.942. 工程科学学报，第40卷，第8期 100 400叶☑增氨样 90 350 的终点样 ·夹杂物去除率328 80 30 30 70 h=0.1m 250 60 200 50 20 157 167 40 豪 15 h-0.2m 150 20 30 100 10A h-0.3m 50 31 10 0 0 0.020 0.035 0.050 0.065 0.080 00.010.020.030.040.050.060.070.080.09 增氮压力/MPa 增氨压力MPa 图8夹杂物去除情况 图9不同深度条件下气泡形核尺寸与增氨压力的关系 Fig.8 Situation of inclusion removal Fig.9 Relationship of nitrogen pressure and bubble size under differ- ent deep 大于80%，最高达到了89.2%，夹杂物去除率均在 40%以上，最高达到了87.4%，说明了增氨析氨法 增大，形核所需要的氮原子量增多，气泡形核困难 对硅锰脱氧钢良好的净化效果.由实验结果进一步 因此，随着增氨压力的升高，真空处理过程中气泡能 得出，随着增氨压力的增加，钢中夹杂物及氧去除率 够在钢液深度较大的条件下形核，可以将钢液更深 均有升高.针对此现象，本节尝试分析增氨压力对 处的夹杂物去除，提高夹杂物的去除效果.在实际 钢中气泡形核及气泡密度的影响，解释增氨压力对 生产中，钢液深度较大，气泡在钢中的形核深度受增 该技术去除钢中夹杂物的影响 氨压力的影响较大，适当提高增氮压力，可以去除钢 3.1增氨压力对钢中气泡形核的影响 液深度较大处的夹杂物，进一步提高钢液洁净度 ⅱ等)针对钢中气泡形核进行了一系列热力 由图9可以得出，钢液不同深度范围条件下，随 着钢液前期增氨压力的升高，真空处理过程中气泡 学计算，结果表明，气泡在均质形核和异质形核条件 下的临界形核半径r的表达式相同，如下式所示. 临界形核半径有减小的趋势，在夹杂物表面形成的 气泡核体积更小，气泡形核所需要的气体量减少， 40Lc (1.5 +In Pc+P制ha 气泡形核变得容易[).进一步地，气泡在钢中的 P 3(P+ph)nP-+P驰 3) 形核情况可以由形核率表征，钢中气泡形核率表 P 达式为2： 该表达式可以用于分析不同条件下气泡的均质 (4) 形核临界形核尺寸及异质形核临界形核尺寸.式 式中，n为单位体积内气体原子数，X。为普朗克常 中：Px,为增氮压力，Pa;Par为真空处理压力，Pa;P解 量，k为玻尔兹曼常数，W为异质形核的形核功， 为钢液密度，7000kg·m-3;g为重力加速度，10m· △G、为原子的扩散激活能.其中，形核功W的表达 s-2;h,为气核泡所处深度，m;σc为钢液中气/液 式为： 界面能，1.5Jm2[o).根据实验条件，设置真空处 理压力为100Pa,通过计算得出钢液深度分别为 W=手rouo (5) 0.1、0.2和0.3m的条件下，气泡临界形核半径与增 式中，f(0)为形状系数，0为接触角，在异质形核条 氮压力的关系，如图9所示. 件下，0<f(8)<1.原子的扩散激活能△G,的表达 图9中各曲线与横轴的交点为该深度条件下， 式为[4. 气泡能够自发形核所需要的最小增氮压力，即当热 △Ga=kTfexp 力学条件成熟时，气泡不需要形核，可直接生成长 () (6) 大.因此，随着增氮压力的升高，真空处理过程中气 式中，f、a为常数，在温度不变的条件下，原子的扩 泡自发形核深度增加，气泡在钢中生成更加容易. 散激活能可视为常数.