·1144· 工程科学学报，第40卷，第10期 面张力、固体表面张力和液体表面张力，N·m;d。 CaO颗粒 为颗粒直径，m. 喷人速度V。 CaO颗粒 根据Lee与Morita2]用上式(4)~(9)在当初 的表面 D CaO颗粒 始速度为35m·s-时的计算得结果，结合Belton方 张力Y 半径r 程可以得出CaO颗粒的穿透速度随钢液表面张力 铁液表面张力， 的变化，如图11所示.Ca0颗粒的穿透速度随着铁 载气 液表面张力的增加而增加.随着铁水脱硫的进行， CaO颗粒 铁液中的硫含量逐渐降低，其表面张力逐渐增加. 铁液 进入深度x 因此，CaO颗粒的穿透速度在脱硫开始时是最低的. Ca0与铁液间的界面张力y, 当Ca0的穿透速度小于Ca0颗粒的喷入速度，即初 始速度时，颗粒可在铁液表面上回弹，并在该条件下 图10球形Ca0颗粒进入到铁液的示意图[】 Fig.10 Illustration of a solid spherical Ca0 particle injected into liq- 被捕获在气泡内.Wu等[39]也得出颗粒的渗透速度 uid iron8】 与颗粒直径以及表面张力相关，其颗粒的临界渗透 速度如下式(10)所示.当颗粒粒度一定时，通过 120 一1ee,2005,初始速度35m·s1 上式可以计算得出颗粒穿透的临界速度，如图11所 ==-…Wei,2014,临界速度 -..-..d=I mm ..d=1 mm 示.随着表面张力的增加，颗粒穿透的临界临界速 90 度增加，其趋势和Lee得出的趋势一致. 60 d=0.5 mm ,=2+P cao 96Y exp (16pco 26）-1)）d, d-0.5 mm (10) 30 d=0.1 mm 对于喷吹镁脱硫时，如果镁颗粒进入铁液且不 d=0.1 mm 以固体、液体或蒸气的形式返回到气相，则认为镁颗 86o 800 1000 1200 1400 粒能够穿透到铁液中.如果铁液中的颗粒穿透深度 表面张力(mN·m) 大于颗粒直径，则认为成功穿透.然而，在有气泡产 图11穿透速度与表面张力的关系[然，别) 生时，只有当颗粒气化发生之前的穿透深度x,大于 Fig.11 Relationship between penetration speed and sulphur con- 颗粒气化产生的气泡的半径时能成功穿透铁液，如 tent[28.39] 下图12(a)所示36).否则，蒸汽气泡将由在气泡底 部弯曲处的拉普拉斯效应产生的压力将其推回到气 相，如图12(b)[6]所示.颗粒穿透铁液时，其穿透速 度与界面张力相关，同时气泡的大小也与铁液的润 湿性相关，其气泡直径与表面张力相关的计算公式 如下式(11)所示3].气泡直径随着表面张力的增 (a (b) 加而增加. 图12Mg脱硫过程中颗粒的穿透示意图.(a)穿透深度大于气 .16 泡半径：(b)穿透深度小于气泡半径[6] d=( 4)+0.0242(24,)0） (11) Fig.12 Penetration of Mg particle:(a)penetration depth larger than 式中：ym为铁液表面张力，N·m';.为气泡速度，m· bubble radius;(b)penetration depth smaller than bubble radius(] s-;d为气泡初始直径，m. 料的侵蚀最小.实际冶炼过程中，在钢包、中间包、 塞棒、水口等部位的渣线处的耐火材料同时受到钢 3 钢液、熔渣与耐火材料的相互作用 液与熔渣的侵蚀作用，通常是冶炼过程中侵蚀最为 耐火材料作为钢铁冶炼过程中的高温反应容 严重的区域.钢液、熔渣与耐火材料间的润湿性与 器，熔渣与钢液对耐火材料的侵蚀将影响其在冶炼 耐火材料使用时发生的各种现象有着密切的联系. 过程中的寿命，同时耐火材料的侵蚀也可能导致钢 通常可以通过测定钢液与耐火材料或者熔渣与耐火 中夹杂物的产生，进而影响钢液的洁净度.在冶炼 材料的接触角的值来大体估计耐火材料的抗侵蚀性 过程中，钢液与熔渣界面处对耐火材料的侵蚀最严 能.一般来说，难润湿的耐火材料其抗侵蚀性较高， 重，其次是熔渣对耐火材料的侵蚀，而钢液对耐火材 但易润湿的耐火材料其抗侵蚀性不一定低[0).