鋼包在線底吹氬及夾雜去除的物理模擬研究

程普紅,馬國軍,薛正良,黃源升

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081)

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鋼包在線底吹氬及夾雜去除的物理模擬研究

程普紅,馬國軍,薛正良,黃源升

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081)

采用物理模擬的方法，研究鋼包在線底吹氬時，鋼包內(nèi)鋼液量、渣層厚度、底吹氣體流量等參數(shù)對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響，以及鋼包在線底吹氬工藝對鋼液中夾雜去除率的影響。結(jié)果表明，鋼包臨界卷渣底吹氣體流量隨著澆鑄的進(jìn)行而逐漸減??；在鋼液量相同時，鋼包頂部鋼液裸露面積隨著底吹氣體流量的增加而逐漸增大；在底吹氣體流量相同時，鋼包頂部鋼液裸露面積隨著鋼液液面高度的下降而逐漸減?。辉鼘釉胶?，鋼液裸露面積越?。辉诘状禋怏w流量較小時，透氣磚無堵塞與堵塞50%時造成的鋼液裸露面積大小相近，但隨著底吹氣體流量的增加，透氣磚堵塞50%時較無堵塞時造成的鋼液裸露面積大；鋼包在線底吹氬可以提高鋼液中夾雜物的去除率。

鋼包；底吹氬；夾雜物；去夾雜；物理模擬

鋼包底吹氬能加速鋼液傳質(zhì)、傳熱、均勻鋼水成分和溫度，改善其澆鑄性，并能去除鋼中的夾雜物及氣體[1]。然而，如果底吹氣體流量過大會導(dǎo)致鋼包中頂渣卷混，從而使鋼中出現(xiàn)大顆粒夾雜物，同時，鋼液裸露面積過大也會導(dǎo)致鋼液二次氧化和溫降，影響其潔凈度。鋼包在線底吹氬是將原來在爐外精煉處理進(jìn)行的軟吹和靜置工藝部分或全部移至連鑄過程中，在連鑄澆鑄的同時進(jìn)行底吹氬，可以大大節(jié)省爐外精煉的底吹氬和靜置處理時間[2]。

由于鋼包底吹氬操作的復(fù)雜性及高溫特征，有研究人員采用數(shù)值模擬或物理模擬方法，研究底吹透氣磚數(shù)量、布置位置和吹氣流量等參數(shù)對精煉過程中鋼水混勻時間、夾雜物去除效果的影響，進(jìn)而優(yōu)化鋼包底吹氬的工藝參數(shù)[3-4]。為此，本研究采用物理模擬的方法，研究鋼包在線底吹氬時，鋼包內(nèi)鋼液量、渣層厚度、底吹氣體流量等參數(shù)對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響，以及鋼包在線底吹氬對鋼液中夾雜去除率的影響，以期為優(yōu)化鋼包在線底吹氬工藝參數(shù)提供參考。

1 實驗

1.1 模擬介質(zhì)及相關(guān)參數(shù)的確定

應(yīng)用相似原理建立物理模型，并保證模型和原型之間幾何相似和動力相似。本實驗中模型與原型的幾何尺寸比為1∶4，模型以水模擬鋼液，以空氣模擬氬氣，原型與模型的參數(shù)見表1。

表1 鋼包原型與模型的主要參數(shù)

Table 1 Major parameters of the prototype and model of ladle

項目上口內(nèi)徑/mm下口內(nèi)徑/mm熔池深度/mm原型269623882940模型674597735

根據(jù)模型和原型的修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等，可得模型和原型氣體流量的關(guān)系式：

(1)

式中：Qm、Qp分別為模型和原型的氣體流量，m3/h；ρg,p、ρg,m分別為原型和模型的氣體密度，kg/m3;ρl,p、ρl,m分別為原型和模型的液體密度，kg/m3；dp、dm分別為原型和模型的噴嘴直徑,mm；Hp、Hm分別為鋼包內(nèi)鋼液和水的高度，m。

