642 工程科学学报，第38卷，第5期 条件下上述理论的推导值进行比较，得到的结果如 图8所示 V.=(1119.7m+0.15) △pgc 2 (9) Pa 值得一提的是，温度对n、σ和p有较大影响，实 0.25 一开尔文-赫姆霍兹 一·一浅并滋生 ▲一奥特斯 一粒子成像测速 际生产中计算n、σ和P,的取值时应注意温度条件. 0.20 3结论 0.15 以5：1的钢包原型为研究对象，基于相似原理和 粒子图像测速技术，进行钢包卷渣的水模型实验研究， 0.10 解析渣滴进入钢包流场的全过程，并研究油的黏度对 临界卷渣速度的影响，得到如下结论 0.05 (1)对应实际0.7R底部半径的底吹气位置，在临 界卷渣气量时，钢包内流场分布为：底吹气体带动底吹 50CS 100CS 350CS 孔上方的钢液向上流动，上升流使钢渣界面形成一个 硅油类型 漩涡区，促进了渣滴的形成.从水油界面漩涡区向下的 图8临界卷渣速度水模型实验值和理论值的比较 水流受钢包壁面处向右水流的影响而向气柱区域流 Fig.8 Comparison of critical slag entrapment velocity between ex- 动，并且速度逐渐增大，进入气柱附近区域时在气柱上 perimental data by water modelling and theoretical results 升作用的影响下，改变方向向上运动，完成钢包内水流 从图8中可以看出：粒子图像测速实测出的钢包 整体的一个大回流 模型临界卷渣速度要远小于前三者的理论推导值：并 (2)临界卷渣过程钢渣界面变化可详细分为非常 且随黏度的增大，临界卷渣速度的实验值呈增大趋势， 平稳一出现微小凸起一凸起开始长大一凸起明显变 而前三者的理论推导值呈略微递减趋势. 大一凸起开始形成渣滴一椭球状渣滴将要与渣层脱 经分析，发现理论推导建立的临界卷渣速度模型 离一出现完整的渣滴一渣滴进入钢液八个阶段.在这 忽略了两个重要的因素：(1)以上理论模型分析都是 个过程中，渣滴脱离位置处的速度变化为先增大后减 假设渣滴在瞬时间获取钢液流速的能量，直接跳跃进 小再增大. 入钢液中.由粒子图像测速观察可知，渣滴完全卷入钢 (3)随着黏度的增加，临界卷渣速度不断增大，且 液的整个过程中，渣滴不是瞬间就卷入钢液，而是在钢 运动黏度与临界卷渣速之间近似为直线关系.对实验 渣界面有渣层凸起之后，气泡持续驱动的钢液流依旧 条件下黏度和临界卷渣速度的关系进行线性拟合为 能持续为之提供能量，这个能量大于一定程度后才会 V=73.91+0.0096. 使油滴脱落，完成整个卷渣过程，反之油滴会回到油层 (4)粒子图像测速实验测得的临界卷渣速度要比 中，这个阶段所需要的能量要小于卷渣完成的整个过 奥特斯、浅井滋生等推导的理论公式值小，因为传统临 程所需克服的界面能、内能变化和浮力功的总和.(2) 界卷渣速度的理论推导模型忽略了卷渣过程中能量提 黏度对卷渣是有影响的，而以上的理论推导中忽略了 供的持续性和黏度对卷渣的抑制作用.综合理论公式 黏度的抑制作用.因此，粒子图像测速实验测量的临界 特征和实验结果，得到实验条件下的临界卷渣速度修 卷渣速度要远小于理论计算公式得到的临界值. 2.2.2临界卷渣速度公式的修正 正公式为V.=(1119.7m+0.15) △Pg 分析式(3)、式(4)和式(5)可以综合得到 Ve.=M×N. (6) 考文献 其中，N= △pgo ,则 [Li Y H,Zhao L H,Bao Y P,et al.Flow characteristic of molten M=N steel in slab casting tundishes.JUniv Sci Technol Beijing,2014,36 (7) (1):21 M理论上应与钢渣厚度、钢渣与钢液密度比、钢渣 (李怡宏，赵立华，包燕平，等.板坯中间包内钢液流动特性.北 运动黏度相关.由表1可得本实验条件下N的数值为 京科技大学学报，2014,36(1)：21) 2] 0.066,将式(2)和N的数值代入式(7)可得 Feng J H.Li BB,Wei GZ,et al.Effect of different bottom blowing argon methods on LF refining.J Unin Sci Technol Beijing,2009,31 M=1119.7n+0.15. (8) (Suppl 1):7 将式(8)代回式(6)，由此可得实验条件下修正的 (冯聚合，李博斌，魏国增，等.钢包底吹氢方式对LF精炼的影 临界卷渣速度的公式为 响.北京科技大学学报，2009,31（增刊1）：7)工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 条件下上述理论的推导值进行比较，得到的结果如 图 8 所示． 