中間包微氣泡冶金技術(shù)發(fā)展

　　摘 要：中間包中生成微小氣泡可顯著促進(jìn)夾雜物上浮去除。對(duì)中間包微氣泡精煉技術(shù)進(jìn)行了分析總結(jié)，并針對(duì)研究較為深入的長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明，利用中間包中鋼液湍動(dòng)能破碎氣泡可形成高效去除夾雜物技術(shù)，一些新技術(shù)正在研發(fā)過(guò)程中，長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)具有良好前景;“冷 鋼 片 沾 鋼”工 業(yè) 試 驗(yàn) 表 明，中間包長(zhǎng)水口吹氬可在中間包鋼液中生成彌散細(xì)小氬氣泡，生成的絕大部分氬氣泡尺寸小于2mm;長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡的過(guò)程可分為氣泡在長(zhǎng)水口壁孔脫附和脫附氣泡在湍急鋼流中被剪碎成微小氣泡兩個(gè)階段，其中鋼液湍動(dòng)能對(duì)氬氣泡的剪切破碎作用十分明顯;長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)水模型研究較多，數(shù)值模擬研究相對(duì)較少，工業(yè)試驗(yàn)研究才剛剛開(kāi)始，有待更進(jìn)一步的深入研究。

　　張碩;劉建華;蘇曉峰;李巍;， 連鑄 發(fā)表時(shí)間：2021-10-15

　　關(guān)鍵詞：中間包;微小氣泡;夾雜物;長(zhǎng)水口吹氬;冷鋼片粘鋼

　　鋼中夾雜物是影響鋼材性能和質(zhì)量的重要因素，夾雜物 控 制 是 鋼 鐵 生 產(chǎn) 的 重 要 管 控 任 務(wù) 之 一，現(xiàn)代鋼鐵中常通過(guò)爐外精煉手段實(shí)現(xiàn)夾雜物的高效去除 和 控 制。但 在 精 煉 后 期，夾 雜 物 大 量 去 除后，殘存的夾雜物尺寸較小，數(shù)量較少，不易碰撞聚合長(zhǎng)大、上浮 去 除，采用常規(guī)精煉手段難以實(shí)現(xiàn)夾雜物的深度去除。

　　大量研究表明，鋼液中彌散細(xì)小氣泡具有優(yōu)異的捕捉夾雜物、促進(jìn)夾雜物上浮去除能力[1-6]，在 鋼液中生成大量彌散微小氣泡，通過(guò)氣泡粘附夾雜物上浮去除是實(shí)現(xiàn)鋼中夾雜物深度去除的有效手段。近年來(lái)，微氣泡深度去除夾雜物技術(shù)和理論研究十分活躍。

　　中間包是連鑄生產(chǎn)的重要設(shè)備，鋼液在中間包中停留時(shí)間較長(zhǎng)，部分大尺寸夾雜物可在中間包上浮去除，中間包具有一定精煉功能。但其精煉功能有限，鋼中大 量 細(xì) 小 夾 雜 物 很 難 上 浮 去 除，影 響 后續(xù)連鑄生產(chǎn)順行及鑄坯質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

　　氣泡-夾雜物聚合體具有較高上浮速度，可在鋼液流經(jīng)中間包期間徹底上浮去除，因此中間包中生成微小氣 泡 可 顯 著 促 進(jìn) 夾 雜 物 上 浮 去 除。近 三 十年來(lái)，人們對(duì)中間包微氣泡精煉技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，本文對(duì)相 關(guān) 研 究 進(jìn) 行 了 分 析 總 結(jié)，針 對(duì) 研 究 較為深入的長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)相關(guān)報(bào)道進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為中間包微氣泡冶金技術(shù)研發(fā)提供參考。

　　1 中間包氣泡冶金技術(shù)概述

　　選礦和化工領(lǐng)域生成微小氣泡的方法較多，包括機(jī)械攪拌、溶 氣 氣 浮、湍流破碎氣泡和向浮選槽吹氣等，為冶金微氣泡生成技術(shù)研究提供了諸多啟迪[7-9]，其中湍流破碎氣泡技術(shù)對(duì)中間包微氣泡冶金技術(shù)研發(fā)影響較大。

