水口內吸附桿結構對夾雜物碰撞聚集的影響

王育飛 趙定國 李 新 王書桓 李 陽 張凱璇

(華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山 063009)

潔凈鋼連鑄生產過程中，處于中間包和結晶器內的大顆粒夾雜物依靠夾雜物自身的浮力排出，但是仍然有一些小尺寸的夾雜物無法完成上浮而被鋼液攜帶進入冷凝坯中，留在產品內，降低潔凈鋼質量。其中夾雜物類型主要有三氧化二鋁，二氧化鈦，少量的二氧化硅、氧化錳等。

目前對于鋼水中夾雜物去除技術比較成熟的手段主要是鋼中吹氬攪拌、真空處理、中間包過濾、結晶器電磁攪拌等[1- 4]。其中吹氬攪拌主要通過氣泡吸附夾雜物，并帶動其上浮排出；真空處理主要機制是由于真空條件下脫碳過程會產生CO氣體，CO氣泡吸附夾雜物并帶動夾雜物上浮排除；而結晶器中的電磁攪拌則是通過電磁產生電場，從而達到攪拌、去除夾雜物的目的[5- 6]。但是中間包和結晶器內夾雜物的去除依靠浮力，大尺寸的夾雜物易上浮，小尺寸夾雜物仍然留在鋼液內。

為進一步提高鋼液潔凈度，吸附鋼液中小尺寸的夾雜物，本課題利用耐材吸附桿吸附夾雜物的方法，采用插桿式塞棒去除水口處夾雜物。經塞棒將耐材質吸附桿插入浸入式水口內腔上部吸附夾雜物，吸附桿使用的耐火材料為鈣鎂復合材質。鈣鎂復合材質具有凈化鋼液的能力[7]，可以將夾雜物更多地吸附在吸附桿上，控制浸入式水口壁面的夾雜物吸附數量，然后通過在吸附桿體表面構造不同尺寸、方向的凹槽，實現吸附桿結構的改變，以提高吸附桿吸附夾雜物的效率。

當流體流經帶凹槽結構的表面時，由于凹槽對流體的阻礙作用，凹槽前緣使得流體與壁面分離，流動結構發生改變，形成了大量新的渦旋[8]，新生成的渦旋對凹槽表面施加影響，改變了凹槽表面附近流體的流動結構，從而進一步影響鋼液中夾雜物的碰撞聚合、上浮長大[9- 10]。凹槽內的夾雜物與壁面接觸后才有可能被壁面吸附，通過研究不同結構吸附桿壁面夾雜物的運動行為，為以后開展的熱態試驗研究夾雜物在吸附桿壁面的吸附速率奠定理論基礎。

1 試驗設備及流程

水模擬試驗設定水口內徑為37 mm，長度1 024 mm，水流速度1 m/s；采用拉坯速度為3 m/min的小方坯，試驗過程中控制中間包液面高度為700 mm。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

試驗裝置是在相似理論的指導下[5]，與實際鋼廠中間包冶金過程具有相似的幾何特征、動力學特征，取相似比λ=1∶1。采用水模擬鋼液，塑料粒子模擬夾雜物。對于中間包內夾雜物的模擬，Sahai和Emi提出[11]：

(1)

式中：R為粒子半徑，m；ρ為粒子密度，kg·m-3；下標m和p分別代表模型和原型，inc、st和w分別代表夾雜物、鋼液和水。試驗相關參數見表1。

表1 原型和模型的相關參數Table 1 Relative parameters of prototype and model

由式(1)及表1的相關參數可得，Rinc，m/Rinc,p=2.3，結合試驗所使用的直徑48 μm的示蹤粒子，可以模擬直徑20 μm的Al2O3夾雜物。

本試驗采用微小粒子示蹤法，利用粒度在5～7 μm的鋁粉，經無水乙醇充分浸泡后增加鋁粉粒子的跟隨能力。當中間包內液面達到規定深度且流速穩定后，將鋁粉試樣加入到浸入式水口入口附近。在暗室環境中，采用激光片光源平行照射凹槽觀測面，采用高速攝影機觀察記錄夾雜物在凹槽內的碰撞、聚集，如圖2所示。

圖2 (a)正光側拍和(b)側光正拍示意圖Fig.2 Schematic diagrams of positive light side shoot and side light forward beat

吸附桿表面設計兩種類型的凹槽，結構如圖3所示。吸附桿直徑為10 mm，凹槽尺寸如表2所示。試驗通過改變流經吸附桿表面的鋼液流場，研究不同類型凹槽內夾雜物的碰撞聚集。

圖3 3(a)矩型和(b)鉤型凹槽結構示意圖Fig.3 Schematic diagrams of (a) rectangular and (b) hook groove structures

表2 不同類型凹槽尺寸 Table 2 Dimensions of different types of grooves

2 凹槽類型對夾雜物碰撞聚集的影響

2.1 凹槽類型對夾雜物碰撞的影響

試驗研究了鉤型凹槽和矩型凹槽內夾雜物的碰撞行為。將片光源平行照射在凹槽入口處，在高速攝像輸出的1 s內結果中，以t/ms為間隔選取具有代表性的一組圖片，統計粒子在一定時間內的運動情況，結果如圖4所示。

圖4 矩型凹槽內夾雜物壁面碰撞Fig.4 Inclusions collision in the rectangular groove

由圖4可見，對于矩型凹槽，塑料粒子的碰撞主要集中在凹槽的上部。通過計算在0.01 s內塑料顆粒與左壁面的碰撞次數為6次，則1 mm2面積上1 s內碰撞次數為7.5；在 0.04 s時間內塑料顆粒與凹槽后壁面碰撞 13次，則1 mm2面積上1 s內碰撞次數為4.063。

