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·