钢包在线底吹氩及夹杂去除的物理模拟研究

程普红,马国军,薛正良,黄源升

(武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081)



钢包在线底吹氩及夹杂去除的物理模拟研究

程普红,马国军,薛正良,黄源升

(武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081)

采用物理模拟的方法，研究钢包在线底吹氩时，钢包内钢液量、渣层厚度、底吹气体流量等参数对钢包顶部钢液裸露面积的影响，以及钢包在线底吹氩工艺对钢液中夹杂去除率的影响。结果表明，钢包临界卷渣底吹气体流量随着浇铸的进行而逐渐减小；在钢液量相同时，钢包顶部钢液裸露面积随着底吹气体流量的增加而逐渐增大；在底吹气体流量相同时，钢包顶部钢液裸露面积随着钢液液面高度的下降而逐渐减小；渣层越厚，钢液裸露面积越小；在底吹气体流量较小时，透气砖无堵塞与堵塞50%时造成的钢液裸露面积大小相近，但随着底吹气体流量的增加，透气砖堵塞50%时较无堵塞时造成的钢液裸露面积大；钢包在线底吹氩可以提高钢液中夹杂物的去除率。

钢包；底吹氩；夹杂物；去夹杂；物理模拟

钢包底吹氩能加速钢液传质、传热、均匀钢水成分和温度，改善其浇铸性，并能去除钢中的夹杂物及气体[1]。然而，如果底吹气体流量过大会导致钢包中顶渣卷混，从而使钢中出现大颗粒夹杂物，同时，钢液裸露面积过大也会导致钢液二次氧化和温降，影响其洁净度。钢包在线底吹氩是将原来在炉外精炼处理进行的软吹和静置工艺部分或全部移至连铸过程中，在连铸浇铸的同时进行底吹氩，可以大大节省炉外精炼的底吹氩和静置处理时间[2]。

由于钢包底吹氩操作的复杂性及高温特征，有研究人员采用数值模拟或物理模拟方法，研究底吹透气砖数量、布置位置和吹气流量等参数对精炼过程中钢水混匀时间、夹杂物去除效果的影响，进而优化钢包底吹氩的工艺参数[3-4]。为此，本研究采用物理模拟的方法，研究钢包在线底吹氩时，钢包内钢液量、渣层厚度、底吹气体流量等参数对钢包顶部钢液裸露面积的影响，以及钢包在线底吹氩对钢液中夹杂去除率的影响，以期为优化钢包在线底吹氩工艺参数提供参考。

1 实验

1.1 模拟介质及相关参数的确定

应用相似原理建立物理模型，并保证模型和原型之间几何相似和动力相似。本实验中模型与原型的几何尺寸比为1∶4，模型以水模拟钢液，以空气模拟氩气，原型与模型的参数见表1。

表1 钢包原型与模型的主要参数

Table 1 Major parameters of the prototype and model of ladle

项目上口内径/mm下口内径/mm熔池深度/mm原型269623882940模型674597735

根据模型和原型的修正弗鲁德准数相等，可得模型和原型气体流量的关系式：

(1)

式中：Qm、Qp分别为模型和原型的气体流量，m3/h；ρg,p、ρg,m分别为原型和模型的气体密度，kg/m3;ρl,p、ρl,m分别为原型和模型的液体密度，kg/m3；dp、dm分别为原型和模型的喷嘴直径,mm；Hp、Hm分别为钢包内钢液和水的高度，m。

此外，钢-渣界面的流动主要受界面张力的影响，因此，界面状态的模拟还要保证韦伯准数相等[5]。由此可以得出模拟钢渣的密度为：

(ρl,p-ρs)

(2)

(3)

式中:ul,p、ul,m分别为钢液和水的速度，m/s；ρo、ρl,m分别为模拟钢渣和水的密度，kg/m3；ρl,p、ρs分别为钢液和熔渣的密度，kg/m3；σl,p-s、σl,m-o分别为钢-渣界面和水-模拟钢渣界面张力，N/m。

根据文献[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，实验中可采用混合油(真空泵油和航空煤油)来模拟钢渣。

原型和模型中夹杂物的密度、尺寸与溶液密度之间存在的关系式[5]为：

(5)

