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)]