【技术前沿】钢包吹气搅拌试验综述

01物理模拟试验

1.1 钢包中的搅拌和混匀

在冶金工艺中，钢包中的搅拌和混匀至关重要。关于此方面的研究主要是透气砖设置（即透气砖数量、透气砖的径向位置以及双层透气砖的夹角）、示踪剂注入点和传感器监测点对底吹或顶吹钢包中的混匀时间和流动模式的影响。

此外，一些研究讨论了两个程度（95%和99%）定义的混匀时间。从理论和试验两方面研究了气体搅拌钢包的动态相似准则。

在试验中，通常采用KCl、NaCl或其他导电介质材料作为示踪添加剂，以使传感器能够测定电导率，定义示踪剂浓度连续在充分混匀体积值±5%以内的时间为混匀时间。与此类似，用示踪剂浓度达到平衡浓度值的95%时所需的时间，来比较各种试验配置间的均匀化条件。

在搅拌条件方面，单孔吹气最优的透气砖位置是距离中心点0.5-0.67R（R为钢包半径），吹气的最优位置是在与圆中心相对的风口圆中心平面上；对双层透气砖而言，建议两孔采用180°的夹角（分析了两组角度：45°-90°-135°-180°和60°-90°-120°-150°-180°），透气砖的最优位置也在半径的中点，吹气的最优位置在中心。95%定义的混匀时间的经验表达式为：τ95%=A×Q-x × H-y × Rz。

表1对有关钢包冶金中搅拌和混匀方面的前期研究工作进行了汇总。

1.2 羽流区气泡的形成、转变和相互作用

当惰性气体被吹入到液体中后，由于液体与气流之间的相互作用，在气流上升过程中气泡产生、转变、碰撞和破碎。

钢包羽流区气泡行为的研究工作汇总于表2。在这一研究领域，许多项目使用水模拟试验来研究径向和轴向上的平均速度和脉动速度分布、气泡频率、气泡穿透长度、平均气泡上升速度以及羽流区离散气泡的聚合模式等。对气液两相的相对速率、自由表面的扰动和羽流区中的湍流分布也进行了探讨，发现速度分布与各种流速、液体深度和容器直径间的纵横比相关。

此外，通过轴向气相分数与修正Froude数的相关关系，可以充分描述羽流中气体的空间分布：随着气体流量的增加，中央轴向速度轻微增加，径向速度也有所增加，使得羽流变宽。由于沿容器中心线的气泡特性不同，将气体羽流区从喷嘴出口至表面划分成动量区、过渡区、气泡浮力区和表面区。

在一些研究中，采用往铁水和伍德合金系统中吹入氮气、氩气或氦气来研究羽流中的气泡行为。Guo和Irons用NaOH-CO2系统进行水模拟试验，以模拟钢水中的扩散控制脱碳过程。Li等人建立了水-油-空气系统，用于预测羽流区的气泡尺寸分布。Xu等人用水模拟试验研究了湿润性对离散气泡形成的影响。Wang等人在一组水模拟试验中揭示了单一和双喷嘴系统中同轴气泡聚合和平行气泡反弹现象。Ito及其同事研究了单一上升气泡的行为，并且报道了单一上升气泡在真空脱气条件下的传质。

1.3 钢-渣界面和钢水中的夹杂物行为

表3中汇总了有关夹杂物行为的冷态试验，大多数夹杂物颗粒被渣层捕获，只有少量的夹杂物颗粒进入钢水中。因为夹杂物与气泡粘附以及追随气泡尾流，吹气搅拌能够提高夹杂物去除率。

一些研究使用水模拟试验比较渣滴夹带、气体羽流以及渣眼周围浮选的夹杂物去除率。Thunman等人采用Ga-In-Sn合金以283K的熔化温度来模拟钢和MgCl2-甘油（87%），并用盐酸溶液模拟钢包渣。Ga-In-Sn合金-12%盐酸系统在预测渣眼区周围渣颗粒捕获效果方面显示出好的适用性。