　　根據(jù)中間包鋼液湍動(dòng)能利用情況，可將中間包氣泡生成技術(shù)歸納為不利用鋼液湍動(dòng)能的中間包氣幕擋墻技術(shù)和利用湍動(dòng)能破碎氣泡作用的中間包湍流區(qū)吹氬技術(shù)兩種類(lèi)型。

　　1.1 中間包氣幕擋墻技術(shù)

　　中間包氣幕擋墻技術(shù)通過(guò)在中間包底部埋設(shè)透氣磚及透氣塞向中間包內(nèi)鋼液吹入氬氣，利用透氣磚和透氣塞彌散微細(xì)氣孔，控制吹入氬氣生成細(xì)小彌散氬氣泡，并未利用鋼液湍動(dòng)能對(duì)吹入氬氣的破碎效應(yīng)，屬于直接向鋼液中吹氣的控制手段。

　　現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中中間包氣幕擋墻技術(shù)一般采用長(zhǎng)條形透氣磚垂直中間包鋼液流動(dòng)布置，使生成的氣泡垂直于 鋼 液 流 動(dòng) 方 向 形 成 一 道 氣 泡 幕 墻。鋼 液流經(jīng)該擋墻時(shí)，在氣泡的提升作用下，向上運(yùn)動(dòng)，氣幕擋墻發(fā)揮了現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中中間包擋壩的抬升作用;同時(shí)，鋼液與 氣 泡 較 充 分 接 觸，鋼液中夾雜物與氣泡碰撞 機(jī) 會(huì) 較 多，可 利 用 彌 散 細(xì) 小 氣 泡 的 氣 洗 作用，捕捉去除鋼中夾雜物[10-11]。常見(jiàn)的中間包氣幕擋墻裝置如圖1所示。

　　中間包氣幕擋墻技術(shù)主要依靠透氣磚和透氣塞彌散微細(xì)氣孔控制吹入氬氣泡的尺寸，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中由于透氣磚和透氣塞耐材等與鋼液的潤(rùn)濕性差、鋼液溫度高等原因，中間包氣幕擋墻技術(shù)生成的氬氣泡尺寸較大(10～20mm)[10]，去除夾雜物效果不穩(wěn)定或不明顯，目前國(guó)內(nèi)外該技術(shù)的推廣應(yīng)用及研發(fā)進(jìn)展較慢[12-15]。

　　1.2 中間包湍流區(qū)吹氬技術(shù)

　　1.2.1 長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)

　　中間包長(zhǎng)水口的作用是保護(hù)澆注，避免鋼液與空氣接觸 發(fā) 生 二 次 氧 化。連 鑄 生 產(chǎn) 中 鋼 液 從 上 方鋼包的底部通過(guò)長(zhǎng)水口進(jìn)入下方中間包，鋼液的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，鋼液流速顯著增大，速度可達(dá)0.6～4.0m/s[16-17];鋼液的湍動(dòng)能也顯著增大，可將吹入氬氣剪切破碎成彌散微小氬氣泡。WangL等[18]結(jié)合選礦和化工領(lǐng)域研究成果進(jìn)一步提出了一種利用長(zhǎng)水口內(nèi)湍急鋼流對(duì)吹入氣體的剪碎作用在鋼液中生成微小 氣 泡 的 長(zhǎng) 水 口 吹 氬 技 術(shù)，其 后 ChoJ等[19]、BAO Y 等[20]、ZHANG Q 等[21]、CHANGS等[22]對(duì)該技術(shù)及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，結(jié)果均表明，中間包長(zhǎng)水口吹氬可在中間包生成大量彌散微小氣泡。

