·638· 工程科学学报，第38卷，第5期 究吹氩条件下，钢包流场和钢渣界面临界卷渣行为具 Fr数相等时，可以计算出模型底吹气量Q对应于原 有重要的意义.治金工作者在钢渣界面行为的某些方 型底吹气量Q的关系式为 面进行了大量的研究，并取得一些有重要价值的研究 Qm=0.012Q。 (1) 成果.但需要指出的是，吹氩条件下，气泡的行为 根据实际工作钢液面高度和渣层厚度，本实验中 及界面卷渣行为实质上是一个十分复杂的过程，有关 水的液面深度H=600mm,油层厚度h=2cm.当模型 钢渣黏度对卷渣行为的定量研究也不多，仍然还有许 与原型的修正弗劳德准数Fr数和韦伯准数W数相等 多问题和现象有待于进一步的深入探讨. 时，可以计算出实验中模拟介质硅油的密度为960kg· 粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技 m3.为研究钢渣黏度对临界卷渣行为的影响，油层选 术作为一种新型的流场测量技术，是一种非接触的测 取三种黏度不同、密度和水一油界面张力很相近的硅 量方法，具有整体性和瞬时性的特点，可定量测量出钢 油，分别为硅油50CS、硅油100CS和硅油350CS.各模 包流场中某一被测截面上所有点的速度分布，有效地 拟介质的物性参数如表1所示 显示钢包的流动状况，记录整个钢包卷渣过程的动态 表1模拟介质的物性参数 图像，为研究钢包流场和卷渣行为提供很好的技术手 Table 1 Physical parameters of the analog media 段.本文以某钢厂钢包为原型，采用粒子图像测速技术 密度/ 运动黏度/与水的界面张力/温度/ 进行水模型实验，对钢包卷渣过程进行解析，探索钢渣 液体 (kg*m-3)(10-6m2s1) (mN.m-1) ℃ 黏度对临界卷渣速度的影响，并基于实验结果提出实 钢液 7000 0.9 1600 验条件下修正的临界卷渣速度公式. 水 1000 1 25 1实验参数和方案 硅油50CS 960 50 52.7 25 硅油100CS 965 100 53.0 25 以往研究表明，采用水模型方法能够同时满足与 硅油350CS 970 350 53.0 25 原型钢包的几何相似和动力学相似条件，从而保证二 者之间钢液流动和钢渣界面行为的相似6-山.本研究 粒子图像测速实验时，激光强度定为30%.一次 采用水模拟研究方法，模型按照110：钢包原型以5：1 实验两个高速相机在t=25s时间内共拍摄50组照 采用有机玻璃制成，模型底部直径D=509mm,锥度为 片，利用粒子图像测速系统软件对所拍摄的照片进行 0.本实验采用水模拟钢液，油模拟钢渣，压缩空气模拟 处理，便可计算出所拍摄截面的速度流场.其装置示意 原型钢包底吹氩气，当模型与原型的修正弗劳德准数 图如图1所示 光传输系统 照明区 :一测试区域 激光器 高速摄像机 控制和存储装置 图像分析处理显示) 图1粒子图像测速装置示意图 Fig.I Schematic of particle image velocimetry 实验选择如图2所示的截面A作为研究对象.为尽 卷入.此外，油滴偶然一次的卷入不能表明后续会有油 可能减小底吹孔上方的气柱干扰整个流场拍摄，本实验 滴不间断的卷入，因此统计2min内发生油滴卷入的次 在离激光照射处远端的0.7R位置进行单孔底吹气，R 数.当在某气量下会发生两次或以上油滴脱离油层现 为底部半径大小，重点研究截面A左侧的钢包流场. 象，且超过该气量，油滴卷入次数会显著增加，定义该 观察各个方案下水一油界面卷混现象，由低至高 气量为临界卷渣气量.在临界卷渣气量下，粒子图像测 调节钢包底吹气量，由于开始发生油滴卷入时，水一油 速测定的油滴脱离点在油滴卷入前的最大速度为临界 界面一直处于非稳态状态，短时间内不一定发生油滴 卷渣速度工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 究吹氩条件下，钢包流场和钢渣界面临界卷渣行为具 有重要的意义． 