矩型凹槽內夾雜物在左壁面的碰撞次數比后壁面多且碰撞主要集中在中上部，是凹槽內存在上下2個較為強烈的漩渦流場造成的[10]。大部分夾雜物粒子隨著下部的漩渦向上運動，只有小部分的夾雜物粒子被拋向后壁面；上下2個漩渦在矩形凹槽的中上部位交匯(交匯位置距離后壁面較遠)，導致中上部位處的流場非常混亂，夾雜物顆粒被拋向壁面的概率增加。因此，矩形凹槽內夾雜物粒子在左壁面的碰撞比后壁面多且主要集中在中上部。

由圖5可見，對于鉤型凹槽塑料顆粒的碰撞集中在凹槽的中下部，鉤型凹槽左壁面在0.067 s內碰撞14次，則1 mm2面積上1 s內碰撞次數為3.265 ；鉤型凹槽后壁面平均碰撞次數為6.868 次/(s·mm2)。

圖5 鉤型凹槽內夾雜物碰撞 Fig.5 Inclusions collision in the hook groove

鉤型凹槽內夾雜物的碰撞在后壁面較多且碰撞集中在凹槽的下部，是鉤型凹槽內存在一個范圍較大的強漩渦流場并且下部存在一個低流速區造成的[12]。鉤型凹槽內漩渦的渦心靠近凹槽入口處，導致凹槽壁面附近存在一個邊界層，尤其是下部的倒鉤結構，一旦夾雜物顆粒被漩渦拋向壁面很容易被倒鉤處的低流速區攔截，而倒鉤處的流體向后壁面方向運動，導致夾雜物顆粒向后壁面運動較多。

2.2 凹槽類型對夾雜物聚集的影響

由于實際鋼液中夾雜物的吸附行為十分復雜，單純的水模擬不可能模擬出實際的吸附情況，因此，對夾雜物的聚集區域進行分析，得到夾雜物吸附的高概率吸附區。

根據高速攝像的結果，矩型凹槽內夾雜物顆粒的聚集位置主要在凹槽上部，結果如圖6所示，夾雜物顆粒的運動軌跡存在如下過程：1～1表示夾雜物進入凹槽后隨漩渦運動；1～2表示夾雜物顆粒被漩渦拋向矩型凹槽的上部低速區；1～3表示夾雜物進入凹槽后隨漩渦運動重新進入到主流區；2～2表示夾雜物在凹槽的上角部低速區聚集，如褐色圓圈區域所示；2～3表示夾雜物由低速區重新進入主流區。

圖6 矩型凹槽4 mm×4 mm×20 mm內夾雜物聚集 Fig.6 Inclusions aggregating in the rectangular groove of 4 mm×4 mm×20 mm

根據高速攝像的圖像、視頻分析鉤型凹槽16 mm×4 mm/α=45°內夾雜物聚集的情況，結果如圖7所示。

由圖7可見，鉤型凹槽內部存在一個靠近主流區的漩渦流場，夾雜物顆粒的運動軌跡仍然存在上述矩型凹槽內的各個過程。但是鉤型凹槽內夾雜物顆粒的聚集位置發生了變化，夾雜物顆粒主要聚集在凹槽下部，凹槽上部的顆粒非常容易地隨著流場重新進入到鋼液中。這種現象的產生主要是因為鉤型凹槽16 mm×4 mm/α=45°在制作時，凹槽上部與凹槽的后壁面形成了很好的倒角，對于流動速度較低的流體具有很好的導流作用，使得流體容易流出凹槽，同時由于夾雜物顆粒較小，其隨動性很好，導致了夾雜物顆粒非常容易地進入了主流區；鉤型凹槽16 mm×4 mm/α=45°在制作時凹槽下部呈現出比較封閉的“溝狀”，在這個區域內流體的流速較低，這樣凹槽下部與漩渦區存在著較大的速度梯度，導致夾雜物顆粒運動到下部時容易脫離漩渦區，聚集在凹槽下部。

圖7 鉤型凹槽16 mm×4 mm/α=45°內夾雜物聚集Fig.7 Inclusions aggregating in the hook groove of 16 mm×4 mm and α=45°

綜合以上對不同類型凹槽內夾雜物行為的研究及分析，對于矩型凹槽及鉤型凹槽對夾雜物的聚集能力強弱可以做如下分析。矩型凹槽左壁面和后壁面的夾雜物碰撞次數總計為11.5次/(s·mm2)，鉤型凹槽左壁面和后壁面的夾雜物碰撞次數總計為10.1 次/(s·mm2)，顯然矩形凹槽內的夾雜物更容易與壁面碰撞，較多的夾雜物壁面碰撞有利于吸附桿吸附夾雜物。

3 結論

(1)塑料顆粒1 s內在矩型凹槽左壁面1 mm2面積上的碰撞次數為7.5，在凹槽后壁面的碰撞次數為4.063；塑料顆粒1 s內在鉤型凹槽左壁面1 mm2面積上的碰撞次數為3.265，在后壁面的平均碰撞次數為6.868。

(2)塑料粒子在矩型凹槽內的碰撞、聚集區主要集中在凹槽上部，在鉤型凹槽內的碰撞、聚集區集中在凹槽的中下部。

(3)矩型凹槽較鉤型凹槽對夾雜物的聚集能力更強，即矩形凹槽內的夾雜物更容易與壁面碰撞，凹槽吸附夾雜物的能力更強。

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