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第4期 丰文祥等：中间包吹氩去除钢水夹杂物 ,429. 水洁净度的影响不明显，然而，在实验过程中观察 Bown碰撞和速度梯度碰撞的类型比较少，而Stokes 到，由于吹氩引起钢液面波动，导致吹氩侧塞棒渣线 碰撞和湍流碰撞是夹杂物碰撞长大的主要形式 位置的侵蚀要比未吹氩侧的大得多，势必影响到塞 (l)Stokes碰撞与夹杂物的排出.Stokes碰撞 棒的使用寿命，因而小挡坝位置吹氩不是一个合适 的频率函数B,如下式，显然夹杂物的密度越小、 的选择 直径越大，两颗粒粒径相差越大，碰撞机会越多. 2.2.2浇铸区拐角位置吹氩实验结果 月-2a8x(d+4.l居-引 (1) 参考图2在CSP中间包右侧位置⑥处吹氩，氩 9μ 气流量为6L~mn.开浇后，开通氩气并保持通气 式中，d山、d为夹杂物颗粒Stokes]直径，5为夹杂 状态，从第3炉至18炉连续从两流提取铸坯样，共 物质点半径，P为钢液密度，，为夹杂物密度，“为 取16炉，分别检测大样电解夹杂物含量，取其平均 钢液黏度，g为重力加速度， 值，结果如表7所示.可见，拐角处单侧位置吹氩对 在中间包吹氩条件下，可以近似认为钢液中的 钢质量没有明显影响， 氩气泡是一个颗粒，根据文献[7]，钢液中常见夹杂 表7铸坯大样电解夹杂物含量（质量分数） 物与气体的接触角均大于90°，从理论上讲，它们都 Table 7 Electmlysis inclusion contents of the sampes 容易被气泡俘获，在中间包内氩气泡比夹杂物的粒 实验 吹氩侧 未吹氩侧 径要大得多，其上浮速度也比夹杂物的运动速度要 夹杂物含量mg(10kg)1] 8.07 8.12 快，根据式(1)，上浮的氩气泡碰撞到夹杂物的频率 很大，氩气泡俘获夹杂物后，其整体的体积将变得更 3讨论 大，上浮速度也加快，将更有利于其再碰撞到其他的 夹杂物，如此反复，在氩气泡上浮排出钢液面的过程 上述实验结果表明，中间包吹氩位置和氩气流 中，将携带大量夹杂物上浮，因而提高了钢水洁 量对钢水洁净度有较大影响，以下结合水模型研究 净度 结果对工业实验结果分别进行讨论， 文献[8]给出了夹杂物与气泡的碰撞概率Pc 3.1中间包吹氩位置对去除钢水夹杂物的影响 的计算公式为： 笔者在中间包吹氩水模型实验中选用苯胺模拟 1.5 夹杂物，有机硅油模拟中间包渣，研究了中间包吹氩 P≈ 15 0R6<400(2) 去除夹杂物的效果)，在此基础上设计了本次工业 式中，Ra,为气泡的Reynols准数，d为夹杂物直 实验，其结果与水模型实验相符合，即在T型中间 径，d,为气泡直径 包注流区内吹氩去除夹杂物效果最为明显，但是水 显然，大颗粒夹杂物更容易被气泡俘获，小气泡 模型实验结果表明，与浇铸区拐角处吹氩相比，在注 更有利于俘获夹杂物颗粒，要得到小的气泡，除了 流区吹氩并不能增加钢水在中间包内的停留时间， 透气砖本身的性能和氩气流量外，将氩气泡引入到 因此分析认为在注流区内吹氩提高夹杂物去除率的 大的湍流强度钢流中是必要的，因为当气泡处于湍 主要原因是：①在注流区内吹氩，由于钢液湍流强度 流强度大的区域时，气泡周围大的波动速度梯度所 大，可得到尺寸更小的气泡，不但提高了气泡捕捉夹 产生的剪切力可将大气泡击碎成小气泡.