　　1.2.2 中間包注流區(qū)底吹氬

　　新日鐵首先報(bào)道了中間包注流區(qū)底吹氬方法，具體技術(shù)如圖2所示。該技術(shù)在中間包注流區(qū)底部設(shè)置多孔透氣塞，通過(guò)多孔透氣塞向中間包鋼液中吹入氬氣，一方面利用多孔透氣塞的彌散微小通氣孔對(duì)吹 入 氬 氣 形 成 的 初 始 氣 泡 尺 寸 進(jìn) 行 控 制;同時(shí)，利用注流 區(qū) 湍 急 的 鋼 液 流 動(dòng)，促 進(jìn) 透 氣 塞 表 面彌散微小氣孔孔口分離進(jìn)入鋼液，生產(chǎn)彌散微小氬氣泡，生成的氬氣泡尺寸細(xì)小。報(bào)道指出新日鐵采用該技術(shù)后鋼中夾雜物減少約33%[23]。

　　中國(guó)冶金 工 作 者 針 對(duì) 中 間 包 注 流 區(qū) 底 吹 氬 生成微小氣泡開(kāi)展了諸多研 究分析[24-26]。 張 美 杰等[24]分析表明可在湍流抑制器側(cè)壁吹氬，位于側(cè)壁的氣體層被 鋼 液 沖 擊、攪 拌 后 生 成 微 小 氣 泡，具 體裝置如圖3所 示。劉 金 剛 等[25]指 出 中 間 包 注 流 區(qū)底吹氬生成的微小氣泡尺寸稍大于在長(zhǎng)水口吹氬生成的微小氣泡尺寸(大部分小于1mm)。

　　1.3 塞棒吹氬

　　塞棒吹氬是通過(guò)塞棒中心孔道向下吹氬，一般用于防止浸入式水口的堵塞。采用塞棒吹氬可生成尺寸細(xì)小的氣泡，粘附鋼中夾雜物，有效提高夾雜物的去除率，工藝裝置如圖4所示。該方法的原理為塞棒吹出的氬氣隨鋼液進(jìn)入中間包出水口，水口中湍急的鋼液將氣體離散為微小氣泡。但應(yīng)用該方法生成的微小氣泡會(huì)進(jìn)入到結(jié)晶器內(nèi)，存在小氣泡被鑄坯捕獲而形成表面及皮下缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中塞棒吹氬量受到嚴(yán)格限制，生成的微小氣泡數(shù)量非常有限，去除夾雜物的作用及效果很不明顯[27-29]。

　　1.4 密封中間包短距射流長(zhǎng)水口技術(shù)

　　CHANGS等[30]報(bào) 道 了 一 種 密 封 中 間 包 短 距射流長(zhǎng)水口技術(shù)，技術(shù)機(jī)理如圖5所示。鋼包進(jìn)行密封處理并保持中間包內(nèi)的氬氣氛圍，由于快速向下流動(dòng)的鋼液產(chǎn)生了負(fù)壓環(huán)境，密封環(huán)境中的氬氣由氣孔進(jìn)入擴(kuò)張的長(zhǎng)水口下管段，利用中間包長(zhǎng)水口上管段注流產(chǎn)生的短距射流將氬氣破碎，生成的微小氣泡粘附鋼液中夾雜物，并攜帶夾雜物上浮至渣中。由于中間包蓋的密封作用，氬氣逸出渣層后可循環(huán)利 用。由 于 該 技 術(shù) 需 要 采 用 密 封 中 間 包 及特殊結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)水口，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中較難實(shí)現(xiàn)。

　　綜上所述，相對(duì)不利用鋼液湍動(dòng)能的中間包氣幕擋墻技術(shù)，充 分 利 用 鋼 液 湍 動(dòng) 能，可 在 中 間 包 生成彌散微小氬氣泡，形成高效中間包微小氬氣泡精煉技術(shù)，其中，中 間 包 長(zhǎng) 水 口 吹 氬 技 術(shù) 具 有 良 好 發(fā)展前景。