此外，Dayal等人研究了钢-渣界面处剪切力对颗粒液滴行为的影响。Yang等人用一种试验方法分析了尾流对非金属夹杂物去除的机理。在他们的研究工作中，气泡尺寸、颗粒浓度和夹杂物颗粒尺寸对夹杂物捕获率的影响得到了详细的研究。Liu等人研究和探讨了钢-渣界面处的非金属夹杂物，并分析了夹杂物如何从钢水中脱离到渣中。Zhou等人也研究了非金属夹杂物在钢-渣界面处的脱离，并详细调研了夹杂物形状和渣性能的影响。

1.4 渣眼的形成

渣眼的形成在钢包冶金吹气搅拌试验分析方面是非常重要的。在钢包冶金中，渣眼的功能是促进钢-渣反应并减少洁净钢与空气之间的再氧化反应。此外，在一些条件下，渣眼的形成有利于有效合金化的促进。由于渣眼的形成将渣层挤到边部，合金可被直接添加到钢水中。对钢-渣界面和渣眼形成的研究工作汇总于表4。

许多研究者进行了冷态模拟试验来研究吹气搅拌过程中渣眼的形成、喷口的高度和宽度。在这一研究领域中，使用了水-硅油、水-豆油和水-重油进行物理模拟试验，来模拟钢-渣与空气、氮气或氩气气泡之间的相互作用。不采用汞-油、Ga-In-Sn合金-MgCl2-甘油（87%）和Ga-In-Sn合金-盐酸溶液模拟钢水。试验结果显示，喷口形状可以用Gaussian分布很好地描述，而且，根据主体相和渣相的密度比率、Froude数、雷诺数等参数修整了渣眼经验公式。有项目研究了渣层厚度和双层透气砖的位置、夹角对钢包中流动模式和渣眼形成的影响。

总体而言，采用物理模型法可以研究流体动力学现象，但难以研究钢包冶金中与反应动力学相关的现象。在优化钢包中搅拌和混匀所需的物理模型法的通用经验规律方面尚未进行充分的分析。

02工业试验

有一些工业试验致力于研究钢包冶金中的吹气搅拌。

在SSAB AB钢厂的一台钢包中，通过热电偶连续测温，用于分析钢水的热分层现象。在日本制铁的Yawata钢厂进行了一次测量渣眼的工厂试验；将所获结果与Krishnapisharody和Schwerdtfeger的冷态试验数据进行比较，该试验结果可靠。另外，Thunman等人和Dayal等人用Uddeholm Tooling AB制造的试样研究了钢-渣界面处产生的渣滴。

此外，Wu等人在Saarstahl AG钢厂测量了渣眼区，特别是评估了工业钢厂中流动模式对搅拌条件和渣眼形成的影响，而且，在比较该工业数据与Glaser等人计算数据的基础上分析了预热和浇铸过程中钢包耐火衬上的温度分布和传热。Malmberg等人根据Uddeholm Tooling AB的工具钢钢包数据，研究了搅拌速率对夹杂物特性的影响。在SFIL钢厂进行了试验，以研究工业过程中氢脱气工艺。

03物理模拟试验与工业试验之间的缩放比例准数

物理模拟试验与工业试验之间的联系是缩放比例准数。采用几何相似性（λ=Lmodel/Lprototype）和Froude数/修正Froude数，首先将参数转换为无量纲模式；然后对其无量纲表达式进行数学改正。

对吹气缩放比例而言，考虑羽流中惯性力和上浮力的比率，以获得流动相似性。有几项研究采用了实验室比例模型、原型和工业钢包，分析了参数（如气体流率和混匀时间）之间的关系。在Krishnapisharody和Irons近期的研究项目中，对比了计算数据和试验数据，并导出了修正Froude数。

据报道，在描述双羽流区中的水动力学时，羽流的上浮比吹入气体的动量更有用。而且，各种流体性能（如液体密度和表面张力）被添加到修正版缩放准数以改进缩放比例准数。