VoL.26 No.1 唐复平等：钢包保护套管中弥散微小气泡的生成机理 ·23· 当滑动水口的开口度小于100%时，水流进 由图1和2可见，套管中注流流量2是影响 入保护套管的速度大于流出速度，水流的能量分 气泡最大尺寸的重要因素.流量愈大，单位时间 散率还应考虑水流在保护套管中的动能变化.因 内流过套管的注流愈多，重力对注流所做的功愈 此，其平均能量分散强度为： 大，但由于套管中注流的速率不变，即动能不变， E=W41/2p2-团x10: 因此，重力对注流所做的功将转化为注流内部质 pls (3) 式中，p为注流密度，kgm':Q为注流流量，ms: 点旋转和脉动的能量（湍动能），这种能量越大， 和2分别套管进出口处注流的速率，m/s:l和s分 则有利于将气体离散为更小的气泡. 别为套管的长度和截面积，m和m2. 套管中注流的表面张力的值对气泡的最 水模实验中，保护套管全长I为1.2m,浸入深 大尺寸影响较大.表面张力愈大，在注流中形成 度为0.3m,内径为0.08m,套管中注流流量分别 微小气泡所需能量愈高.钢液的表面张力较水大 为0.016,0.012,0.09和0.006m/s,这对应于两流板 得多，因此在钢液中生成微小气泡较水流中困 坯连铸机浇注1.6m×0.25m板坯时，拉速为1.2， 难，在相同浇铸条件下，在钢液中形成的微小气 0.9,0.675,0.45m/min.根据关系式(2)和(3)，计算 泡较水中大，另一方面，钢液的表面张力与钢液 得保护套管中水流的能量分散强度，结果如图1 组成和温度关系密切，在实际生产中，冶炼钢种 所示.在同等条件下，水流和钢液流在保护套管 及浇注温度将显著影响注流中微小气泡的尺寸， 中的能量分散强度相同. 滑板的开口度也影响注流中徽小气泡的尺 本文采用式(1)对水模实验保护套管注流及 寸.开口度小于100%时，套管进口处注流的速率 生产中同尺寸保护套管钢液中的气泡最大尺寸 大于出口处的速率，因此，注流将有部分动能转 进行了计算，结果列于图2. 化为内部湍动能，这有助于吹入气体的离散化， 80 生成更加微小的弥散气泡.图1和2表明：滑板的 一50% 开口度越小，气泡尺寸越小：开口度对气泡尺寸 …”100% 的影响在表面张力较大的钢液注流中表现更为 50 明显 40 2实验验证 3 20 流体中气泡的大小将小于或等于计算所得 0 0.0080.0100.0120.0140.016 的最大尺寸，文献[6测得湍急流体中气泡的平 0.006 注流流量(m3·s) 均尺寸与最大尺寸的比值(d/dmr)处于0.6~ 图1不同滑板开口度时注流在保护套管中的（平均）能 0.62.水模实验结果表明在流量分别为0.006， 量分散强度 0.012ms时，保护套管中气泡的尺寸分别为 Fig.1 Energy dissipation rate of the fluid flow in the 0.5~1.0mm和小于0.5mmm.这与图2的计算结果 shroud when the slide gate is fully and partially opened 非常吻合， 由图1和2可见，向保护套管中水流或钢液 昌 流中吹入惰性气体时，流体将会把气体冲碎为细 钢液 小的气泡，其尺寸为0.5~3.0mm.它们远小于采用 100% 透气砖和透气塞向钢水容器中吹入气体时所产 嘴 水流 50% 生气泡的尺寸(10-20mm).微小气泡将有利于 100% 钢液中微小夹杂物的去除， 50% 为进一步对计算结果进行验证，笔者进行了 0 0.0080.0100.012 0.0140.016 水模型实验，向内径为0.035m的保护套管中吹 0.006 注流流量(m3.s) 入惰性气体，套管中水的平均流速为0.296m/s, 图2不同滑板开口度时保护套管中气泡的最大尺寸 如图3所示.