D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2004.01.007 第26卷第1期 北京科技大学。学报 VoL26 No.I 2004年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2004 钢包保护套管中弥散微小气泡的生成机理 唐复平刘建华包燕平杨天钧 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要向钢包保护套管中吹入惰性气体，利用套管中湍急的注流，可将气体离散为弥散微 小气泡，通过计算套管中注流的能量分散强度，得出了套管中弥散微小气泡的最大尺寸，并 采用伯努利方程分析了套管中注流的压力分布，理论计算结果与文献报道及实验室水模实 验结果一致. 关键词保护套管：弥散微小气泡：最大尺寸：压力分布 分类号T下703.6 为了去除钢中夹杂物，尤其是去除钢液中微 各个方向振动.当惰性气体在此吹入时，这些漩 小夹杂物，生产高纯净度的钢水，人们采用了多 涡及振动将会把气体打碎为尺寸较小的微小气 种物理和化学手段。其中向钢液中吹入惰性气 泡，并使它们在钢液流中充分弥散.在钢液中弥 体，利用气泡与夹杂物的碰撞、粘附，促进夹杂物 散分布的微小气泡有利于微小夹杂物(5-20m) 上浮是一种较为理想的方法.然而，当采用透气 的去除.许多研究表明气泡的大小与流体的能 砖、透气塞等向锅包、中间包等容器或反应器中 量分散强度e(W)有关”.采用Sevik和Park提 吹入气体时，虽然促进了容器中钢液成分和温度 出的关系式可以计算气泡在湍急流体中最大尺 的均匀化，但由于产生的气泡尺寸较大，常大于 寸例 10mm,且分布不均匀，不能有效去除钢中微小夹 =8e*1010 (1) 杂物四. 式中，W的值取1.3，水和钢液的表面张力0 Wang等提出了在钢包保护套管中吹入惰性 分别为0.073,1.89N/m,密度p分别为1000,7000 气体，利用套管中湍急的钢液注流将气体离散为 kgm3.因此为得到气泡在保护套管中的最大 微小的气泡，进入中间包后，气泡上浮，同时与 尺寸，有必要对保护套管中流体的能量分散强度 夹杂物相互碰撞、粘附，促进夹杂物的上浮和去 e进行计算， 除引，水模实验表明，该方法能显著地提高中间 本文对水模实验保护套管中水流的能量分 包中夹杂物的去除效果陶，但文献未能对气泡在 散强度进行了计算.为分析问题方便，进行了如 保护套管中的弥散气泡的生成机理、气泡尺寸和 下假设： 分布等进行详细分析，本文将对此进行深入的理 (1)注流与保护套管壁的摩擦忽略不计， 论分析，以便为该工艺的开发提供理论基础. (2)气体对水流的密度影响可忽略. 1微小弥散气泡在保护套管中的 (3)气体运动及体积变化对水流所做的功与 重力所做的功相比很小. 生成机理 水流在保护套管中向下运动时，单位时间内 重力对每吨水流所做的功W,当滑动水口的开口 钢水从钢包向中间包传输时，在保护套管中 速度较大，处于湍流状态，此时钢液中存在许多 度为100%时，注流在保护套管中的速度可认为 保持恒定，重力对每吨水流所做的功在保护套管 微小漩涡，同时钢液质点在向下运动时，还会向 中不发生变化，水流的能量分散率为： 收稿日期20030403唐复平男，45岁，高级工程师 e=W (2) *国家自然科学基金资助项目(No.50274007)第 26卷 第 1期 2 0 0 年 42月 北 京 科 技 大 学 学 报 J u o nr a l o f U l vi re iy s t o f s e ie n e c an d e T hn 】贬c岁 oB e ij i n g 、 b 26 N L 0 . 1 F e b . 2 0 0 4 钢包保护套管中弥散微小气泡 的生成机理 唐 复平 刘 建华 包燕 平 杨 天钧 北京科 技大 学冶金 与生态 工 程学 院 , 北京 10 0 83 摘 要 向钢包 保护 套管 中吹 入惰性 气体 , 利用 套管 中湍 急的注 流 , 可 将气 体离 散为弥 散微 小气泡 . 通 过计算 套管 中注 流的 能量分 散强度 , 得 出了套管 中弥散 微小 气泡 的最 大尺寸 , 并 采 用伯 努利 方程 分析 了套管 中注 流 的压 力 分布 . 