　　2 長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)研究

　　2.1 長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)原理

　　1996年，WANG L 等[18]首次提出長(zhǎng) 水 口 吹 氬技術(shù)，方案 如 圖 6 所 示。主 要 技 術(shù) 原 理 有 兩 方 面。一方面依據(jù)化工領(lǐng)域中較成熟的強(qiáng)烈湍流流體中氣泡最大尺寸dB，max計(jì)算式(1)

　　dB，max = We×σL( ) ρL0.6 ε-0.4 (1)式中：We為臨界韋 伯 數(shù)，取1.2;σL 和ρL 分 別 為 鋼液的表面張力和密度;ε為湍流耗散率。

　　在長(zhǎng)水口 中，由 于 鋼 液 勢(shì) 能 逐 漸 轉(zhuǎn) 化 為 動(dòng) 能，鋼液湍動(dòng)能也急劇增大，在長(zhǎng)水口下端出口處湍流耗散率可達(dá)到10～65m2/s3[20，31];依據(jù)式(1)，理想情況下長(zhǎng)水口出口處鋼液中氣泡的最大尺寸應(yīng)為1.6～3.1mm。

　　另一方面，微小氣泡在長(zhǎng)水口和中間包中與夾雜物相互 碰 撞、粘 附，氣 泡 尺 寸 越 小，碰 撞 概 率 越大。SutherlandKL[32]研 究 表 明，氣 泡 與 夾 雜 物 碰撞粘附的總概率P 可按式(2)計(jì)算P =Pc ×Pa × (1-Pd) (2)式中：Pc 為夾雜物與氣泡發(fā)生碰撞的概率;Pa 為夾雜物與氣泡發(fā)生碰撞后粘附的概率;Pd 為發(fā)生粘附后又脫附的概率。

　　ZhangL等[4]對(duì)鋼中夾雜物與氣泡碰撞的碰撞概率和粘附 概 率 進(jìn) 行 深 入 研 究，結(jié) 果 表 明，鋼 中 小于5mm 的氣泡具有較高夾雜物粘附概率，如 圖7所示。WANG L等[33]研究表明對(duì)于鋼中小于3mm的細(xì)小氣泡，隨 氣 泡 尺 寸 降 低，中間包鋼液中夾雜物去除率顯著增大，如圖8所示。薛正良等[34]研究表明，氣泡捕獲夾雜物概率與氣泡直徑的平方成反比。諸多研究表明，細(xì)小氣泡與鋼中夾雜物碰撞和粘附概率較 高，遠(yuǎn) 大 于 大 尺 寸 氣 泡，細(xì) 小 氣 泡 可 高效促進(jìn)鋼 中 夾 雜 上 浮 去 除。但鋼液中微小氣泡與各種夾雜物的碰撞和粘附概率還與鋼液的流動(dòng)、夾雜物的尺寸和形態(tài)、氣泡和夾雜物的湍動(dòng)等密切相關(guān)，氣泡與夾雜物碰撞粘附理論還有待深入研究。

　　2.2 氬氣泡形成機(jī)理研究

　　在長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)形成初期，認(rèn)為采用該技術(shù)生成微小氣泡尺寸取決于鋼液的湍動(dòng)能。在2015年，樊安源 等[35]指 出 ZHANG Q 等[21]和 LIJ等[36]研究結(jié)果與 WANGL等[18]提出的長(zhǎng)水口吹氬概念存在沖突：上述 二 人 研 究 結(jié) 果 表 明，采 用 長(zhǎng) 水 口 吹 氬技術(shù)生成微小氣泡的尺寸受到吹氣流量和吹氣孔尺寸等操作參數(shù) 的影響，但 根 據(jù) WANG L 等 研究[18]氣泡尺寸應(yīng)只與鋼液湍流強(qiáng)度有關(guān)，與吹氣流量、氣孔尺寸等參數(shù)無(wú)關(guān)。樊安源等[35]對(duì)此解釋為湍流中氣泡最大穩(wěn)定尺寸理論成立的前提是氣泡在湍流區(qū)中停留足夠時(shí)間[37]，長(zhǎng)水口內(nèi)鋼液流速較快，氣泡跟隨 鋼 液 也 下 降 較 快，在 高 湍 流 區(qū) 停 留 時(shí)間較短而 達(dá) 不 到 所 有 氣 泡 破 碎 的 時(shí) 間 要 求。其 提出長(zhǎng)水口內(nèi)部微小氣泡形成需要經(jīng)歷兩個(gè)階段，第一階段為氣泡在吹氣孔口的脫附，第二階段為氣泡在湍急鋼 流 內(nèi) 的 破 碎。其 中 第 一 階 段 氣 泡 脫 附 尺寸受到吹氣 流 量、氣 孔 尺 寸 等 因 素 的 影 響，而 第 二階段時(shí)間較短，最終生成的氣泡尺寸受前一階段脫附尺寸影響較大。2016年 CHANGS等[31]對(duì)長(zhǎng)水口內(nèi)鋼液湍 流 耗 散 率 進(jìn) 行 了 計(jì) 算，結(jié) 果 表 明，長(zhǎng) 水口內(nèi)部湍流耗散率分布并不均勻，滑板下方湍動(dòng)能最高，此后逐層減小，如圖9所示，與樊安源等[35]提出的“兩階段”機(jī)理吻合。

