陽祥富 1 ，常文杰 1，鐘良才 2 ，李曉祥 2，季偉燁2，郝培鋒3
（ 1．寶山鋼鐵股份有限公司 煉鋼廠，上海2019000 ；
2．東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽110004 ；
3． 東北大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 沈陽 110004 ）
摘 要：通過連鑄長(zhǎng)水口吹氬冷態(tài)試驗(yàn)，研究了不同吹氬條件下獲得的小氣泡的尺寸、分布以及氣泡在中間包的流動(dòng)行為。試驗(yàn)結(jié)果表明，低水流量（ ≤2.4m3 ／h ）時(shí)，孔徑0.11mm氣嘴產(chǎn)生微小氣泡（ 0.1～0.5mm）比例最大達(dá)到 60％ 以上，孔徑 0.25mm 氣嘴微小氣泡比例達(dá)到 45％ ，孔徑 0.58mm 氣嘴在35％ 左右。孔徑0.11mm 氣嘴氣泡直徑主要在 0.1～1.0mm ，孔徑 0.25mm和孔徑 0.58mm 氣嘴的氣泡直徑主要在 0.1～1.5mm，而0.58mm 氣嘴產(chǎn)生較大氣泡（ ＞1.0mm ）比例較多。直徑 0.25mm 單孔氣嘴和雙孔氣嘴在水量為 3.0m3 ／h 時(shí)，形成的微小氣泡（ 0.1～0.5mm ）比例均達(dá)到 80％ 以上。在較低水量（ ≤2.4m3 ／h ）下，這兩種氣嘴形成的微小氣泡比例相近，但直徑 0.25mm雙孔氣嘴比直徑0.25mm單孔氣嘴產(chǎn)生的較大氣泡（ ＞1.0mm ）比例要小且氣泡數(shù)量多。在無湍控器的中間包中氣泡的作用區(qū)域比有湍控器的大。
關(guān)鍵詞：連鑄；長(zhǎng)水口；吹氬；氣嘴直徑；流體流量；氣泡直徑分布；氣泡流動(dòng)行為
連鑄中間包作為凈化鋼液的反應(yīng)容器越來越受到重視，人們追求零缺陷鑄坯，中間包也是去除夾雜物的最后一道工序，是保證鋼液潔凈水平最后的保障，所以去除鋼液中夾雜物也是中間包冶金的重要任務(wù)。采用鋼液爐外精煉等方法比較容易去除尺寸大于50μ m 以上的夾雜物，對(duì)于尺寸20～50 μ m的夾雜物也能大部分去除，但是對(duì)5～20 μ m的微小夾雜物還難以去除 ［1］ 。因此，如何去除鋼液中5～20 μ m的微小夾雜物已成為煉鋼過程中急需解決的問題之一。鋼液中夾雜物的去除方法有多種，其中氣泡法是應(yīng)用最廣泛且最有效的一種鋼液凈化方法。劉建華等人 ［2］ 對(duì)氣泡去除鋼液夾雜物技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)作了全面的綜述，目前應(yīng)用最為廣泛的是鋼包底吹氬去除鋼液中較大顆粒夾雜物技術(shù)，中間包氣幕擋墻技術(shù)也得到了研究和工業(yè)試驗(yàn) ［3－6］ 。據(jù)文獻(xiàn)［7 －12 ］報(bào)道，大氣泡和小氣泡的運(yùn)動(dòng)行為不一致，只有小氣泡才能夠有效去除鋼液中小顆粒夾雜物。為此，冶金工作者致力于開發(fā)利用微小氣泡去除小顆粒夾雜物的技術(shù)。