此外，鋼-渣界面的流動主要受界面張力的影響，因此，界面狀態(tài)的模擬還要保證韋伯準(zhǔn)數(shù)相等[5]。由此可以得出模擬鋼渣的密度為：

(ρl,p-ρs)

(2)

(3)

式中:ul,p、ul,m分別為鋼液和水的速度，m/s；ρo、ρl,m分別為模擬鋼渣和水的密度，kg/m3；ρl,p、ρs分別為鋼液和熔渣的密度，kg/m3；σl,p-s、σl,m-o分別為鋼-渣界面和水-模擬鋼渣界面張力，N/m。

根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]，取σl,m-o=0.044 N/m，σl,p-s=1.22 N/m，ρl,p=7020 kg/m3，ρs=3500 kg/m3，ρl,m=1000 kg/m3，ρg,p=1.784 kg/m3，ρg,m=1.293 kg/m3，并取dm∶dp=1∶4，Hm∶Hp=1∶4,代入式(1)～式(3)，可得：

Qm=0.0273Qp,ρo=867.4 kg/m3

(4)

因此，實驗中可采用混合油(真空泵油和航空煤油)來模擬鋼渣。

原型和模型中夾雜物的密度、尺寸與溶液密度之間存在的關(guān)系式[5]為：

(5)

式中：R為夾雜物顆粒的半徑，μm；ρ為密度，kg/m3;λ為幾何相似比；下標(biāo)m、p分別代表模型和原型；下標(biāo)inc、st、w分別代表夾雜、鋼液和水。

由式(5)可知，原型與模型中夾雜物的密度不需要嚴(yán)格滿足相似第二定律的要求，即只需模型中水與夾雜物的密度比與原型中鋼液與夾雜物的密度比相等,因此，選用乳狀液鄰苯二甲酸二辛酯模擬鋼液中的夾雜,該乳狀液滴幾乎不被水潤濕，也能較好地模擬鋼中夾雜物碰撞長大行為[8-10]。

1.2 實驗方法

以 80 t鋼包為原型建立水模型，實驗裝置示意圖如圖1所示。實驗中先將鋼包模型中加滿水，再倒入提前稱量好的鄰苯二甲酸二辛酯，待攪拌混勻之后，立即吹氣并以一定拉速澆鑄。

在實驗過程中，在鋼包底部采用不同氣體流量吹氣，在液面位置和鋼包壁面放置刻度標(biāo)尺，并用高清攝像機(jī)攝像，記錄液面裸露和鋼渣卷混情況，從每組實驗的攝像視頻中分別截取6張圖片，將圖片導(dǎo)入專業(yè)軟件Image-Pro Plus，計算出液面裸露面積和渣滴的平均下降高度。

1—鋼包模型；2—出水口調(diào)節(jié)閥；3—支架；4—進(jìn)氣管；5—氣體流量計；6—空氣壓縮機(jī)；7—液體流量計；8—收集容器； 9—攝像機(jī)

圖1 實驗裝置示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

在澆鑄過程中收集在不同澆鑄量時出口排出的混合物，通過處理得到純鄰苯二甲酸二辛酯的量，然后計算其與鄰苯二甲酸二辛酯總加入量的比值，即為夾雜物的去除率。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼包臨界卷渣底吹氣體流量與液體澆鑄量的關(guān)系

當(dāng)氣體吹入渣層，液體受氣體的抽引而形成環(huán)流運動，由于液體與油滴的界面張力作用，環(huán)流向下運動的液體牽引油滴向下運動，由于油滴密度小于水，存在一定向上的浮力，將油滴向下運動到最低處與原位置的高度差，作為油滴的下降高度。隨著底吹氣體流量的增大，油滴的慣性力導(dǎo)致其向下速度增大，油滴脫落渣層不能返回的底吹氣體流量，則為臨界卷渣底吹氣體流量。底吹氣體流量對油滴下降高度的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著底吹氣體流量的增加，油滴下降高度逐漸增加，且鋼包內(nèi)鋼液量越多，油滴下降越深。

