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,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·