通过对高分辨率照片的检测，在中 Fig.2 Maximum sizes of the bubbles in the shroud when 间包熔池中得到了大量的弥散微小气泡，图3(a) .the slide gate is fully and partially opened 为钢包注流进入中间包时的气泡分布，图3)为M〕 L o2 6 N . 1 唐 复平等 : 钢 包保 护套 管中弥 散微 小气 泡 的生成 机 理 . 3 2 . 当滑 动水 口 的 开 口 度小于 10 %时 , 水流 进 入 保护 套 管 的速度 大于 流 出速 度 , 水流 的能量 分 散率还 应考 虑水流 在保护 套管 中 的动 能变 化 . 因 此 , 其平 均 能量 分 散强度 为 : 若= 平 (3 ) 式 中 , p 为注 流 密 度 , k g/ m 3 ; Q 为注 流流 量 , m s/ ; vl 和 叭 分别 套 管进 出 口 处注流 的速率 , n 叮s ; l和 : 分 别 为 套管 的长度和 截面积 , m 和 耐 . 水模 实验 中 , 保护 套 管全 长 l 为 1 . 2 m , 浸 入 深 度 为 .0 3 m , 内径 为 0 . 08 m , 套管 中注 流 流量 分 别 为 0 . 0 16 , 0 . 0 12 , 0 . 0 9 和 0 . 0 0 6 m , s/ , 这对 应 于 两流 板 坯 连铸 机 浇注 1 . 6 m ` .0 25 m 板 坯 时 , 拉速 为 1 2, 0 . 9 , 0 . 6 7 5 , 0 . 4 5 n 州m i n . 根据 关 系式 ( 2 ) 和 ( 3 ) , 计 算 得 保 护套 管 中 水流 的能量 分 散 强度 , 结 果 如 图 1 所 示 . 在 同等 条件 下 , 水流 和 钢液 流 在 保护 套 管 中的 能量 分 散 强度 相 同 . 本 文采 用 式 ( l) 对 水模 实 验保 护 套 管注 流 及 生 产 中同 尺 寸保 护 套 管 钢 液中 的气 泡 最 大 尺 寸 进 行 了计 算 , 结 果 列 于 图 2 . — 5 0% 一 10 0% 由图 1 和 2 可见 , 套 管中注 流流 量 Q是 影 响 气 泡 最 大尺 寸 的重 要 因素 . 流 量 愈 大 , 单 位 时 间 内流过 套 管 的注流 愈 多 , 重 力对注流 所做 的功 愈 大 , 但 由于 套 管 中注流的速率 不变 , 即动 能不 变 , 因此 , 重 力对 注 流所 做 的功将 转 化 为注流 内部质 点 旋 转和 脉 动 的能 量 ( 湍 动 能 ) . 这种 能量越 大 , 则 有利 于 将气 体离 散为更 小 的 气泡 . 套 管 中注 流 的 表 面 张 力氏 的值 对 气 泡 的最 大 尺 寸影 响 较 大 . 表 面 张 力愈 大 , 在 注 流 中 形成 微 小气 泡所 需 能量 愈 高 . 钢液 的表 面 张力 较水 大 得 多 , 因此 在钢 液 中生 成 微 小 气 泡 较水 流 中 困 难 , 在相 同浇 铸 条件 下 , 在钢 液 中形 成 的微 小气 泡 较水 中大 . 另 一方 面 , 钢 液 的表面 张 力 与钢 液 组 成 和温 度 关 系密 切 , 在 实际生 产 中 , 冶 炼钢 种 及 浇注 温度 将 显著 影 响注 流 中微 小气 泡 的尺 寸 . 滑 板 的 开 口 度 也 影 响 注 流 中微 小 气 泡 的尺 寸 . 