圖2 底吹氣體流量對油滴下降高度的影響

Fig.2 Effect of bottom blowing gas flow on deceasing height of oil droplets

臨界卷渣底吹氣體流量與液體澆鑄量的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著液體澆鑄量逐漸增加(即液面高度下降)，油滴脫落的臨界卷渣底吹氣體流量逐漸減少。這是因為，在鋼包內(nèi)液面較高時，氣泡從透氣磚出來會上浮聚集，且氣泡會向四周分散，增大了氣液兩相區(qū)，吹開的裸露區(qū)域增大，且熔池越深，吹入的氣體到達(dá)液面頂部時，氣體向上的沖擊勢能遠(yuǎn)低于液面淺的情況，油層受從波峰處下降鋼液的剪切作用相對較小。當(dāng)澆鑄超過鋼包內(nèi)鋼液量的60%～70%后，臨界卷渣底吹氣體流量持續(xù)下降，如控制不當(dāng)容易引起卷渣，此時應(yīng)停止采用在線底吹氬澆鑄。

圖3 臨界卷渣底吹氣體流量與液體澆鑄量的關(guān)系

Fig.3 Variation of critical bottom blowing gas flow of entrapped slag with liquid volume of casting

2.2 底吹氣體流量對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響

底吹氣體流量對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，在鋼液液面高度相同時，鋼包頂部鋼液裸露面積隨著底吹氣體流量的增加而增大；隨著鋼液液面高度的降低，鋼包頂部鋼液裸露面積逐漸減小。這是因為，在底吹氣體流量較小時，從透氣磚出來的少量分散小氣泡呈無序狀流動，發(fā)生相互碰撞后聚合成為大氣泡，帶動鋼液不穩(wěn)定流動，使小氣泡向邊部移動，隨著底吹氣體流量的增加，氣泡數(shù)量增多，由中心被擠向邊部的距離逐漸增大，到達(dá)渣-鋼界面時，渣層被吹開的面積也就隨之增大。從圖4中還可以看出，在底吹氣體流量相同時，隨著鋼液液面高度的下降，鋼包頂部鋼液裸露面積逐漸減小。這主要是由于鋼液量減小后，液體高度下降，透氣磚出口形成的小氣泡以及碰撞聚合后的大氣泡受液體浮力做的功逐漸減小，氣泡到達(dá)渣層位置吹開渣層的能力也就依次變小，從而形成鋼液的裸露面積也逐漸減小。

圖4 底吹氣體流量對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響

Fig.4 Effect of bottom blowing gas flow on bare area of liquid steel at top of ladle

2.3 渣層厚度對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響

不同渣厚下底吹氣體流量對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，在渣層厚度不變時，鋼液裸露面積隨著氣體流量的增大而逐漸增大，在相同氣體流量時，鋼液裸露面積比隨著渣層厚度的增加而逐漸減小。這主要是由于渣層厚度增加，渣層對氣體的阻礙加大，使氣體能量損失增加，導(dǎo)致氣體水平運動的速度下降、驅(qū)動渣層向外擴(kuò)散的動力降低。從圖5中還可以看出，在渣厚為50 mm和氣體流量為3×10-3m3/min時，氣體不能吹開渣層形成液面裸露。

圖5 不同渣厚下底吹氣體流量對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響

Fig.5 Effect of bottom blowing gas flow on bare area of liquid steel at top of ladle with different thicknesses of slag layer

2.4 透氣磚堵塞對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響

隨著澆鑄的進(jìn)行，容易出現(xiàn)底吹透氣磚的部分堵塞，鋼包底部透氣磚堵塞對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響如圖6所示。從圖6中可以看出，鋼包頂部鋼液的裸露面積隨著底吹氣體流量的增加而增大；在底吹氣體流量較小時，透氣磚堵塞50%時鋼包頂部鋼液的裸露面積與透氣磚無堵塞時相近；隨著底吹氣體流量的增加，透氣磚堵塞50%時鋼液的裸露面積會超過無堵塞情況下鋼液的裸露面積。這是因為，在底吹氣體流量相同時，透氣磚如部分堵塞，氣體出口面積減小，使出口處壓強(qiáng)增大，導(dǎo)致吹出的氣體速度和產(chǎn)生的氣泡能量均大于無堵塞時的情況，從而吹開渣層形成的液面裸露面積增大。