　　2.3 長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡尺寸分析研究

　　生成微小 氣 泡 是 中 間 包 氣 泡 冶 金 的 最 核 心 問(wèn)題，根據(jù)樊安 源 等[35]提出的長(zhǎng)水口內(nèi)氣泡生 成“兩階段”觀點(diǎn)，提高鋼液湍流耗散率同時(shí)控制壁孔氣泡脫附尺寸可在中間包中生成微小氣泡。

　　滑動(dòng)水口開(kāi)度、吹氣位置、鋼液流速等操作參數(shù)影響長(zhǎng)水口內(nèi)湍流耗散率。BAOY等[20]研究表明，滑動(dòng)水口開(kāi)度越小，鋼液湍流耗散率越大，氣泡尺寸越小，CHANGS等[38]采用38%的滑動(dòng)水口開(kāi)度，為文獻(xiàn)報(bào)道中最小滑動(dòng)水口開(kāi)度，對(duì)應(yīng)其研究結(jié)果中氣泡尺寸略小于其他報(bào)道中氣泡尺寸。由圖9可知，在距滑板較近區(qū)域?qū)?yīng)較高的湍流耗散率，因此吹氣位置距離滑動(dòng)水口越近，生成氣泡尺寸越小，WangL等[18]、ChoJ 等[19] 、ZHANGQ 等[21] 和 CHANGS 等[38]報(bào)道的研究結(jié)果均可對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證。

　　BaiH等[39]研 究 表 明，向下快速流動(dòng)的鋼液施加給孔口氣 體 較 大 剪 切 力，促 進(jìn) 氣 泡 脫 附，降 低 生成氣泡尺寸。由此可見(jiàn)，氣泡尺寸與鋼液流速正相關(guān)。WangL等[18]和 LIJ等[36]研究結(jié)果表明，吹氣流量越小，氣 泡 脫 附 尺 寸 越 小，利 于 湍 急 鋼 液 對(duì) 已脫附氣泡的 破 碎;ZHANG Q 等[21]研 究 結(jié) 果 表 明，氣泡脫附尺寸隨氣孔內(nèi)徑的降低而降低。近年來(lái)，CHANGS等[38]在 水 模 型 吹 氣 孔 板 上 添 加 疏 水 涂層模擬不潤(rùn) 濕 鋼 液 的 長(zhǎng) 水 口 耐 火 材 料，結(jié) 果 表 明，長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)在采用非潤(rùn)濕孔板時(shí)生成氣泡尺寸比使用潤(rùn)濕孔板生成 氣泡尺寸增大約 10% ～20%。以上研究結(jié)果的整理見(jiàn)表1。