开 口 度 小于 10 0% 时 , 套 管 进 口 处注 流 的速 率 大 于 出 口 处 的速 率 , 因此 , 注 流 将 有部 分 动 能转 化 为 内部 湍 动 能 , 这 有 助 于 吹入气 体 的离 散化 , 生 成 更加微 小 的 弥散 气泡 . 图 1 和 2 表 明 : 滑 板 的 开 口 度 越 小 , 气泡 尺 寸 越 小 ; 开 口 度 对 气 泡 尺寸 的影 响 在 表 面 张力 较 大 的钢 液 注 流 中表 现 更 为 明显 . 户 才 ~ 口 一 创 砂 “八”n 0 Uno OtUz ù 6 尸J 4 一`é 20 巨了二 - · , 一 “ 一 ` 10 卜` ǎ . 1活己、侧燃粗众咧提甲 0 . 0 0 6 0 . 0 0 8 0 . 0 10 0 . 0 12 0 . 0 1 4 0 . 0 1 6 注 流流 量 (/ m ` · s 一 , ) 图 1 不 同滑板 开 口 度 时注流 在保 护套 管中的 (平均 )能 量 分散强 度 F啥 · 1 E n e r g y d is s i P a it o n r a et 0 f ht e fl u id flO w 肠 t h e s h or u d w b e n ht e s ild e g a et 15 fu uy a n d P a 川a yn o P e n e d 钢液 一一之巡之 赢~ 一巡 二\ 1 0 0% O L 一一~ 一 J 一一一一一二一 一 0 . 0 0 6 0 . 0 0 8 0 . 0 1 0 0 . 0 1 2 注流 流量 (/ m 3 · s 一 ) 图 2 不 同滑板 开 口度 时保 护 套管 中气 泡的 最大尺 寸 F ig . 2 M a x i . u m s 坛es o f t h e b u b b l e s 恤 t h e s h or u d w h e n · ht e s il d e ga et 15 fu uy a n d P a r “ a uy o P e n ed 2 实 验 验证 流 体 中气 泡 的 大 小将 小 于 或 等 于 计 算 所 得 的最 大尺 寸 , 文献 6[ 」测 得湍 急 流 体 中气 泡 的平 均 尺 寸 与最 大 尺 寸 的 比 值 ( .vd ds/ ~ ) 处 于 . .0 ~6 .0 6 2 . 水 模 实验 结 果 表 明 在 流 量 分 别 为 0 .0 06 , .0 ol Z m V s 时 , 保 护 套 管 中气 泡 的 尺 寸 分 别 为 .0 5一 1 . 0 ~ 和 小于 .0 5 ~ 15] . 这 与 图 2 的计 算 结果 非 常 吻合 . 由 图 1 和 2 可见 , 向保 护套 管 中水 流 或 钢液 流 中吹入 惰性 气 体 时 , 流 体将 会 把气 体 冲碎 为细 小 的气 泡 , 其 尺寸 为 .0 5一 3 . 0 ~ . 它们 远 小于 采用 透 气 砖 和 透 气 塞 向钢 水 容器 中吹 入 气 体 时所 产 生 气 泡 的尺 寸 ( 1 0一 20 r o r n ` 1)] . 微 小 气泡 将 有 利 于 钢 液 中微 小夹 杂物 的去 除 . 为进 一 步对 计算结果进行 验 证 , 笔者 进 行 了 水 模 型 实验 , 向 内径 为 .0 0 35 m 的保 护套 管 中吹 入 惰 性气 体 , 套 管 中水 的平 均 流速 为 .0 2% n 口s , 如 图 3 所 示 . 通 过 对 高分 辨率 照片 的检测 , 在 中 间包 熔 池 中得 到 了 大量 的弥 散微 小 气泡 , 图 3 (a) 为钢 包 注流 进 入 中 间包 时 的气 泡 分布 , 图 3伪)为 , ù 昌 、粉叱契犷崛-K