工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 面张力、固体表面张力和液体表面张力,N·m - 1 ;dp 为颗粒直径,m. 根据 Lee 与 Morita [28] 用上式(4) ~ (9)在当初 始速度为 35 m·s - 1时的计算得结果,结合 Belton 方 程可以得出 CaO 颗粒的穿透速度随钢液表面张力 的变化,如图 11 所示. CaO 颗粒的穿透速度随着铁 液表面张力的增加而增加. 随着铁水脱硫的进行, 铁液中的硫含量逐渐降低,其表面张力逐渐增加. 因此,CaO 颗粒的穿透速度在脱硫开始时是最低的. 当 CaO 的穿透速度小于 CaO 颗粒的喷入速度,即初 始速度时,颗粒可在铁液表面上回弹,并在该条件下 被捕获在气泡内. Wu 等[39]也得出颗粒的渗透速度 与颗粒直径以及表面张力相关,其颗粒的临界渗透 速度 v1如下式(10)所示. 当颗粒粒度一定时,通过 上式可以计算得出颗粒穿透的临界速度,如图 11 所 示. 随着表面张力的增加,颗粒穿透的临界临界速 度增加,其趋势和 Lee 得出的趋势一致. v1 = (2 + 籽Fe 籽 ) CaO ( 1 2 96酌m 13籽 ( Fe exp ( 26籽Fe 16籽 ) CaO - 1 ) ) 1 2 d - 1 2 p (10) 对于喷吹镁脱硫时,如果镁颗粒进入铁液且不 以固体、液体或蒸气的形式返回到气相,则认为镁颗 粒能够穿透到铁液中. 如果铁液中的颗粒穿透深度 大于颗粒直径,则认为成功穿透. 然而,在有气泡产 生时,只有当颗粒气化发生之前的穿透深度 xv大于 颗粒气化产生的气泡的半径时能成功穿透铁液,如 下图 12(a)所示[36] . 否则,蒸汽气泡将由在气泡底 部弯曲处的拉普拉斯效应产生的压力将其推回到气 相,如图12(b) [36]所示. 颗粒穿透铁液时,其穿透速 度与界面张力相关,同时气泡的大小也与铁液的润 湿性相关,其气泡直径与表面张力相关的计算公式 如下式(11)所示[35] . 气泡直径随着表面张力的增 加而增加. db = ( ( 6酌d0 籽Fe ) g 2 + 0郾 0242(v 2 gd0 ) ) 0郾 867 0郾 167 (11) 式中:酌m为铁液表面张力,N·m - 1 ;vg为气泡速度,m· s - 1 ;d0为气泡初始直径,m. 3 钢液、熔渣与耐火材料的相互作用 耐火材料作为钢铁冶炼过程中的高温反应容 器,熔渣与钢液对耐火材料的侵蚀将影响其在冶炼 过程中的寿命,同时耐火材料的侵蚀也可能导致钢 中夹杂物的产生,进而影响钢液的洁净度. 在冶炼 过程中,钢液与熔渣界面处对耐火材料的侵蚀最严 重,其次是熔渣对耐火材料的侵蚀,而钢液对耐火材 图 10 球形 CaO 颗粒进入到铁液的示意图[38] Fig. 10 Illustration of a solid spherical CaO particle injected into liq鄄 uid iron [38] 图 11 穿透速度与表面张力的关系[28, 39] Fig. 11 Relationship between penetration speed and sulphur con鄄 tent [28,39] 图 12 Mg 脱硫过程中颗粒的穿透示意图. ( a)穿透深度大于气 泡半径;(b)穿透深度小于气泡半径[36] Fig. 12 Penetration of Mg particle:(a)penetration depth larger than bubble radius;(b)penetration depth smaller than bubble radius [36] 料的侵蚀最小. 实际冶炼过程中,在钢包、中间包、 塞棒、水口等部位的渣线处的耐火材料同时受到钢 液与熔渣的侵蚀作用,通常是冶炼过程中侵蚀最为 严重的区域. 钢液、熔渣与耐火材料间的润湿性与 耐火材料使用时发生的各种现象有着密切的联系. 通常可以通过测定钢液与耐火材料或者熔渣与耐火 材料的接触角的值来大体估计耐火材料的抗侵蚀性 能. 一般来说,难润湿的耐火材料其抗侵蚀性较高, 但易润湿的耐火材料其抗侵蚀性不一定低[40] . ·1144·