) （5） 水溶液的脱气速率通常是由体积传质系数 k·A·V−1 来评价，可通过积分公式（5）将其表达为 −ln( CDO,t −CDO,eq CDO,0 −CDO,eq ) = k · A V ·t （6） 本实验通过考察真空压力、氩气流量等参数 对水中溶解氧去除速率的影响展开研究. 实验开 始前，每组实验的水位深度均为 0.38 m，向室温的 水溶液中注入 O2，使水中的溶解氧浓度达到预设 值（9.0±0.2）mg·L −1，然后，将注入的气体转换成氩 气以除去未溶解的 O2 分子. 实验开始后，打开真 空泵抽真空，调节气体控制阀控制氩气流量；在此 期间，溶氧仪每隔 10 s 可测得并记录一次溶解氧 浓度的读数，压力计可以实时记录容器内部压力 的变化，数码相机可拍摄测氧探头和反应器壁面 上析出的气泡，直至实验结束. 2    结果与讨论 2.1    内部脱气反应位点的存在 在纯负压无吹氩条件下，脱气反应仅可能发 生在溶池自由表面和内部反应位点 ，此时水中 DO 浓度的变化情况如图 2 所示. 图中的“虚线”表 明常压下溶池自由表面的脱气速率很小，DO 在常 压下基本无法去除. 当真空负压为 15 kPa 时 ，DO 质量浓度 在 240  min 内 可 从 8.66  mg·L −1 降 低 至 6.66 mg·L −1，平均脱气速率约为 0.5 mg·L −1 ·h −1 . 此 时，除了发生自由表面脱气外，很可能存在着溶池 内部脱气反应. 其依据为在氧−水体系中，当水溶 液上方的压力低于一定值时，DO 的饱和蒸气压和 分压之和大于大气压、毛细管压力以及表面张力 引起的静压之和时，溶解的气体分子就会析出[19] ， 即发生内部脱气的条件为 Pv + Pg ⩾ P0 + ρgh+2σ/r （7） ρ σ 其中，Pv、Pg 分别为液态水饱和蒸汽分压和溶解氧 的分压，Pa；P0 为标准大气压力，Pa； 为液态水的 密度，kg·m 3 ；g 为重力加速度，m·s −2 ； 为液态水表 面张力，N·m −1 ；r 为内生气泡的临界形核半径，m. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 0 30 60 90 120 Time/min DO concentration/(mg·L−1 ) Pv=101 kPa Pv=15 kPa 150 180 210 240 图 2    负压下溶解氧随时间的变化 Fig.2     Variation  of  dissolved  oxygen  concentration  with  time  under vacuum pressure 图 3 观察了不同负压下溶氧仪探头表面和局 部容器壁面的情况. 从图中可看出，当负压为 75 kPa 时，在溶氧仪探头表面会观察到极少的小气泡的 析出；随着压力进一步降低，虽然会在测氧探头表 面开始出现较多的小气泡，但基本不发生小气泡 脱离壁面的现象；当压力下降至 25 kPa，在测氧探 头和容器壁面开始迅速析出小气泡，随着脱气时 间延长，析出的气泡开始不断长大，在 600 s 后，气 泡已长大到一定程度，开始脱离探头表面或溶池 壁面. 这一现象与以往钢液脱气数学模型假设的 内部反应位点的脱气过程[10,20] 非常相似，即在真 空条件下，熔池内部非均质形核的脱气反应发生 在耐火材料表面或真空室钢液表面以下很小范围内. (a) 0 s 300 s 600 s 900 s 1200 s 0 s 300 s 600 s 900 s 1200 s 0 s 300 s 600 s 900 s 1200 s Probe surface Wall surface 900 s 1200 s (b) (c) (d) 图 3    不同压力下溶氧仪探头表面气泡的析出过程. (a) Pv=101 kPa; (b) Pv=75 kPa; (c) Pv=50 kPa; (d) Pv=25 kPa Fig.3    Bubble precipitation process from the surface of DO probe with different vacuum pressures: (a) Pv = 101 kPa; (b) Pv = 75 kPa; (c) Pv = 50 kPa; (d) Pv = 25 kPa 张国磊等： 真空条件下钢液脱气过程的模拟研究 · 3 ·