　　2018年，CHANGS等[40]綜合考慮壁孔氣泡脫附和湍急鋼流中氣泡破碎兩個(gè)階段，通過(guò)物理模擬試驗(yàn)對(duì)長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)生成微小氣泡機(jī)理進(jìn)行了研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果回歸經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡尺寸db。

　　db =dB，max + (ds -dB，max)e- C Δεu (3)式中：ds 為經(jīng)驗(yàn)氣 泡 脫 附 尺 寸[41];C 為 模 型 常 數(shù);u為氣泡下降速度，認(rèn)為等于下降鋼流速度。

　　近期本課題組[22]進(jìn)行了長(zhǎng)水口吹氬工業(yè)試驗(yàn)，采用“冷鋼片沾鋼法”測(cè)量鋼液中微小氣泡尺寸，克服了高溫 鋼 液 中 氣 泡 表 征 的 困 難。典 型 取 樣 鋼 片和取樣方法如圖10所示，取樣結(jié)果表明，大部分氣泡直徑小于2mm，證 實(shí) 了 通 過(guò) 長(zhǎng) 水 口 吹 氬 技 術(shù) 能夠在鋼液中生成尺寸細(xì)小的氣泡。

　　該結(jié)果 表 明，長(zhǎng) 水 口 吹 氬 流 量 較 小 時(shí)，吹 入 氬氣在中間包內(nèi)生成的氣泡尺寸細(xì)小，絕大部分氣泡小于依據(jù)鋼液湍動(dòng)能對(duì)氣泡剪切破碎作用計(jì)算的最大尺寸，表明長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡過(guò)程中鋼液湍動(dòng)能的剪切破碎效應(yīng)發(fā)揮了主導(dǎo)作用，氬氣泡在形成過(guò)程的第二階段得到較充分破碎，可應(yīng)用式(1)估算中間包鋼液中生成氬氣泡的最大尺寸。但式(1)只能估算氣泡的最大尺寸，不 能 精 準(zhǔn) 計(jì) 算 具體尺寸。鑒于氣泡尺寸是氣泡精煉效果的最重要影響因素，長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡尺寸的計(jì)算式及理論還需深入研究。

　　2.4 長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡分布分析研究

　　除氣泡尺寸外，微小氣泡的分布也是影響夾雜物粘附去 除 的 重 要 因 素。微小氣泡在鋼液中彌散分布，氣泡與 鋼 液 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 長(zhǎng)，即 氣 泡 清 洗 過(guò)濾較大鋼液體積，可顯著提高夾雜物去除率[4]。

　　吹氬條件顯著影響長(zhǎng)水口內(nèi)氣液兩相流的流型。長(zhǎng)水口內(nèi)部流型影響微小氣泡在長(zhǎng)水口內(nèi)的分布，進(jìn)一步影響微小氣泡在中間包內(nèi)的分布，最終影響夾雜物的去除效果。

　　近年SinghP K 等[45]針對(duì)長(zhǎng)水口內(nèi)部的氣液兩相流流型 進(jìn) 行 探 究，結(jié) 果 表 明，兩相流流型與氣液體積比有關(guān)，如圖11所示。由圖11可知，在較低氣液比下(0～2%)，長(zhǎng) 水 口 內(nèi) 形 成 氣 泡 流;提 高 氣液比后(2%～42%)，長(zhǎng)水口上部近壁面為氣體，內(nèi)部為鋼流，鋼 液 和 氣 體 不 能 充 分 混 合，當(dāng) 兩 相 流 發(fā)展至 長(zhǎng) 水 口 下 部 后 氣 液 相 混 合;當(dāng) 氣 液 比 較 高(42%以上)，在整個(gè)長(zhǎng)水口內(nèi)部鋼液都不能與氣相實(shí)現(xiàn)混勻，這極不利于長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)的施展。大量研究表明，長(zhǎng)水口吹氬的氣液體積比一般在0～10%[18-21，42-44]，對(duì)應(yīng) 于 SinghP K 等[45]研 究 結(jié) 果 中圖11流型，表明采用長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)生成的微小氣泡在長(zhǎng)水口內(nèi)能夠和鋼液較好混勻。

