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1、第卷年月第期一页今扁学 玻一钢包内喷嘴与透气砖吹氨去夹杂水模型研究郑淑国朱苗勇东北大学材料与冶金学院,沈阳摘要通过选择乳状液滴模拟夹杂物和偏心底吹钢包水模型实验,考察了喷嘴和透气砖吹气条件下时间、吹气量对夹杂物去除行为的影响规律结果表明较小气量和较大气量分别在和内可将绝大部分的模拟夹杂物去除,内可将模拟夹杂物几乎全部去除喷嘴吹气时存在一个最佳去夹杂气量,而透气砖吹气时较小气量的去夹杂效果要好于较大气量、且在一定的气量范围内通过透气砖吹气的去夹杂效果要明显好于通过喷嘴吹气关键词钢包,偏心底吹、乳状液滴,夹杂物,水模中圈法分类号文献标识码文章编号一一一认叭刀叩,万城,呵,扒二艺万械夕。叼,尹承,叽
2、粼,。,乞,。乞。即。石夕艺红坛云落加。,。娜。习啊、。印。战云,涵。艺卿乞。不一”司一一,一一幻。,且,一,夹杂物是危害钢液、钢材质量的主要杂质,尽可能多的去除尽量夹杂物是炼钢的主要目标之一钢包吹氢是炉外精炼的重要手段之一,它不仅具有均匀钢水温度、成分的作用,而且也是十分有效的去夹杂措施钢包吹氢包括顶吹氢和底吹氢两种方式,与前者相比后者有许多优点,已成为目前工厂钢包精炼中最常用的吹氢方式当前,对国家自然科学基金委员会和上海宝钢集团公司钢铁联合资助基金项目和教育部新世纪优秀人才支持计划资助项 目一收到初稿日期一一,收到修改稿日期一卜作者简介郑淑国,男,年生,博士生钢包底吹氢精炼过程的搅拌混合行
3、为研究较多【一,但对该过程的夹杂物行为研究不多,且主要集中在对钢液取样分析一、理论分析呻,魂及数学描述上一例由于底吹氢钢包内夹杂物行为的复杂性,水模型的研究工作很少吻,且以固体小颗粒来模拟夹杂物,没有考虑夹杂物的碰撞长大这一重要的物理行为 本文采用乳状液滴来模拟夹杂物,可以模拟夹杂物的碰撞与长大行为在精炼钢包底吹氢行为的水模和数模研究中,人们多采用喷嘴来代替透气砖进行研究【一,通过透气砖吹气的混匀效果要优于通过喷嘴吹气,但二者去夹杂效果比较的实验研究则未见报道本文考察了喷嘴和透气砖吹气条件下不同的操作参数时间、吹气量对夹杂物去除行为的影响规律,并对二者的去夹杂行为进行了比较此外,本文还对金属学
4、报卷这两种吹气方式下夹杂物的去除机理进行了阐述实验原理几何相似本实验以某钢厂七钢包为原型,确定模型和原型的几何相似比入二,它们的主要参数见表表原型和模型的主要参数表妞原型与模型介质的有关参数一一一一二,一一一一动力相似钢包精炼过程吹氢量的模拟过程,只要保证模型及原型的整体外。准数相等,就能基本保证它们的动力相似由此可以计算出对应于原型的底吹气体流量,具体如下入份。式中,和分别为模型和原型的气体流量,”模拟介质的确定采用食盐水模拟钢液,用空气模拟氢气对于夹杂物的模拟,和指出【,模型与原型中夹杂物的尺寸与夹杂物密度及溶液密度存在着定量关系,即,二式和式中,为直径,实验中乳状液滴的初始粒度及粒径分布
5、如图所示其当量直径为拼,则由式和式可知,该乳状液滴可以模拟初始当量直径为拼的夹杂物或拼的夹杂物实验结果实验装置如图所示空气从钢包底部距底部中心盖处 通过内径为的喷嘴 可以产生较小的气泡,便于与透气砖的气泡行为进行比较或透气砖吹入,式中,为半径,、。上全兰。,、【一旦达三止旦、一产户为密度,下标岁,。一七巴卜三。李和分别代表模型和原型下标,和分别代表夹杂、钢液和水溶液本实验中代表食盐水由式可知,模型与原型中夹杂物密度不必严格满足相似第二定律要求,即模拟夹杂物与食盐水的密度之比等于夹杂物与钢液的密度之比本实验采用一种无色、不溶于食盐水、常温下不挥发且很稳定的乳状液来模拟夹杂物由于它不被食盐水润湿,
