吹氬鋼液精煉過程氣泡去夾雜機(jī)理研究_圖文

1、第43卷第6期2008年6月鋼鐵Iron and SteelVol.43,No.6J une 2008吹氬鋼液精煉過程氣泡去夾雜機(jī)理研究鄭淑國(guó),朱苗勇(東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院,遼寧沈陽110004摘要:基于相似理論,選擇乳狀液滴作為模擬夾雜物,利用物理模型研究了吹氬鋼液精煉過程氣泡去夾雜機(jī)理,考察了工藝參數(shù)對(duì)夾雜物去除規(guī)律的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:較小和較大氣量均有較好的去夾雜效果。通過研究可以看出,較小和較大氣量范圍內(nèi),夾雜物分別主要通過小氣泡粘附和大氣泡的尾流捕捉去除。關(guān)鍵詞:吹氬;鋼液精煉;氣泡去夾雜;物理模擬中圖分類號(hào):TF769.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):04492749X (2008

2、0620025205Mechanism of Inclusion R emoval From Molten Steel byBubbles During the R ef ining Process With Argon B lowingZH EN G Shu 2guo ,ZHU Miao 2yong(School of Materials and Metallurgy ,Northeastern University ,Shenyang 110004,Liaoning ,China Abstract :A physical model was established by choosing

3、emulsion drops simulated as inclusions to study the mecha 2nism of inclusion removal from molten steel by bubbles during the refining process with argon blowing ,and the effect of operation parameters on inclusion removal was investigated.The results show that both the smaller and the larger gas flo

4、wrates seemed to be efficient for inclusion removal.The inclusions are mainly removed by attachment to bubbles at smaller gas flowrate and mainly removed by capture in the wakes behind big bubbles at larger gas flow 2rate.K ey w ords :argon blowing ;secondary refining of molten steel ;inclusion remo

5、val by bubbles ;physical model基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金與上海寶鋼集團(tuán)聯(lián)合資助項(xiàng)目(50274022,50674020吹氬能均勻鋼液的溫度和成分,同時(shí)也有利于鋼液中夾雜的去除。但目前對(duì)這一過程的氣泡去夾雜機(jī)理還不是十分清楚。絕大多數(shù)認(rèn)為氣泡去夾雜的基本原理是氣泡粘附去除夾雜物15,并被廣泛應(yīng)用于精煉過程夾雜物的數(shù)學(xué)模擬68。但也有研究者認(rèn)為夾雜物主要是通過卷入到氣泡的尾流中去除而不是通過氣泡粘附去除9。本文采用可以模擬夾雜物碰撞與長(zhǎng)大行為的乳狀液滴來模擬夾雜物,通過物理模擬考察了吹氬鋼包精煉過程夾雜物的去除規(guī)律。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,對(duì)氣泡去夾雜的機(jī)理進(jìn)行了研究

6、。1實(shí)驗(yàn)原理及方法1.1幾何相似和動(dòng)力相似針對(duì)300t 鋼包,本實(shí)驗(yàn)確定幾何相似比例為19。鋼包吹氣精煉體系,只要保證模型及原型的整體弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等,就能基本保證它們的動(dòng)力相似,由此可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)于原型的底吹氣體流量10,原型和模型的主要參數(shù)見表1。1.2模擬介質(zhì)的確定采用食鹽水模擬鋼液,用空氣模擬氬氣。對(duì)于夾雜物的模擬,Sahai 和Emi 指出11,模型與原型中表1原型和模型及其介質(zhì)的主要參數(shù)T able 1Main parameters of model ,prototype and their media項(xiàng)目鋼包上口直徑/mm鋼包下口直徑/mm熔池深度/mm密度/(kg m -3液體夾

7、雜物氣體1氣體流量/4564194691.06×103(NaCl 溶液1.046×103(乳狀溶液1.205(空氣1.19×10-216.63×10-21T =273K ,p =1.013×105Pa 。鋼鐵第43卷夾雜物的尺寸存在一個(gè)定量關(guān)系,即 R inc ,m R inc ,p =0.251-inc ,p st 1-inc ,m w0.5(1式中,R 為半徑,m ;為密度,kg/m 3;下標(biāo)m 和p 分別代表模型和原型;下標(biāo)inc 代表夾雜;下標(biāo)st 代表鋼液;下標(biāo)w 代表水溶液(本實(shí)驗(yàn)中代表食鹽水。當(dāng)夾雜物與液體的接觸角大于90