　　中間包中常使用湍流抑制器以?xún)?yōu)化鋼液流場(chǎng)。湍流抑制器位于長(zhǎng)水口正下方，對(duì)中間包鋼液流動(dòng)及鋼液湍動(dòng)能的分布與控制有重要影響，同時(shí)也對(duì)長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡分布影響較大。CHANGS等[46]認(rèn)為 傳 統(tǒng) 湍 流 抑 制 器 不 利 于 微 小 氣 泡 與 鋼液的混勻，其通過(guò)水模型和數(shù)學(xué)模型對(duì)使用沖擊墊和湍流抑制器下的微小氣泡分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用沖 擊 墊 時(shí) 氣 泡 分 布 范 圍 較 廣，氣 泡 過(guò) 濾體積約為采用湍流抑制器時(shí)的11倍，如圖12所示。

　　2.5 長(zhǎng)水口吹氬與中間包渣眼的聯(lián)系

　　采用長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)生成微小氣泡，微小氣泡從長(zhǎng)水口下沉進(jìn)入中間包中，粘附夾雜物上浮至中間包渣中，隨后氣泡逸出，此過(guò)程存在生成渣眼，造成鋼液二次氧化的風(fēng)險(xiǎn)，須從避免生成渣眼的角度評(píng)估長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)。

　　ChattopadhyayK 等[47]使用物理模型和數(shù)學(xué)模型研究了長(zhǎng)水口吹氬對(duì)中間包渣眼的影響，結(jié)果表明，氣泡沖到包底后回升到長(zhǎng)水口附近的過(guò)程使鋼液抬升，導(dǎo)致渣層被推開(kāi)，形成渣眼，如圖13所示。

　　ChatterjeeS等[48]通過(guò)水模型試驗(yàn)研究了長(zhǎng)水口吹氬與中 間 包 渣 眼 的 聯(lián) 系，結(jié) 果 表 明，中 間 包 渣眼面積與吹氣流量、熔池深度、渣層厚度、熔池性質(zhì)等有關(guān)，結(jié)合水模型試驗(yàn)結(jié)果，回歸得到經(jīng)驗(yàn)公式Ae =282.289hH U2p( ) gh1.766 Δρ ( ) ρL1.588 vs( ) hUp0.089(4)Up =1.257×107 uL ρLdbgd3bu2Lρ ( )2L0.587 H( ) db0.046(5)式中：Ae 為 渣 眼 面 積;h 為 渣 層 厚 度;H 為 鋼 液 深度;Up 為氣液混合物的平均上升速度;g 為 重 力 加速度;Δρ為鋼液和鋼渣的密度差;vs 為渣的運(yùn)動(dòng)黏度;uL 為鋼液的運(yùn)動(dòng)黏度。

　　諸多報(bào)道[43，47-49]指 出，提高長(zhǎng)水口吹氬流量引起中間包渣眼面積增大，原因可由式(4)和式(5)解釋。在中間包鋼液和鋼渣物性參數(shù)不變的前提下，由式(4)可 知，渣 眼 面 積 隨Up增 加 而 增 加;通 過(guò) 式(5)可知，氣 泡 直 徑db 是 影 響Up 的 重 要 因 素。結(jié)合 WangL 等[18]、LIJ等[36]和 CHANGS等[46]研究結(jié)果，長(zhǎng)水口吹氬流量較大時(shí)，氣泡數(shù)量增多，加劇鋼液內(nèi)部氣泡之間的碰撞聚合，最終生成氣泡尺寸db隨之增大，導(dǎo)致渣眼面積增大。

　　也有研究 指 出，當(dāng) 氣 泡 尺 寸 較 小 時(shí)，微 小 氣 泡在中 間 包 內(nèi) 彌 散 分 布，不 會(huì) 形 成 渣 眼。Chatto-padhyayK 等[47]水 模 擬 結(jié) 果 表 明，當(dāng) 氣 泡 直 徑 為0.15～0.4mm 時(shí) 未 形 成 中 間 包 渣 眼。CHANGS等[31，43]研究結(jié)果也表明，直徑0.8mm 的微小氣泡對(duì)中間包流 場(chǎng) 影 響 不 大，不 會(huì) 抬 升 鋼 液 形 成 渣 眼。當(dāng)提升吹氬流量且氣泡直徑進(jìn)一步提高至2mm 時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)邊界清晰的渣眼。