6、在食盐水中的两个或多个乳状液滴一旦相碰,在界面张力的作用下就可以形成簇状物这与钢液中非金属夹杂物的碰撞并形成簇状物的过程很相似,因此,该乳状液能较好地模拟夹杂物的碰撞长大行为原型与模型介质的有关参数见表将人及表中有关数据代入式可以得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系对夹杂,对夹杂,。二二共二二刀,目,图乳状液滴形貌及初始粒度分布腼盯、一、。期郑淑国等钢包内喷嘴与透气砖吹氢去夹杂水模型研究二二二曰曰曰曰曰一一一气量除外各区间内夹杂物的去除率要大于通过喷嘴吹气各区间内夹杂物的去除率不同吹气对夹杂物去除行为的影响图为不同吹气量条件下夹杂物去除率随时间的变化曲线由图可以看出,通过喷嘴吹气时,一和一“的吹
7、气量去夹杂效果均较差,而其它的两个吹气量相差不大而通过透气砖吹气时,除一”的吹气量去夹杂效果较差外,其它吹气量相差不大图实验装置示意图罗一。门工。匡一,一,一,一,一,一,一,一,一匕一定量的乳状液通过特定的方法均匀分散在钢包中,然后开始吹气,同时从钢包底缓缓注入与钢包内密度相同的食盐水,这样随着溢出的溶液,钢包内上浮至表面的乳状液也随之流出,每隔一定时间收集溢出的乳状液和食盐水的混合物,通过一定的方法得到纯乳状液,则某一时刻夹杂物的去除率儿召月,一图、艺从乞之不同吹气量条件下夹杂物在不同时间区间内的去除率爪广岁,。一。比式中,叭表示前次时间段内去除率之和为初始加入的乳状液的体积,从为第个时间
8、间隔内去除的乳状液的体积,在喷嘴和透气砖吹气条件下,通过不同操作参数时间、吹气量对夹杂物去除率的定量分析来研究其对夹杂物去除行为的影响,并对夹杂物的去除机理进行研究实验结果分析与讨论吹气时间对夹杂物去除行为的影响图为不同吹气量一“一一分别在第至第个时间间隔内夹杂物的去除率 由图可以看出,无论是通过喷嘴还是通过透气砖吹气,均有类似的去夹杂规律具体来说,对于除一”以外的其它吹气量,夹杂物的去除行为主要发生在前内,且一是去夹杂最快的时间段而一”的吹气量,夹杂物的去除行为主要发生在前,且一为去夹杂最快的时间段,但该区间内夹杂物的去除速率要远小于其它吹气量在一内的去除速率对于所有的吹气量,当吹气至第个时
9、,该段吹气区间内夹杂物的去除率均小于,这意味着从去除夹杂物方面考虑,吹气后模拟夹杂物几乎已全部去除若吹气处理更长时间,则意义不大总体上看,通过透气砖吹气一“的吹尸二二二厂厂厂一一厂”,一。声声,一,一一户“一燕扩,石声声厂一岁、。二巴一。叱图不同吹气量条件下夹杂物去除率随时间的变化曲线奋、,金属学报卷,一“气一味为了更好地了解通过喷嘴和透气砖吹气时不同吹气量对夹杂物去除的影响,图给出了夹杂物的最终去除率随吹气量的变化曲线由图可以看出,通过喷嘴吹气时,当气量较小时,去夹杂效果较差,随着吹气量的增加夹杂物的去除率先增后降,存在一个最佳的去夹杂气量,即一的吹气量通过透气砖吹气时,在一“之前的吹气量均
10、有较好的去夹杂效果,其中以一”的吹气量为最优,而一“的吹气量去夹杂的效果则较差除一外的其它吹气量,通过透气砖吹气的去夹杂效果均明显好于通过喷嘴吹气对于吹氢过程中改变吹气量参数的复合气量的吹氢效果,目前已有理论研究的结果【,还需作进一步的实验验证岁口巴一,。比、石、们圈夹杂物的最终去除率随吹气量的变化曲线月图通过喷嘴和透气砖吹气典型气量的气泡行为期郑淑国等钢包内喷嘴与透气砖吹氢去夹杂水模型研究夹杂物去除的机理图显示了通过喷嘴和透气砖吹气时气泡移动行为的不同结合该图可对这两种吹气方式下夹杂物的去除机理进行阐述通过喷嘴吹气时,夹杂物的去除主要是通过吹气形成的钢液循环流动输送夹杂物到渣一金界面附近后通