式中：R为夹杂物颗粒的半径，μm；ρ为密度，kg/m3;λ为几何相似比；下标m、p分别代表模型和原型；下标inc、st、w分别代表夹杂、钢液和水。

由式(5)可知，原型与模型中夹杂物的密度不需要严格满足相似第二定律的要求，即只需模型中水与夹杂物的密度比与原型中钢液与夹杂物的密度比相等,因此，选用乳状液邻苯二甲酸二辛酯模拟钢液中的夹杂,该乳状液滴几乎不被水润湿，也能较好地模拟钢中夹杂物碰撞长大行为[8-10]。

1.2 实验方法

以 80 t钢包为原型建立水模型，实验装置示意图如图1所示。实验中先将钢包模型中加满水，再倒入提前称量好的邻苯二甲酸二辛酯，待搅拌混匀之后，立即吹气并以一定拉速浇铸。

在实验过程中，在钢包底部采用不同气体流量吹气，在液面位置和钢包壁面放置刻度标尺，并用高清摄像机摄像，记录液面裸露和钢渣卷混情况，从每组实验的摄像视频中分别截取6张图片，将图片导入专业软件Image-Pro Plus，计算出液面裸露面积和渣滴的平均下降高度。

1—钢包模型；2—出水口调节阀；3—支架；4—进气管；5—气体流量计；6—空气压缩机；7—液体流量计；8—收集容器； 9—摄像机

图1 实验装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

在浇铸过程中收集在不同浇铸量时出口排出的混合物，通过处理得到纯邻苯二甲酸二辛酯的量，然后计算其与邻苯二甲酸二辛酯总加入量的比值，即为夹杂物的去除率。

2 结果与分析

2.1 钢包临界卷渣底吹气体流量与液体浇铸量的关系

当气体吹入渣层，液体受气体的抽引而形成环流运动，由于液体与油滴的界面张力作用，环流向下运动的液体牵引油滴向下运动，由于油滴密度小于水，存在一定向上的浮力，将油滴向下运动到最低处与原位置的高度差，作为油滴的下降高度。随着底吹气体流量的增大，油滴的惯性力导致其向下速度增大，油滴脱落渣层不能返回的底吹气体流量，则为临界卷渣底吹气体流量。底吹气体流量对油滴下降高度的影响如图2所示。从图2中可以看出，随着底吹气体流量的增加，油滴下降高度逐渐增加，且钢包内钢液量越多，油滴下降越深。

图2 底吹气体流量对油滴下降高度的影响

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

临界卷渣底吹气体流量与液体浇铸量的关系如图3所示。从图3中可以看出，随着液体浇铸量逐渐增加(即液面高度下降)，油滴脱落的临界卷渣底吹气体流量逐渐减少。这是因为，在钢包内液面较高时，气泡从透气砖出来会上浮聚集，且气泡会向四周分散，增大了气液两相区，吹开的裸露区域增大，且熔池越深，吹入的气体到达液面顶部时，气体向上的冲击势能远低于液面浅的情况，油层受从波峰处下降钢液的剪切作用相对较小。当浇铸超过钢包内钢液量的60%～70%后，临界卷渣底吹气体流量持续下降，如控制不当容易引起卷渣，此时应停止采用在线底吹氩浇铸。

图3 临界卷渣底吹气体流量与液体浇铸量的关系

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

2.2 底吹气体流量对钢包顶部钢液裸露面积的影响

底吹气体流量对钢包顶部钢液裸露面积的影响如图4所示。从图4中可以看出，在钢液液面高度相同时，钢包顶部钢液裸露面积随着底吹气体流量的增加而增大；随着钢液液面高度的降低，钢包顶部钢液裸露面积逐渐减小。这是因为，在底吹气体流量较小时，从透气砖出来的少量分散小气泡呈无序状流动，发生相互碰撞后聚合成为大气泡，带动钢液不稳定流动，使小气泡向边部移动，随着底吹气体流量的增加，气泡数量增多，由中心被挤向边部的距离逐渐增大，到达渣-钢界面时，渣层被吹开的面积也就随之增大。从图4中还可以看出，在底吹气体流量相同时，随着钢液液面高度的下降，钢包顶部钢液裸露面积逐渐减小。这主要是由于钢液量减小后，液体高度下降，透气砖出口形成的小气泡以及碰撞聚合后的大气泡受液体浮力做的功逐渐减小，气泡到达渣层位置吹开渣层的能力也就依次变小，从而形成钢液的裸露面积也逐渐减小。