8、6;時(shí),幾乎所有到達(dá)氣泡表面的夾雜物都能被氣泡捕獲,且與接觸角的大小無關(guān)3。而鋼液中常見的脫氧產(chǎn)物Al 2O 3和SiO 2與鋼液的接觸角分別是114°和115°,故它們很容易粘附到氣泡上;且由于接觸角比較大,夾雜物碰撞后會(huì)形成簇狀物。由式(1可知,模型與原型中夾雜物密度不必嚴(yán)格滿足相似第二定律要求,即模擬夾雜物與食鹽水的密度之比等于夾雜物與鋼液的密度之比。本實(shí)驗(yàn)采用一種不溶于水、常溫下不揮發(fā)且穩(wěn)定的乳狀液滴來模擬夾雜物。該乳狀液滴不被水所潤(rùn)濕,故該乳狀液滴也很容易粘附到氣泡上且多個(gè)液滴碰撞后會(huì)因?yàn)榻缑鎻埩ψ饔枚纬纱貭钗?。因?所選擇的模擬夾雜物能較好地模擬實(shí)際過程中夾雜

9、物的行為。圖1為實(shí)驗(yàn)拍攝到的夾雜物碰撞長(zhǎng)大圖。原型與模型介質(zhì)的有關(guān)參數(shù)見表1。將=1/9及表1中有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1可以得到模型與原型夾雜物尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)Al 2O 3夾雜:R inc ,m R inc ,p =D inc ,mD inc ,p=3.37(2對(duì)SiO 2夾雜:R inc ,m R inc ,p =D inc ,mD inc ,p=3.95(3式(2和(3中,D 為直徑,m 。圖1夾雜物碰撞長(zhǎng)大圖Fig.1Diagram of collision and aggregationamong several inclusions實(shí)驗(yàn)中乳狀液滴的形貌及初始粒度分布如圖2所示,其當(dāng)量直

10、徑為379m ,則由式(2和(3可知該乳狀液滴可以模擬初始當(dāng)量直徑為112.5m 的Al 2O 3夾雜物或95.9m 的SiO 2夾雜物。1.3實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示?？諝鈴匿摪撞?距底部中心1/2R 處通過透氣磚吹入,流量為1.19×10-216.63×10-2m 3/h 。100mL 乳狀液通過特定的方法(將乳狀液通過快速流動(dòng)的流體注入鋼包均勻分散在鋼包中,夾雜物的初始數(shù)量密度為50個(gè)/cm 3(基于上述乳狀液滴的初始當(dāng)量直徑得到。然后開始吹氣,同時(shí)從鋼包底緩緩注入與鋼包內(nèi)密度相同的食鹽水,這樣隨著溢出的溶液,鋼包內(nèi)上浮至表面的乳狀液也隨之流出,每隔一定時(shí)間收集溢

11、出的乳狀液和食鹽水的混合物,通過一定的方法得到純?nèi)闋钜?則某一時(shí)刻夾雜物的去除率為:k =ki =1V t iV 0(4 圖2乳狀液滴的形貌(a及初始粒度分布(bFig.2Morphology (aand initial size distribution (bof emulsion drops62第6期鄭淑國(guó)等:吹氬鋼液精煉過程氣泡去夾雜機(jī)理研究 式中,k 表示前k 次時(shí)間段內(nèi)去除率之和;V 0為初始加入的乳狀液的體積,m 3;V t i 為第i 個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)去除的乳狀液的體積,m 3;t i 表示第i 個(gè)時(shí)間間隔。需要說明的是,對(duì)于夾雜物的初始狀態(tài),本實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是鋼包吹氬初始時(shí)刻的夾雜物初