11、过上浮去除吹气量较小时,钢包内流体的湍动能较小,不利于夹杂物的碰撞长大另一方面,由于吹气量小,钢包内流体流动缓慢,向渣一金界面附近运输夹杂物的能力较弱,也不利于夹杂物的上浮去除,因此,较小吹气量的去夹杂效果较差随着吹气量的增加,上述两个不利因素均得到改善,因此,在一定吹气量范围内,去夹杂的效果随吹气量的增大而提高但随着吹气量的进一步增大,去夹杂效果会逐渐变差 这是因为夹杂物的去除效果不仅取决于夹杂物的长大,流体向渣一金界面附近运输的能力,而且与被运送到渣一金界面附近的夹杂物能否迅速去除有关吹气量过大,会使钢包表面钢液流动过快,许多被运送到渣一金界面附近的夹杂会再次被卷入而不能去除,这不利于夹杂
12、物的上浮去除通过透气砖吹气时,夹杂物的去除一方面通过吹气形成的钢液循环流动输送夹杂物到渣一金界面附近后通过上浮去除另一方面通过透气砖吹气产生的大量弥散的小气泡粘附夹杂物后一起上浮去除吹气量较小时,气泡群体积大且含有大量小直径的气泡多数小于,见图,而小气泡有利于粘附去除夹杂物,因此小吹气量虽然不利于前一种方式去夹杂,但却为后一种方式去夹杂创造了很好的条件,且较小吹气量主要是通过后一种方式去夹杂,故较小吹气量有较好的去夹杂效果随着吹气量的增加,夹杂物仍然主要是通过后一种方式去除,因此在一定的吹气量范围内,夹杂物的去除效果相差不大且其中相对较大的吹气量由于增大了钢包内流体的湍动能,从而增加了夹杂物碰
13、撞长大的机会,促使更多的夹杂物易于去除,因此有相对较优的去夹杂效果但随着吹气量的进一步增大,去夹杂的效果会明显变差这是因为气泡直径随吹气量的增大而增大,过大的吹气量会使气泡的直径明显变大、气泡的数量显著减少见图,这些均恶化了后一种方式去夹杂的效果需要说明的是,通过喷嘴吹气产生的气泡直径较大见图,因此不能通过气泡粘附夹杂物后一起上浮来去除夹杂物而通过透气砖吹气时,在一定的吹气量范围内由于产生大量直径较小的气泡,故可以通过这一方式去除夹杂物因此在一定的吹气量范围内 本实验中为一一一,通过透气砖吹气的去夹杂效果要明显好于通过喷嘴吹气结论无论通过喷嘴还是通过透气砖吹气,较小底吹气量时,夹杂物的去除行为
14、主要发生在前,而较大底吹气量时,夹杂物的去除行为主要发生在前,上述两种条件下均可将绝大部分的夹杂物去除无论较小还是较大吹气量,吹气几乎可以将模拟夹杂物全部去除通过喷嘴吹气时,去夹杂效果随吹气量的增加先增大后减小,并存在一个最佳去夹杂吹气量通过透气砖吹气时,较小吹气量的去夹杂效果要好于较大吹气量,且较小吹气量之间去夹杂效果相差不大就本实验而言,通过喷嘴吹气时,一”的吹气量为最优的去夹杂气量而通过透气砖吹气时,一”的吹气量有最佳的去夹杂效果在一定的吹气量范 围以内在本实验 中为火一一火一,通过透气砖吹气的去夹杂效果明显好于通过喷嘴吹气的去夹杂效果参考文献【勿,加。儿坛仰。”肠”夕,肠夕,伊弘斌,金
15、山同化工冶金,认乞,。夕,周云,王海川,王世俊,乐可襄,董元旎炼钢,【,、,、饰。加。几亡,陈义胜,贺友多,黄宗泽包头钢铁学院学报,二,爪,云咖。介。几,任三兵,陈义胜,黄宗泽,贺友多包头钢铁学院学报,加。无。夕叨,了阳。,樊晨,刘中柱,蔡开科,刘石虹,梁玫,巩飞,刘瑞宁钢铁,【,、。云,【,招口爪,介。亡,刘学华,茹勇,宋超,孙维,张建平,杨阿娜,蔡开科钢铁,【,亡对已从几,薛正良,王义芳,王立涛,李正邦,张家雯金属学报,呀,【,夕记。一”乞几,葱勺几几四,金属学报,记,。,了刀爪,阮由。,金炎,毕学工,傅连春炼钢,【撇,王己,介云而几”,刘永兵,王世俊,周云,王海川,乐可襄包头钢铁学院学报,招刀,叭,朱苗勇东北大学博士学位论文,沈阳,亡从。,朱苗勇,汲田郁夫,肖泽强金属学报,【,亡。饰。八几亡配之几牡。之,任三兵,陈义胜,黄宗泽,贺友多 包头钢铁学院学报,材“,夕匆明。云。,朱苗勇,萧泽强钢的精炼过程数学物理模拟北京冶金工业出版社,加,匕,招刀扭,