图4 底吹气体流量对钢包顶部钢液裸露面积的影响

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

2.3 渣层厚度对钢包顶部钢液裸露面积的影响

不同渣厚下底吹气体流量对钢包顶部钢液裸露面积的影响如图5所示。从图5中可以看出，在渣层厚度不变时，钢液裸露面积随着气体流量的增大而逐渐增大，在相同气体流量时，钢液裸露面积比随着渣层厚度的增加而逐渐减小。这主要是由于渣层厚度增加，渣层对气体的阻碍加大，使气体能量损失增加，导致气体水平运动的速度下降、驱动渣层向外扩散的动力降低。从图5中还可以看出，在渣厚为50 mm和气体流量为3×10-3m3/min时，气体不能吹开渣层形成液面裸露。

图5 不同渣厚下底吹气体流量对钢包顶部钢液裸露面积的影响

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 透气砖堵塞对钢包顶部钢液裸露面积的影响

随着浇铸的进行，容易出现底吹透气砖的部分堵塞，钢包底部透气砖堵塞对钢包顶部钢液裸露面积的影响如图6所示。从图6中可以看出，钢包顶部钢液的裸露面积随着底吹气体流量的增加而增大；在底吹气体流量较小时，透气砖堵塞50%时钢包顶部钢液的裸露面积与透气砖无堵塞时相近；随着底吹气体流量的增加，透气砖堵塞50%时钢液的裸露面积会超过无堵塞情况下钢液的裸露面积。这是因为，在底吹气体流量相同时，透气砖如部分堵塞，气体出口面积减小，使出口处压强增大，导致吹出的气体速度和产生的气泡能量均大于无堵塞时的情况，从而吹开渣层形成的液面裸露面积增大。

图6 透气砖堵塞对钢包顶部钢液裸露面积的影响

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

2.5 钢包在线底吹氩对夹杂去除的影响

钢包在线底吹氩工艺对钢液中夹杂物去除的影响如图7所示。从图7中可以看出，采用在线底吹氩可以提高钢液中夹杂物的去除率。这是因为，在无底吹时，钢包中仅有由于重力驱动液体而形成的流场，钢液流动缓慢或者部分处于死区状态，流动效果较差，夹杂物之间碰撞长大的概率低，难以上升去除而随钢液流入中间包；而采用在线底吹氩时，气体带动钢液做环流运动，利于夹杂物之间相互碰撞、聚集，进而长大上浮被顶渣吸收，降低夹杂物进入中间包或铸坯的比例。

图7 钢包在线底吹氩工艺对钢液中夹杂物去除的影响

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

3 结论

(1)采用钢包在线底吹氩工艺，在钢液量相同时，钢包顶部钢液裸露面积随着底吹气体流量的增加而增大；在底吹气体流量相同时，钢包顶部钢液裸露面积随着钢液液面高度的下降而减小；渣层越厚，钢液裸露面积越小。

(2)在底吹气体流量较小时，透气砖无堵塞与堵塞50%时造成钢包顶部钢液裸露面积大小相近，但随着底吹气体流量的增加，透气砖堵塞50%时造成钢包顶部钢液的裸露面积要大于无堵塞时钢液的裸露面积。

(3)钢包临界卷渣底吹气体流量随着浇铸的进行而逐渐减小，钢包在线底吹氩能减少夹杂物进入中间包的比例，更好地改善钢液质量。

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[责任编辑 张惠芳]

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

国家自然科学基金资助项目(50804037);武汉市青年科技晨光计划资助项目(2015070404010206).

程普红(1986-)，男，武汉科技大学硕士生. E-mail: puhongcheng@126.com

马国军(1975-)，男，武汉科技大学教授，博士. E-mail:gma@wust.edu.cn

TF769.2

A

1674-3644(2016)06-0412-05