12、始狀態(tài);此外,圖2由于用二維的照片來顯示乳狀液滴形貌(實(shí)際上拍攝的是三維空間內(nèi)的,故圖上顯示的夾雜物數(shù)量密度偏大,實(shí)際上其并不太大,如上所述,夾雜物的初始數(shù)量密度為50個(gè)/cm 3。通過對(duì)不同操作參數(shù)(吹氣時(shí)間、吹氣量條件下夾雜物去除率的定量分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來研究氣泡去夾雜的機(jī)理。 圖3實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3Schem atic of the experimental setup2結(jié)果分析與討論2.1不同吹氣量對(duì)夾雜物去除行為的影響由于還沒有有關(guān)鋼液中氣泡去夾雜的成熟理論,因此目前的做法是將選礦過程的單個(gè)氣泡與礦物顆粒的相互作用過程理論應(yīng)用到鋼液中氣泡與夾雜物的作用過程中。假設(shè)冶金過程鋼液

13、中氣泡和夾雜物的相互作用機(jī)理與選礦過程水溶液中氣泡與礦物顆粒的作用機(jī)理相似,則單個(gè)夾雜物顆粒被單個(gè)氣泡粘附去除的過程可分為氣泡與夾雜接近、液膜形成、夾雜在氣泡表面振蕩或滑移、液膜變薄并破裂、氣泡與夾雜穩(wěn)定的粘附在一起、氣泡與夾雜一起上浮等6個(gè)微過程2。Wang 等1在上述氣泡粘附去除夾雜理論的基礎(chǔ)上,提出了鋼液中氣泡被粘附去除的概率公式。吹氬鋼包內(nèi)的氣泡行為隨底吹氣量的變化而不同。由圖2可以看出,氣泡行為分為3種狀態(tài):當(dāng)吹氣量較小(見圖6(a 、(b 時(shí),氣泡呈分散的氣泡群且多數(shù)氣泡直徑小于2mm ;當(dāng)吹氣量中等大小(見72鋼鐵第43卷圖6(c 、(d 時(shí),透氣磚產(chǎn)生的仍為相對(duì)較小的氣泡,但一

14、些氣泡長(zhǎng)大成大氣泡;當(dāng)吹氣量比較大(見圖6(e 、(f 時(shí),透氣磚產(chǎn)生的是布袋型的大氣泡,氣泡群里基本上沒有小氣泡。第三種狀態(tài)產(chǎn)生的氣泡直徑比較大,根據(jù)粘附去除理論,此氣量范圍去夾雜的效果應(yīng)該比較差,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明大氣量同樣具有比較好的去夾雜效果且其效果比小氣量的效果還要好(見圖5,這說明粘附去除理論已不適合解釋大氣量條件下氣泡去夾雜機(jī)理。 (a 1.19×10-2m 3/h ;(b 3.56×10-2m 3/h ;(c 4.75×10-2m 3/h ;(d 7.13×10-2m 3/h ;(e 14.26×10-2m 3/h ;(f 16.6

15、3×10-2m 3/h圖6典型氣量的氣泡行為Fig.6B ehaviors of bubbles at typical flow rates如前所述,有的研究者認(rèn)為夾雜物主要是通過卷入到氣泡的尾流中去除而不是通過氣泡粘附去除。但夾雜物卷入到氣泡尾流中去除的過程未見詳細(xì)報(bào)道,本文將對(duì)這一過程進(jìn)行闡述。大氣量產(chǎn)生的氣泡比較大(見圖6(e 、(f ,氣泡后面存在尾流區(qū),如圖7所示。熔池中的夾雜物一方面隨鋼液流動(dòng),一方面由于自身密度與鋼水密度差而做斯托克斯上浮,當(dāng)夾雜物靠近快速上浮的大氣泡尾流區(qū)時(shí),由于此區(qū)壓力比較低,夾雜物很容易被卷入尾流區(qū),而且由于尾流區(qū)的湍流強(qiáng)度比較大,夾雜物做循環(huán)流動(dòng)