单位体积内气体原子数n的 图9中气泡形核尺寸在增氨压力小到一定程度 表达式为： 时近似直线增加，这表明在钢液一定深度范围内，增 n=21%NIem NA (7) 氮压力较小时，真空处理过程中气泡形核尺寸急剧工程科学学报,第 40 卷,第 8 期 图 8 夹杂物去除情况 Fig. 8 Situation of inclusion removal 大于 80% ,最高达到了 89郾 2% ,夹杂物去除率均在 40% 以上,最高达到了 87郾 4% ,说明了增氮析氮法 对硅锰脱氧钢良好的净化效果. 由实验结果进一步 得出,随着增氮压力的增加,钢中夹杂物及氧去除率 均有升高. 针对此现象,本节尝试分析增氮压力对 钢中气泡形核及气泡密度的影响,解释增氮压力对 该技术去除钢中夹杂物的影响. 3郾 1 增氮压力对钢中气泡形核的影响 Li 等[9]针对钢中气泡形核进行了一系列热力 学计算,结果表明,气泡在均质形核和异质形核条件 下的临界形核半径 r 的表达式相同,如下式所示. r = - 4滓LG (1郾 5 + ln P vac + 籽钢 ghst PN ) 2 3(P vac + 籽钢 ghst)ln P vac + 籽钢 ghst PN2 (3) 该表达式可以用于分析不同条件下气泡的均质 形核临界形核尺寸及异质形核临界形核尺寸. 式 中:PN2为增氮压力,Pa;P vac为真空处理压力,Pa;籽钢 为钢液密度,7000 kg·m - 3 ;g 为重力加速度,10 m· s - 2 ; hst为气核泡所处深度,m; 滓LG为钢液中气/ 液 界面能,1郾 5 J·m - 2 [10] . 根据实验条件,设置真空处 理压力为 100 Pa,通过计算得出钢液深度分别为 0郾 1、0郾 2 和 0郾 3 m 的条件下,气泡临界形核半径与增 氮压力的关系,如图 9 所示. 图 9 中各曲线与横轴的交点为该深度条件下, 气泡能够自发形核所需要的最小增氮压力,即当热 力学条件成熟时,气泡不需要形核,可直接生成长 大. 因此,随着增氮压力的升高,真空处理过程中气 泡自发形核深度增加,气泡在钢中生成更加容易. 图 9 中气泡形核尺寸在增氮压力小到一定程度 时近似直线增加,这表明在钢液一定深度范围内,增 氮压力较小时,真空处理过程中气泡形核尺寸急剧 图 9 不同深度条件下气泡形核尺寸与增氮压力的关系 Fig. 9 Relationship of nitrogen pressure and bubble size under differ鄄 ent deep 增大,形核所需要的氮原子量增多,气泡形核困难. 因此,随着增氮压力的升高,真空处理过程中气泡能 够在钢液深度较大的条件下形核,可以将钢液更深 处的夹杂物去除,提高夹杂物的去除效果. 在实际 生产中,钢液深度较大,气泡在钢中的形核深度受增 氮压力的影响较大,适当提高增氮压力,可以去除钢 液深度较大处的夹杂物,进一步提高钢液洁净度. 由图 9 可以得出,钢液不同深度范围条件下,随 着钢液前期增氮压力的升高,真空处理过程中气泡 临界形核半径有减小的趋势,在夹杂物表面形成的 气泡核体积更小,气泡形核所需要的气体量减少, 气泡形核变得容易[11] . 进一步地,气泡在钢中的 形核情况可以由形核率表征,钢中气泡形核率表 达式为[12] : N = nkT Xe exp ( - W ) kT exp ( - 驻GA ) kT (4) 式中,n 为单位体积内气体原子数,Xe 为普朗克常 量,k 为玻尔兹曼常数,W 为异质形核的形核功, 驻GA 为原子的扩散激活能. 其中,形核功 W 的表达 式为[13] : W = 4 3 仔r 2滓LG f(兹) (5) 式中,f(兹)为形状系数,兹 为接触角,在异质形核条 件下,0 < f(兹) < 1. 原子的扩散激活能 驻GA 的表达 式为[14] : 驻GA = kTfexp ( a ) T (6) 式中,f、a 为常数,在温度不变的条件下,原子的扩 散激活能可视为常数. 单位体积内气体原子数 n 的 表达式为: n = 2[% N]籽钢 NA MN2 (7) ·942·