图 8 临界卷渣速度水模型实验值和理论值的比较 Fig． 8 Comparison of critical slag entrapment velocity between ex￾perimental data by water modelling and theoretical results 从图 8 中可以看出: 粒子图像测速实测出的钢包 模型临界卷渣速度要远小于前三者的理论推导值; 并 且随黏度的增大，临界卷渣速度的实验值呈增大趋势， 而前三者的理论推导值呈略微递减趋势． 经分析，发现理论推导建立的临界卷渣速度模型 忽略了两个重要的因素: ( 1) 以上理论模型分析都是 假设渣滴在瞬时间获取钢液流速的能量，直接跳跃进 入钢液中． 由粒子图像测速观察可知，渣滴完全卷入钢 液的整个过程中，渣滴不是瞬间就卷入钢液，而是在钢 渣界面有渣层凸起之后，气泡持续驱动的钢液流依旧 能持续为之提供能量，这个能量大于一定程度后才会 使油滴脱落，完成整个卷渣过程，反之油滴会回到油层 中，这个阶段所需要的能量要小于卷渣完成的整个过 程所需克服的界面能、内能变化和浮力功的总和． ( 2) 黏度对卷渣是有影响的，而以上的理论推导中忽略了 黏度的抑制作用． 因此，粒子图像测速实验测量的临界 卷渣速度要远小于理论计算公式得到的临界值． 2. 2. 2 临界卷渣速度公式的修正 分析式( 3) 、式( 4) 和式( 5) 可以综合得到 Vcr = M × N． ( 6) 其中，N ( = Δρgσ ρ 2 ) sl 1 4 ，则 M = Vcr N ． ( 7) M 理论上应与钢渣厚度、钢渣与钢液密度比、钢渣 运动黏度相关． 由表 1 可得本实验条件下 N 的数值为 0. 066，将式( 2) 和 N 的数值代入式( 7) 可得 M = 1119. 7η + 0. 15． ( 8) 将式( 8) 代回式( 6) ，由此可得实验条件下修正的 临界卷渣速度的公式为 Vcr = ( 1119. 7η + 0. 15 ( ) Δρgσ ρ 2 ) sl 1 4 ． ( 9) 值得一提的是，温度对 η、σ 和 ρsl有较大影响，实 际生产中计算 η、σ 和 ρsl的取值时应注意温度条件． 3 结论 以 5∶ 1的钢包原型为研究对象，基于相似原理和 粒子图像测速技术，进行钢包卷渣的水模型实验研究， 解析渣滴进入钢包流场的全过程，并研究油的黏度对 临界卷渣速度的影响，得到如下结论． ( 1) 对应实际 0. 7Ｒ 底部半径的底吹气位置，在临 界卷渣气量时，钢包内流场分布为: 底吹气体带动底吹 孔上方的钢液向上流动，上升流使钢渣界面形成一个 漩涡区，促进了渣滴的形成． 从水油界面漩涡区向下的 水流受钢包壁面处向右水流的影响而向气柱区域流 动，并且速度逐渐增大，进入气柱附近区域时在气柱上 升作用的影响下，改变方向向上运动，完成钢包内水流 整体的一个大回流． ( 2) 临界卷渣过程钢渣界面变化可详细分为非常 平稳—出现微小凸起—凸起开始长大—凸起明显变 大—凸起开始形成渣滴—椭球状渣滴将要与渣层脱 离—出现完整的渣滴—渣滴进入钢液八个阶段． 在这 个过程中，渣滴脱离位置处的速度变化为先增大后减 小再增大． ( 3) 随着黏度的增加，临界卷渣速度不断增大，且 运动黏度与临界卷渣速之间近似为直线关系． 对实验 条件下黏度和临界卷渣速度的关系进行线性拟合为 Vcr = 73. 9η + 0. 0096． ( 4) 粒子图像测速实验测得的临界卷渣速度要比 奥特斯、浅井滋生等推导的理论公式值小，因为传统临 界卷渣速度的理论推导模型忽略了卷渣过程中能量提 供的持续性和黏度对卷渣的抑制作用． 综合理论公式 特征和实验结果，得到实验条件下的临界卷渣速度修 正公式为 Vcr = ( 1119. 7η + 0. 15 ( ) Δρgσ ρ 2 ) sl 1 4 ． 参 考 文 献 ［1］ Li Y H，Zhao L H，Bao Y P，et al． Flow characteristic of molten steel in slab casting tundishes． J Univ Sci Technol Beijing，2014，36 ( 1) : 21 ( 李怡宏，赵立华，包燕平，等． 板坯中间包内钢液流动特性． 北 京科技大学学报，2014，36( 1) : 21) ［2］ Feng J H，Li B B，Wei G Z，et al． Effect of different bottom blowing argon methods on LF refining． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31 ( Suppl 1) : 7 ( 冯聚合，李博斌，魏国增，等． 钢包底吹氩方式对 LF 精炼的影 响． 北京科技大学学报，2009，31( 增刊 1) : 7) · 246 ·