16、并同時(shí)隨氣泡一起上浮?？梢?單個(gè)夾雜物顆粒被單個(gè)氣泡尾流捕捉去除的過程可分為3個(gè)微過程,即夾雜靠近氣泡尾流區(qū)、夾雜進(jìn)入氣泡尾流區(qū)、夾雜在氣泡尾流區(qū)作循環(huán)流動(dòng)并隨氣泡一起上浮。圖7氣泡尾流示意圖Fig.7Schem atic of bubble w ake鋼液吹氬精煉過程中,吹氣量較小時(shí),氣泡群體積大且含有大量小直徑的氣泡(多數(shù)小于2mm ,見圖6(a 、(b ,而小氣泡有利于粘附去除夾雜物15。較小氣量主要是通過氣泡粘附去除夾雜物,故較小氣量有較好的去夾雜效果。并在一定的氣量范圍內(nèi),夾雜物的去除效果相差不大,其中相對(duì)較大的氣量由于增大了鋼包內(nèi)流體的湍動(dòng)能從而增加了夾雜物碰撞長(zhǎng)大的機(jī)會(huì),促使更多

17、的夾雜物易于去除,因此有相對(duì)較優(yōu)的去夾雜效果。但隨著氣量的再次增大,去夾雜的效果會(huì)明顯變差(對(duì)應(yīng)于4.75×10-2m 3/h 的氣量。這是因?yàn)?氣泡直徑隨氣量的增加而增大,過大的氣量會(huì)使氣泡的直徑明顯變大、氣泡的數(shù)量顯著減少(見圖6(c ,這些均不利于粘附去除夾雜物。隨著氣量進(jìn)一步增大,由于氣泡直徑已經(jīng)比較大(見圖6(d 、(e 、(f ,夾雜物已不再通過氣泡粘附去除,而主要是通過卷入到氣泡的尾流中去除。由于隨著吹氣量的增大,氣泡的直徑、速度不斷增大,這均有利于氣泡尾流卷入夾雜,故隨著吹氣量的增加去夾雜效果越來越好;當(dāng)氣量增大到一定程度時(shí),氣泡的直徑、速度隨氣量的增加變化不大(見圖

18、6(e 、(f ,故隨氣量的增加去夾雜效果相差不大。大氣量(14.26×10-2和16.63×10-2m 3/h 的去夾雜效果好于小氣量(1.19×10-23.56×10-2m 3/h 主要有以下兩方面的原因:一方面大氣量相82第6期鄭淑國(guó)等:吹氬鋼液精煉過程氣泡去夾雜機(jī)理研究對(duì)于小氣量增加了鋼包內(nèi)流體的湍動(dòng)能從而增加了夾雜物碰撞長(zhǎng)大的機(jī)會(huì),促使更多的夾雜物易于去除;另一方面粒徑較小的夾雜物容易卷入大氣泡尾流去除而不易被氣泡粘附去除。需要說明的是,過大的氣量可能會(huì)導(dǎo)致鋼包表面卷渣,從而污染鋼液。故選擇吹氣量時(shí)要綜合考慮其去夾雜效果和鋼2渣界面卷渣行為。3

19、結(jié)論(1較小氣量(1.19×10-23.56×10-2m3/h和較大氣量(14.26×10-2和16.63×10-2m3h均有較好的去夾雜效果。(2大、小氣量條件下氣泡去夾雜機(jī)理不同。較小氣量范圍內(nèi)(1.19×10-23.56×10-2m3/h,夾雜物主要通過大量彌散的小氣泡粘附去除;較大氣量范圍內(nèi)(4.75×10-216.63×10-2m3/h,夾雜物主要通過大氣泡的尾流捕捉去除。(3大氣泡的尾流捕捉是去夾雜的重要方式,但目前還未見將其應(yīng)用于夾雜物行為的數(shù)學(xué)模擬中,因此應(yīng)進(jìn)一步探索如何將其應(yīng)用于數(shù)學(xué)模擬中,從而使

20、數(shù)學(xué)模擬能更真實(shí)地描述氣泡去夾雜行為。參考文獻(xiàn):1WAN G Lai2hua,Lee H G,Hayes P.Prediction of t he Opti2mum Bubble Size for Inclusion Removal From Molten Steel byFlotationJ.ISI J Int.,1996,36(1:7.2ZHAN G Li2feng,Taniguchi S.Fundamentals of InclusionRemoval From Liquid Steel by Attachment to Rising BubblesJ.Iron and Steelmak

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