Turkdongen 提出了反應(yīng)誘發(fā)微小異相去除鋼中細(xì)小夾雜物技術(shù) ［13］ ；李鎮(zhèn)、唐復(fù)平等人向鋼液中加入一種微小復(fù)合球形成微小氣泡和渣滴，達(dá)到去除鋼液中的夾雜物的目的 ［14-15 ］ ；Matsuno等人開發(fā)了增壓減壓法在鋼液中形成小氣泡的去除夾雜物的技術(shù)，并在真空精煉設(shè)備中進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn) ［16］ ；陳偉慶、沈明剛等人分別研究了超聲波去除鋼液夾雜物的行為、機(jī)理和影響因素 ［17-18］ ；劉建華等人提出了増氮析氮法和微小氫氣泡法去除鋼中夾雜物技術(shù)，這兩種方法均是增加 N 、 H 在鋼液中的溶解，在真空下使溶解的 N 、 H 在夾雜物上形成細(xì)小氣泡，以去除細(xì)小夾雜物 ［19-20］ 。
表面無缺陷汽車鋼板主要用于汽車外板，是汽車板中生產(chǎn)難度最大的產(chǎn)品。研究表明，冷軋深沖汽車板表面極易出現(xiàn)點(diǎn)狀或線狀?yuàn)A雜缺陷，其成分主要為CaO ， SiO2 ， Al2O3 ， MnO及 MgO等復(fù)合氧化物。如何最大程度地降低鋼液中的非金屬夾雜物，是提高汽車鋼板表面質(zhì)量的技術(shù)關(guān)鍵。利用鋼液流股在鋼包長(zhǎng)水口的高速流動(dòng)，將從長(zhǎng)水口吹入的氬氣打碎成小氣泡隨鋼液流股進(jìn)入中間包，對(duì)中間包的鋼液起到凈化作用，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)小氣泡的形成和小氣泡的行為以及冶金效果進(jìn)行了研究 ［21-24］ 。
本試驗(yàn)主要通過鋼包長(zhǎng)水口吹氬，針對(duì)不同的吹氬孔徑、吹氬流量以及流過長(zhǎng)水口的流體流量所形成的氣泡直徑以及氣泡直徑分布進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究不同條件下形成小氣泡的直徑分布以及在中間包流動(dòng)行為的影響。
1 試驗(yàn)方法
為了獲得效果好的氣泡照片，設(shè)計(jì)了如圖1所示的試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備由供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和照相系統(tǒng)組成。在氣泡尺寸測(cè)定試驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)不同的水流量，在長(zhǎng)水口產(chǎn)生不同流速的水流，研究一定通鋼量條件下鋼液通過不同長(zhǎng)水口內(nèi)徑的鋼液流速，對(duì)由供氣系統(tǒng)進(jìn)入長(zhǎng)水口的氣體產(chǎn)生剪切力，將氣體沖擊成不同尺寸的氣泡，進(jìn)入有機(jī)玻璃容器中上浮。利用照相系統(tǒng)，對(duì)有機(jī)玻璃容器的水中上浮的氣泡拍照，獲得不同氣嘴孔徑 D 、氣嘴的氣孔孔數(shù)m（單孔、雙孔）、不同水流量 Q 和吹氣流量 q 下形成的氣泡的直徑大小和分布。氣嘴的孔徑采用顯微鏡放大的圖像輸入計(jì)算機(jī)，利用圖像分析軟件進(jìn)行測(cè)量，放大的氣孔的圖片如圖2所示，雙孔氣嘴的2個(gè)氣孔中心距為3mm 。