理论 计算结 果 与文献报 道及 实验 室水 模实 验 结 果一致 . 关键 词 保护 套管 ; 弥散 微小 气泡 ; 最大尺 寸 ; 压 力分 布 分类号 甘 7 0 3 . 6 为 了去 除钢 中夹 杂物 , 尤 其 是去 除钢 液 中微 小夹 杂物 , 生产 高纯 净度 的钢水 , 人们 采用 了多 种物 理 和化 学 手 段 . 其 中 向钢 液 中吹入 惰性 气 体 , 利 用气泡 与夹 杂物 的碰撞 、 粘 附 , 促进 夹杂 物 上 浮 是一种 较 为理 想 的方法 . 然 而 , 当采 用 透气 砖 、 透 气塞 等 向钢 包 、 中间包 等 容器 或 反应 器 中 吹入 气 体时 , 虽然 促进 了容器 中钢 液成 分 和温度 的均匀 化 , 但 由于 产生 的气泡 尺寸 较 大 , 常 大于 10 m m , 且分 布不 均匀 , 不 能有效 去除钢 中微 小夹 杂物 1] . 袖 n g 等提 出 了在 钢包 保 护套 管 中吹 入惰 性 气体 , 利用 套 管中湍 急 的钢液 注流 将气体 离散为 微小 的气 泡 . 进 入 中 间包后 , 气 泡上 浮 , 同时与 夹 杂 物相 互碰 撞 、 粘 附 , 促 进夹 杂物 的上 浮和 去 除 口 · ” . 水模 实验 表 明 , 该方 法 能显 著地 提 高 中间 包 中夹 杂物 的去 除效果 阱, . 但 文 献未 能对气 泡在 保 护套 管 中的弥散 气泡 的生 成机 理 、 气泡 尺寸 和 分 布等进 行详 细分 析 , 本 文 将对此 进 行深 入 的理 论 分析 , 以便 为该 工艺 的 开发 提供 理论 基 础 . 各 个方 向振 动 . 当惰 性气 体在 此 吹入 时 , 这些 漩 涡及 振动 将 会把 气 体 打碎 为 尺 寸较 小 的 微 小气 泡 , 并 使它们 在钢 液 流 中充分 弥 散 . 在钢 液 中弥 散 分布 的微 小气 泡 有利 于微 小 夹杂物 ( 5一2 0 卿) 的 去除 `2] . 许 多研 究表 明气泡 的大 小 与流 体 的能 量分 散 强度 。 (W 魔) 有关 `5一刀 . 采 用 eS v 汰 和 P a r k 提 出 的关 系式 可 以计 算气 泡 在 湍急 流 体 中最 大 尺 寸 「, , . 、 一 、 睬器! 仓 · ` 0 , 一` · `。 一 “ , , 1 微 小 弥 散 气泡在 保护 套 管 中的 生 成机 理 钢水 从钢 包 向 中间包 传输 时 , 在 保护 套管 中 速 度较 大 , 处 于湍 流 状态 , 此 时钢液 中存在 许 多 微 小漩 涡 , 同时钢 液 质 点在 向下 运 动时 , 还 会 向 收稿 日期 20 03 一4 - 0 3 唐 复平 男 , 45 岁 , 高级工 程师 * 国家 自然科 学基 金资助项 目( N .o 5 02 74 0 7) 式 中 , 孔 的 值 取 L 3 , 水 和 钢 液 的 表 面 张 力氏 分 别 为 0 . 0 7 3 , l . 89 N I/ n , 密 度户L分 别为 1 0 0 0 , 7 0 0 0 k留in 一 , `3] . 因此 为得 到气 泡在 保 护套 管 中 的最大 尺 寸 , 有必 要对保 护套 管 中流体 的能量 分 散强度 。进 行 计算 . 本 文 对 水 模 实验 保 护 套 管 中 水 流 的 能量 分 散强 度进 行 了计 算 . 为分析 问题方 便 , 进 行 了如 下假 设 : ( l) 注 流 与保 护套 管 壁的 摩擦 忽 略不 计 . (2 )气 体对 水 流 的密度影 响可 忽 略 . (3 )气 体 运 动及 体 积变 化 对 水 流所 做 的 功 与 重 力所 做 的功 相 比 很 小 . 水流 在保 护套 管 中 向下运动 时 , 单位 时间 内 重 力对 每 吨水 流所 做 的功 砚 当滑 动水 口 的开 口 度 为 10 0 % 时 , 注 流 在保 护套 管 中 的速度 可认 为 保持恒 定 , 重 力对每吨 水流所 做 的功在 保护套 管 中不 发 生变 化 , 水 流 的能量 分 散率 为 : “ = 砰 (2 ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 01. 007