流体湍流 杂物颗粒的概率，而且促进了夹杂物碰撞长大；②由 强度的大小可用湍流动能黏性耗散率表示，气泡 于注流区离水口较远，碰撞长大后的夹杂物有较长 尺寸随湍流强度增加而减小.对于给定湍流强度的 的时间上浮排出.具体而言，在注流区内吹氩去除 流体，气泡具有稳定的尺寸，这一尺寸定义为最大稳 夹杂物的理论分析如下， 定气泡尺寸d,如下式： 在中间包注流区吹氩，强大的钢水湍流强度可 We·o 0.6 0.4 (3) 将氩气泡击碎成弥散小气泡，细小气泡在上浮过程 中对夹杂物产生两个方面的作用：一是有利于夹杂 式中，We为临界W eberi准数，o为钢液表面张力，P 物碰撞长大；二是氩气泡可以捕捉夹杂物颗粒，并携 为钢液密度，ε为湍流动能黏性耗散率 带夹杂物颗粒一同上浮去除 可见，最大稳定气泡尺寸dm随湍流动能黏性 夹杂物之间的碰撞通常有四种形式[)，即 耗散率ε的增大而减小，即流体湍流强度越大，气泡 Brown碰撞，Stokest碰撞，速度梯度碰撞和湍流碰撞， 尺寸越小，在中间包内，只有注流区的钢流才具有 根据各碰撞的定义来看，在中间包钢液中，属于 足够大的湍流强度，因而在注流区吹氩，可以得到更第 4期 丰文祥等： 中间包吹氩去除钢水夹杂物 水洁净度的影响不明显．然而在实验过程中观察 到由于吹氩引起钢液面波动导致吹氩侧塞棒渣线 位置的侵蚀要比未吹氩侧的大得多势必影响到塞 棒的使用寿命因而小挡坝位置吹氩不是一个合适 的选择． 2∙2∙2 浇铸区拐角位置吹氩实验结果 参考图 2在 ＣＳＰ中间包右侧位置⑥处吹氩氩 气流量为 6Ｌ·ｍｉｎ －1．开浇后开通氩气并保持通气 状态从第 3炉至 18炉连续从两流提取铸坯样共 取 16炉分别检测大样电解夹杂物含量取其平均 值结果如表 7所示．可见拐角处单侧位置吹氩对 钢质量没有明显影响． 表 7 铸坯大样电解夹杂物含量 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ7 Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｉｎｃｌｕｓｉｏｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓ 实验 吹氩侧 未吹氩侧 夹杂物含量／［ｍｇ·（10ｋｇ） －1 ］ 8∙07 8∙12 3 讨论 上述实验结果表明中间包吹氩位置和氩气流 量对钢水洁净度有较大影响．以下结合水模型研究 结果对工业实验结果分别进行讨论． 3∙1 中间包吹氩位置对去除钢水夹杂物的影响 笔者在中间包吹氩水模型实验中选用苯胺模拟 夹杂物有机硅油模拟中间包渣研究了中间包吹氩 去除夹杂物的效果 ［3］在此基础上设计了本次工业 实验其结果与水模型实验相符合即在 Ｔ型中间 包注流区内吹氩去除夹杂物效果最为明显．