冶金工作者在钢渣界面行为的某些方 面进行了大量的研究，并取得一些有重要价值的研究 成果［1--5］． 但需要指出的是，吹氩条件下，气泡的行为 及界面卷渣行为实质上是一个十分复杂的过程，有关 钢渣黏度对卷渣行为的定量研究也不多，仍然还有许 多问题和现象有待于进一步的深入探讨． 粒子图像测速( particle image velocimetry，PIV) 技 术作为一种新型的流场测量技术，是一种非接触的测 量方法，具有整体性和瞬时性的特点，可定量测量出钢 包流场中某一被测截面上所有点的速度分布，有效地 显示钢包的流动状况，记录整个钢包卷渣过程的动态 图像，为研究钢包流场和卷渣行为提供很好的技术手 段． 本文以某钢厂钢包为原型，采用粒子图像测速技术 进行水模型实验，对钢包卷渣过程进行解析，探索钢渣 黏度对临界卷渣速度的影响，并基于实验结果提出实 验条件下修正的临界卷渣速度公式． 1 实验参数和方案 以往研究表明，采用水模型方法能够同时满足与 原型钢包的几何相似和动力学相似条件，从而保证二 者之间钢液流动和钢渣界面行为的相似［6--11］． 本研究 采用水模拟研究方法，模型按照 110 t 钢包原型以 5∶ 1 采用有机玻璃制成，模型底部直径 D = 509 mm，锥度为 0． 本实验采用水模拟钢液，油模拟钢渣，压缩空气模拟 原型钢包底吹氩气，当模型与原型的修正弗劳德准数 Fr 数相等时，可以计算出模型底吹气量 Qm对应于原 型底吹气量 Qp的关系式为 Qm = 0. 012Qp ． ( 1) 根据实际工作钢液面高度和渣层厚度，本实验中 水的液面深度 H = 600 mm，油层厚度 h = 2 cm． 当模型 与原型的修正弗劳德准数 Fr 数和韦伯准数 We 数相等 时，可以计算出实验中模拟介质硅油的密度为 960 kg· m － 3 ． 为研究钢渣黏度对临界卷渣行为的影响，油层选 取三种黏度不同、密度和水--油界面张力很相近的硅 油，分别为硅油 50CS、硅油 100CS 和硅油 350CS． 各模 拟介质的物性参数如表 1 所示． 表 1 模拟介质的物性参数 Table 1 Physical parameters of the analog media 液体 密度/ ( kg·m － 3 ) 运动黏度/ ( 10 － 6 m2 ·s － 1 ) 与水的界面张力/ ( mN·m － 1 ) 温度/ ℃ 钢液 7000 0. 9 — 1600 水 1000 1 — 25 硅油 50CS 960 50 52. 7 25 硅油 100CS 965 100 53. 0 25 硅油 350CS 970 350 53. 0 25 粒子图像测速实验时，激光强度定为 30% ． 一次 实验两个高速相机在 t = 25 s 时间内共拍摄 50 组照 片，利用粒子图像测速系统软件对所拍摄的照片进行 处理，便可计算出所拍摄截面的速度流场． 其装置示意 图如图 1 所示． 图 1 粒子图像测速装置示意图 Fig． 1 Schematic of particle image velocimetry 实验选择如图 2 所示的截面 A 作为研究对象． 为尽 可能减小底吹孔上方的气柱干扰整个流场拍摄，本实验 在离激光照射处远端的 0. 7Ｒ 位置进行单孔底吹气，Ｒ 为底部半径大小，重点研究截面 A 左侧的钢包流场． 观察各个方案下水--油界面卷混现象，由低至高 调节钢包底吹气量，由于开始发生油滴卷入时，水--油 界面一直处于非稳态状态，短时间内不一定发生油滴 卷入． 此外，油滴偶然一次的卷入不能表明后续会有油 滴不间断的卷入，因此统计2 min 内发生油滴卷入的次 数． 当在某气量下会发生两次或以上油滴脱离油层现 象，且超过该气量，油滴卷入次数会显著增加，定义该 气量为临界卷渣气量． 在临界卷渣气量下，粒子图像测 速测定的油滴脱离点在油滴卷入前的最大速度为临界 卷渣速度． · 836 ·