在測(cè)定氣泡尺寸的試驗(yàn)中，保證水口內(nèi)水流的平均速度與鋼水的平均流速相同下進(jìn)行，試驗(yàn)中水流量參數(shù)如表 1所示，其它參數(shù)如表2 所示。該試驗(yàn)主要利用高速的液體將水口內(nèi)吹入的氣體打碎而獲得微小氣泡并進(jìn)入中間包中，利用單反相機(jī) 對(duì) 包 內(nèi) 氣 泡 進(jìn) 行 拍 攝，對(duì) 拍 攝 照 片 用Photoshop進(jìn)行處理，主要是去除重疊氣泡及虛影，再用 Imagetreat軟件對(duì)照片中氣泡直徑大小分布進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，如圖 3 所示。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
圖 4 為氣量 16mL ／min和水量為 1.63 ／h 的條件下采用直徑分別為0.25mm 和0.58mm氣嘴吹氣的氣泡照片。可知，在相同的吹氣流量和水流量下，采用直徑小的氣嘴吹氣時(shí)，氣泡直徑較小且比較均勻；而采用較大直徑的氣嘴吹氣，除了有一些小氣泡外，還有一些直徑較大的氣泡。
圖 5為直徑分別為 0.11 ， 0.25， 0.58mm 氣嘴在氣量為16mL ／min時(shí)，不同水量下的氣泡直徑分布情況。可知，在低水流量（≤2.4m3 ／h ）時(shí)，直徑0.11mm 氣嘴產(chǎn)生微小氣泡（0.1～0.5mm）比例最大達(dá)到 60％ 以上，直徑0.25mm 氣嘴微小氣泡比例達(dá)到45％ ，直徑 0.58mm 氣嘴在 35％左右。在水流量達(dá)到3.0m3 ／h時(shí)，直徑為0.11mm氣嘴微小氣泡（ 0.1～0.2mm ）比例高達(dá)到70％ 以上，直徑 0.25mm 氣嘴的該直徑范圍的氣泡比例約為65％ ， 0.58mm 氣嘴的比例最低只有35％ 。直徑0.11mm 氣嘴的氣泡直徑范圍主要在0.1～1.0mm ，而直徑0.25mm 和0.58mm 氣嘴的氣泡直徑范圍主要分布在0.1～1.5mm，且直徑0.58mm 的氣嘴產(chǎn)生較大氣泡（ ＞1.0mm ）比例較多。
圖6為直徑0.11 ，0.25 ， 0.58mm 3個(gè)氣嘴在不同水流量下氣泡的平均直徑變化。由圖6可知，3個(gè)氣嘴產(chǎn)生氣泡大小都隨著水流量的增大近似線性減小。特別是水量達(dá)到 3.0m3 ／h ， 3 個(gè)氣嘴的氣泡平均直徑均小于 0.5mm 。在水量相同的條件下，直徑0.11mm 氣嘴氣泡直徑最小，直徑0.25mm 氣嘴氣泡次之，直徑0.58mm氣嘴產(chǎn)生的氣泡最大。
在氣量為 32ml／ min條件下，直徑0.25mm單孔氣嘴和0.25mm×2雙孔氣嘴形成氣泡分布如圖7所示。在水流量低于2.7m3 ／h 時(shí)，直徑0.25mm 單孔氣嘴形成氣泡直徑大多分布在0.5～1.5mm 內(nèi)，而雙孔氣嘴氣泡直徑主要分布在0.5～1.0mm，直徑 0.25mm 雙孔氣嘴比單孔氣嘴產(chǎn)生的大氣泡（ ＞1.0mm ）比例要小很多；而當(dāng)水流量為 3.0m3 ／h 時(shí)，兩氣嘴形成的微小氣泡（0.1～0.5mm ）比例達(dá)到80％以上。但是這兩種氣嘴在較低水量下形成的微小氣泡比例相差不大。
圖8為直徑0.25mm單孔氣嘴和直徑0.25mm×2雙孔氣嘴在不同水流量下的氣泡數(shù)量（取拍攝照片某固定大小位置算出的氣泡數(shù)量）。由圖8 可得到兩個(gè)氣嘴形成的氣泡數(shù)量均隨著水流量的增加而增加，且水量在3.0m3 ／h時(shí)氣泡數(shù)量增長(zhǎng)幅度很大；直徑0.25mm×2雙孔氣嘴在各個(gè)水量下的氣泡數(shù)量均大于直徑0.25mm單孔氣嘴。