　　還有觀點(diǎn) 表 明，即 使 在 中 間 包 出 現(xiàn) 渣 眼，也 會(huì)在鋼液頂部覆蓋一層氬氣，不會(huì)發(fā)生或僅發(fā)生較輕的二次氧化[48]。

　　3 中間包微氣泡冶金技術(shù)展望

　　長(zhǎng)水口吹 氬 技 術(shù) 在 增 強(qiáng) 中 間 包 精 煉 效 果 上 最具優(yōu)勢(shì)。該 方 法 充 分 利 用 了 連 鑄 過(guò) 程 長(zhǎng) 水 口 中 湍急鋼流 的 破 碎 作 用，使 吹 入 氬 氣 破 碎 成 微 小 氬 氣泡，并與鋼水充分混合，形成彌散微小氬氣泡;在合理的吹氬流量范圍內(nèi)長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)可在中間包中生成彌散 微 小 氬 氣 泡，氣泡尺寸較為細(xì)小，氣 泡具有較強(qiáng)的捕捉鋼液中夾雜物并促進(jìn)夾雜物上浮去除的能 力。但長(zhǎng)水口吹氬生成微小氬氣泡的尺寸、分布還不 能 精 準(zhǔn) 量 化，氣泡去除夾雜物的行為及效果還缺少深入研究。

　　4 結(jié)論

　　(1)微小氬氣泡具有優(yōu)異的夾雜物去除精煉功能，在中間包鋼液中生成彌散微小氬氣泡可顯著促進(jìn)中間包鋼液中夾雜物去除，中間包微小氣泡冶金技術(shù)已引起冶金工作者的重視，一些新技術(shù)正在研發(fā)過(guò)程中。

　　(2)依據(jù)中間包鋼液 湍動(dòng)能對(duì)氣泡的生成作用，可將中間包氣泡生成技術(shù)初步歸納為不利用鋼液湍動(dòng)能的中間包氣幕擋墻技術(shù)和利用湍動(dòng)能破碎氣泡作用的中間包湍 流區(qū)吹氬技術(shù)兩種 類(lèi) 型。相對(duì)而言充分利用鋼液湍動(dòng)能，可在中間包生成彌散微小氬氣泡，形成高效中間包微小氬氣泡精煉技術(shù)，其中中間包長(zhǎng)水口吹氬技術(shù)具有良好發(fā)展前景。

　　(3)“冷 鋼 片 沾 鋼”工 業(yè) 試 驗(yàn) 表 明，中 間 包 長(zhǎng) 水口吹氬可在中間包鋼液中生成彌散細(xì)小氬氣泡，生成的絕大部分 氬 氣 泡 尺 寸 小 于2mm，具 有 良 好 的夾雜物捕捉與去除效果。

　　(4)長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡的過(guò)程可分為氣泡在長(zhǎng)水口壁孔脫附和脫附氣泡在湍急鋼流中被剪碎成微小氣泡兩個(gè)階段;其中鋼液湍動(dòng)能對(duì)氬氣泡的剪切破碎作用明顯，可依據(jù)鋼液湍動(dòng)能估算生成氬氣泡 的 最 大 尺 寸。但長(zhǎng)水口吹氬生成微小氬氣泡的尺寸量化還有待研究。

　　(5)長(zhǎng)水 口 吹 氬 水 模 型 研 究 較 多，數(shù) 值 模 擬 研究相對(duì)較少，工業(yè)試驗(yàn)研究才剛剛開(kāi)始。長(zhǎng)水口吹氬生成微小 氬 氣 泡 的 尺 寸、分 布、氣泡去除夾雜物的行為及效果還待深入研究，數(shù)值模擬和工業(yè)試驗(yàn)研究可在該方向發(fā)揮重要作用。