圖6 透氣磚堵塞對鋼包頂部鋼液裸露面積的影響

Fig.6 Effect of purging plug blocking on bare area of liquid steel at top of ladle

2.5 鋼包在線底吹氬對夾雜去除的影響

鋼包在線底吹氬工藝對鋼液中夾雜物去除的影響如圖7所示。從圖7中可以看出，采用在線底吹氬可以提高鋼液中夾雜物的去除率。這是因為，在無底吹時，鋼包中僅有由于重力驅(qū)動液體而形成的流場，鋼液流動緩慢或者部分處于死區(qū)狀態(tài)，流動效果較差，夾雜物之間碰撞長大的概率低，難以上升去除而隨鋼液流入中間包；而采用在線底吹氬時，氣體帶動鋼液做環(huán)流運動，利于夾雜物之間相互碰撞、聚集，進(jìn)而長大上浮被頂渣吸收，降低夾雜物進(jìn)入中間包或鑄坯的比例。

圖7 鋼包在線底吹氬工藝對鋼液中夾雜物去除的影響

Fig.7 Effect of the on-line Ar bottom blowing process of ladle on inclusions removal in liquid steel

3 結(jié)論

(1)采用鋼包在線底吹氬工藝，在鋼液量相同時，鋼包頂部鋼液裸露面積隨著底吹氣體流量的增加而增大；在底吹氣體流量相同時，鋼包頂部鋼液裸露面積隨著鋼液液面高度的下降而減?。辉鼘釉胶?，鋼液裸露面積越小。

(2)在底吹氣體流量較小時，透氣磚無堵塞與堵塞50%時造成鋼包頂部鋼液裸露面積大小相近，但隨著底吹氣體流量的增加，透氣磚堵塞50%時造成鋼包頂部鋼液的裸露面積要大于無堵塞時鋼液的裸露面積。

(3)鋼包臨界卷渣底吹氣體流量隨著澆鑄的進(jìn)行而逐漸減小，鋼包在線底吹氬能減少夾雜物進(jìn)入中間包的比例，更好地改善鋼液質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯 張惠芳]

Physical simulation of on-line Ar bottom blowing of ladle and its inclusions removal

ChengPuhong,MaGuojun,XueZhengliang,HuangYuansheng

(Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081,China)

With physical simulation method, the effects of ladle process parameters including liquid steel volume in the ladle, thicknesses of slag layer ,bottom blowing gas flow on the bare area of liquid steel at top of ladle and its inclusions removal under the condition of the on-line Ar bottom blowing were investigated. The results show that the critical bottom blowing gas flow of entrapped slag gradually decreases along with proceeding of casting process. With the same volume of liquid steel, the bare area of liquid steel at top of ladle gradually increases with the increase of bottom blowing gas flow. At the same bottom blowing gas flow, the bare area of liquid steel at top of ladle gradually decreases with the decrease of the height of liquid steel level. At the same time, the bare area of liquid steel decreases with the increase of the thicknesses of slag layer. When it is injected with a relatively low bottom blowing gas flow, there is no significant difference in the bare area of liquid steel between 50% of blocking and no-blocking purging plug, while the bare area of liquid steel with 50% purging plug blocking is slightly larger than that without blocking. The inclusions removal rate of liquid steel can be improved by the on-line Ar bottom blowing of ladle.

ladle; Ar bottom blowing; inclusion; inclusion removal; physical simulation

2016-02-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(50804037);武漢市青年科技晨光計劃資助項目(2015070404010206).

程普紅(1986-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生. E-mail: puhongcheng@126.com

馬國軍(1975-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士. E-mail:gma@wust.edu.cn

TF769.2

A

1674-3644(2016)06-0412-05