但是水 模型实验结果表明与浇铸区拐角处吹氩相比在注 流区吹氩并不能增加钢水在中间包内的停留时间 因此分析认为在注流区内吹氩提高夹杂物去除率的 主要原因是：①在注流区内吹氩由于钢液湍流强度 大可得到尺寸更小的气泡不但提高了气泡捕捉夹 杂物颗粒的概率而且促进了夹杂物碰撞长大；②由 于注流区离水口较远碰撞长大后的夹杂物有较长 的时间上浮排出．具体而言在注流区内吹氩去除 夹杂物的理论分析如下． 在中间包注流区吹氩强大的钢水湍流强度可 将氩气泡击碎成弥散小气泡细小气泡在上浮过程 中对夹杂物产生两个方面的作用：一是有利于夹杂 物碰撞长大；二是氩气泡可以捕捉夹杂物颗粒并携 带夹杂物颗粒一同上浮去除． 夹杂物 之 间 的 碰 撞 通 常 有 四 种 形 式 ［6］即 Ｂｒｏｗｎ碰撞Ｓｔｏｋｅｓ碰撞速度梯度碰撞和湍流碰撞． 根据各碰撞的定义来看在中间包钢液中属于 Ｂｒｏｗｎ碰撞和速度梯度碰撞的类型比较少而 Ｓｔｏｋｅｓ 碰撞和湍流碰撞是夹杂物碰撞长大的主要形式． （1） Ｓｔｏｋｅｓ碰撞与夹杂物的排出．Ｓｔｏｋｅｓ碰撞 的频率函数 βｉｊ ［6］如下式显然夹杂物的密度越小、 直径越大两颗粒粒径相差越大碰撞机会越多． βｉｊ＝ 2ｇ（ρｍ －ρｐ） 9μ π（ｄｉ＋ｄｊ） 2·｜ｒ 2 ｉ－ｒ 2 ｊ｜ （1） 式中ｄｉ、ｄｊ为夹杂物颗粒 Ｓｔｏｋｅｓ直径ｒｉ、ｒｊ为夹杂 物质点半径ρｍ 为钢液密度ρｐ为夹杂物密度μ为 钢液黏度ｇ为重力加速度． 在中间包吹氩条件下可以近似认为钢液中的 氩气泡是一个颗粒根据文献 ［7］钢液中常见夹杂 物与气体的接触角均大于 90°从理论上讲它们都 容易被气泡俘获．在中间包内氩气泡比夹杂物的粒 径要大得多其上浮速度也比夹杂物的运动速度要 快根据式 （1）上浮的氩气泡碰撞到夹杂物的频率 很大氩气泡俘获夹杂物后其整体的体积将变得更 大上浮速度也加快将更有利于其再碰撞到其他的 夹杂物如此反复在氩气泡上浮排出钢液面的过程 中将携带大量夹杂物上浮因而提高了钢水洁 净度． 文献 ［8］给出了夹杂物与气泡的碰撞概率 ＰＣ 的计算公式为： ＰＣ≈ 1∙5＋ 4Ｒｅ 0∙72 ｂ 15 · ｄｐ ｄｂ 2 0＜Ｒｅｂ＜400（2） 式中Ｒｅｂ为气泡的 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ准数ｄｐ 为夹杂物直 径ｄｂ为气泡直径． 显然大颗粒夹杂物更容易被气泡俘获小气泡 更有利于俘获夹杂物颗粒．要得到小的气泡除了 透气砖本身的性能和氩气流量外将氩气泡引入到 大的湍流强度钢流中是必要的因为当气泡处于湍 流强度大的区域时气泡周围大的波动速度梯度所 产生的剪切力可将大气泡击碎成小气泡．流体湍流 强度的大小可用湍流动能黏性耗散率 ε表示气泡 尺寸随湍流强度增加而减小．对于给定湍流强度的 流体气泡具有稳定的尺寸这一尺寸定义为最大稳 定气泡尺寸 ｄｂｍａｘ ［9］如下式： ｄｂｍａｘ＝ Ｗｅｃ·σ ρ 0∙6 · 1 ε 0∙4． （3） 式中Ｗｅｃ为临界 Ｗｅｂｅｒ准数σ为钢液表面张力ρ 为钢液密度ε为湍流动能黏性耗散率． 可见最大稳定气泡尺寸 ｄｂｍａｘ随湍流动能黏性 耗散率 ε的增大而减小即流体湍流强度越大气泡 尺寸越小．在中间包内只有注流区的钢流才具有 足够大的湍流强度因而在注流区吹氩可以得到更 ·429·