氬鋼液精煉過程氣泡去夾雜機理研究_圖文

1、 26鋼鐵第43卷夾雜物的尺寸存在一個定量關(guān)系,即 磐掣。I止篁I 比nc,-|f1一巳業(yè)1L陽/J式中,R為半徑,m;lD為密度,kg/m3;下標m和P分別代表模型和原型;下標inc代表夾雜;下標st代表鋼液;下標w代表水溶液(本實驗中代表食鹽水。當(dāng)夾雜物與液體的接觸角大于90。時,幾乎所有到達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)跚。而鋼液中常見的脫氧產(chǎn)物Al:0。和Si02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,夾雜物碰撞后會形成簇狀物。由式(1可知,模型與原型中夾雜物密度不必嚴格滿足相似第二定律要求,即模擬夾雜物與食鹽水的密度

2、之比等于夾雜物與鋼液的密度之比。本實驗采用一種不溶于水、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濕,故該乳狀液滴也很容易粘附到氣泡上且多個液滴碰撞后會因為界面張力作用而形成簇狀物。因此,所選擇的模擬夾雜物能較好地模擬實際過程中夾雜物的行為。圖1為實驗拍攝到的夾雜物碰撞長大圖。原型與模型介質(zhì)的有關(guān)參數(shù)見表1。將A一1/9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應(yīng)關(guān)系。對Al:O。夾雜:RFinctm:FDinc,m一3.37(2R。,p Di。p對SiOz夾雜:RFine,mFDinc,m一3.95(3R%pDi。,p式(2和(3中,D為直徑,m。 蓮瓤求

3、番蛙圖1夾雜物碰撞長大圖Fig.1Diagram of collision and aggregation among several inclusions實驗中乳狀液滴的形貌及初始粒度分布如圖2所示,其當(dāng)量直徑為379弘m,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112.5pm的A120。夾雜物或95.9仁m的Si02夾雜物。1.3實驗方法實驗裝置如圖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1.19×10卅16.63×10卅m3/h。100mL乳狀液通過特定的方法(將乳狀液通過快速流動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

4、度為50個/em3(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,每隔一定時間收集溢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?則某一時刻夾雜物的去除率為:V啦一蘭(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 emulsiondrops 鋼鐵第43卷圖6(c、(d時,透氣磚產(chǎn)生的仍為相對較小的氣泡,但一些氣泡長大成大氣泡;當(dāng)吹氣量比較大(見圖6(e、(f時,透氣磚產(chǎn)生的是布袋型的

5、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,但實驗結(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理。(a1.19×IO一2in3/b;(b3.56×102m3/hI(c4.75X102Ep.3/h;(d7.13×lO一2m3/h;(e14.26×102m3/h;(f16.63X102m3/h圖6典型氣量的氣泡行為Fig.6Behaviors of bubbles at typical flowra

6、tes如前所述,有的研究者認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報道,本文將對這一過程進行闡述。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,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,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)的湍流強度比較大,夾雜物做循環(huán)流動并同時隨氣泡一起上浮。可見,單個夾雜物顆粒被單個氣泡尾流捕捉去除的過程可分為3個微過程,即夾雜靠近氣泡尾流區(qū)、夾雜進入氣泡尾流區(qū)、夾雜在氣泡尾流區(qū)作

7、循環(huán)流動并隨氣泡一起上浮。圖7氣泡尾流示意圖Fig.7Schematic of bubble wake鋼液吹氬精煉過程中,吹氣量較小時,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,其中相對較大的氣量由于增大了鋼包內(nèi)流體的湍動能從而增加了夾雜物碰撞長大的機會,促使更多的夾雜物易于去除,因此有相對較優(yōu)的去夾雜效果。但隨著氣量的再次增大,去夾雜的效果會明顯變差(對應(yīng)于4.75×10-2ITl3/h的氣量。這是因為,氣泡直徑隨氣量的增加而增大,過大的氣量會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,氣泡的直徑、速度隨氣量的增加變化不大(見圖6(e、