圖9為直徑0.25mm 單孔氣嘴和直徑0.25mm×2雙孔氣嘴在不同水量下的氣泡平均直徑。可知，這兩個(gè)氣嘴形成的氣泡平均直徑均隨著水量的增大而減小，且近似為線性變化。當(dāng)水量到達(dá)3.0m3／h時(shí)，氣泡的平均直徑小于0.4mm；且直徑0.25mm×2雙孔氣嘴形成的氣泡直徑大小在同一水量下要小于直徑0.25mm 單孔氣嘴。
將小氣泡引入 1∶3 縮小的連鑄中間包模型中，觀察小氣泡在中間包模型的流動(dòng)行為并進(jìn)行拍照，得到的照片如圖10所示。由圖可知，中間包在長(zhǎng)水口下方有湍控器時(shí)，從長(zhǎng)水口隨水流流出的氣泡，進(jìn)入湍控器后，又從湍控器隨水流流出，直接被向上流動(dòng)的水流帶到液面。而在沒有湍控器的中間包中，由于水流和氣泡流沒有受到湍控器的約束作用，水流和氣泡從長(zhǎng)水口流出，沖擊到中間包底部后，水流向四周流動(dòng)，氣泡在水流和氣泡本身的浮力作用下，同時(shí)向四周和向上流動(dòng)，所以在無湍控器的中間包中，氣泡流的作用區(qū)域比有湍控器時(shí)大。由圖10b和圖10d可知，水流量越大，氣泡越小，氣液兩相流的區(qū)域越大。由圖對(duì)比可知，中間包在長(zhǎng)水口下方安裝湍控器，從長(zhǎng)水口隨水流流出的氣泡，進(jìn)入湍控器后，又從湍控器隨水流流出，受到湍控器的約束，直接被向上流動(dòng)的水流帶向液面，從而減小了氣泡的作用區(qū)。
為了增大氣泡在中間包內(nèi)與鋼液的作用區(qū)，可以將原來的湍控器在中間包長(zhǎng)度方向的兩個(gè)與包底垂直的側(cè)壁改成傾斜的側(cè)壁，增加湍控器的水口尺寸，或采用較大開口的淺碟式?jīng)_擊盤。使鋼液從側(cè)壁傾斜的湍控器或沖擊盤流出時(shí)，將小氣泡帶到更遠(yuǎn)的地方，從而增加氣泡與鋼液的作用區(qū)域。
3 結(jié) 論
1）連鑄長(zhǎng)水口吹氬冷態(tài)試驗(yàn)表明，低水流量（ ≤2.4m3／h ）時(shí)，直徑0.11mm 氣嘴產(chǎn)生微小氣泡（0.1～0.5mm）比例最大達(dá)到60％以上，直徑0.25mm 氣嘴微小氣泡比例達(dá)到45％ ，直徑0.58mm 氣嘴在35％ 左右。直徑0.11mm氣嘴氣泡直徑主要在0.1～1.0mm，直徑0.25mm 和0.58mm 氣嘴氣泡直徑主要在 0.1～1.5mm ，而直徑0.58mm 氣嘴產(chǎn)生較大氣泡（ ＞1.0mm）比例較多。
2） 3個(gè)氣嘴產(chǎn)生氣泡大小都隨著水流量的增大近似為線性減小。在水量相同的條件下，直徑0.11mm氣嘴氣泡直徑最小，直徑0.25mm 氣嘴氣泡次之，直徑 0.58mm 氣嘴產(chǎn)生的氣泡最大。
3）直徑0.25mm單孔和雙孔氣嘴在水量為3.0m3 ／h時(shí)，形成的微小氣泡（0.1～0.5mm）比例均達(dá)到 80％ 以上。在較低水量（ ≤2.4m3 ／h ）下，兩氣嘴形成的微 小氣泡 比 例 相 近，但 直 徑0.25mm 的雙孔氣嘴比單孔氣嘴產(chǎn)生較大氣泡（ ＞1.0mm ）的比例小。在相同條件下，雙孔氣嘴比單孔氣嘴產(chǎn)生氣泡數(shù)量多且形成的平均氣泡直徑小。
4）長(zhǎng)水口下方的湍控器對(duì)進(jìn)入中間包的氣泡起到約束作用，使氣泡的作用區(qū)域變小，在無湍控器的中間包中，氣泡的作用區(qū)域增大。建議將原湍控器在中間包長(zhǎng)度方向的兩個(gè)側(cè)壁改成傾斜側(cè)壁，擴(kuò)大湍控器的上口，或采用較大開口的淺碟式?jīng)_擊盤。
［參 考 文 獻(xiàn)］
