【摘 要】
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渣-金-气三相流动及相互作用现象在冶金过程中多数冶金器中非常普遍,其中,通过底吹或其它形式形成的气泡在金属熔池中上升到达渣-金界面,一部分气泡通过渣-金界面时,可能产生夹带现象,使钢液以液滴的形态进入渣中,一部分气泡由于尺寸等原因不能穿过渣层,在界面聚集。气泡在渣-金界面处的行为,改变了渣-金界面相互作用形态,对渣-金反应以及热量和质量传递都有显著影响,进而影响冶炼工艺的进行。本文主要针对可以穿过
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渣-金-气三相流动及相互作用现象在冶金过程中多数冶金器中非常普遍,其中,通过底吹或其它形式形成的气泡在金属熔池中上升到达渣-金界面,一部分气泡通过渣-金界面时,可能产生夹带现象,使钢液以液滴的形态进入渣中,一部分气泡由于尺寸等原因不能穿过渣层,在界面聚集。气泡在渣-金界面处的行为,改变了渣-金界面相互作用形态,对渣-金反应以及热量和质量传递都有显著影响,进而影响冶炼工艺的进行。本文主要针对可以穿过渣层的气泡进行研究,通过物理模拟和数值模拟的方法研究气泡和渣层的不同物性参数对气泡钢液夹带量的影响。物理模拟中利用油-水体系来模拟冶金过程中的渣-金体系,研究了气泡大小、油层密度、油层粘度对气泡夹带量的影响。研究结果表明,不同尺寸大小气泡上升通过油-水界面产生夹带有三种情形。较小尺寸气泡通过油-水界面时仅将一小部分水相拉到油相,气泡运动过程中形变较小,几乎为球形;较大尺寸气泡通过油-水界面时拉起的水相较多形成悬浮柱,随着气泡上升,悬浮柱变长到一定程度发生断裂,断裂部分或粘附在气泡上继续上升,或破碎成液滴回落,过程中气泡形变较大,为椭球形或帽形。气泡尺寸影响气泡上升速度,较小尺寸（d=8.09 mm）气泡经过初期快速上升后速度趋于稳定,约在200 mm/s左右,较大尺寸气泡（d=10.33 mm、d=11.67 mm）经过初期快速上升后续速度变化仍较大,最小速度在170 mm/s左右,最大速度为295 mm/s左右。在对气泡大小、油层密度、油层粘度对夹带量影响的研究时发现,气泡当量直径d从0.809 mm增大到1.26 mm,气泡夹带量增大了787%,气泡夹带量随着气泡尺寸增大而增大;气泡夹带量随着油层密度增大而增大;气泡夹带量随着油层粘度增大而减小;这些变化趋势在气泡尺寸较小时不明显,气泡尺寸增大时影响显著。利用数值模拟对气-金-渣体系中气泡初始直径、渣层密度、渣层粘度、渣-金界面张力对气泡夹带量的影响进行研究。发现气泡在渣-金体系中上升大致分为气泡从钢液底部上升、气泡排开钢液进入渣层、气泡继续上升并带起钢液、气泡与钢液脱离四个阶段。模拟结果与物理模拟类似,表明可以利用数值模拟对气泡夹带现象进行模拟。研究发现,气泡初始直径由1 cm增大到1.6 cm,气泡夹带量增大了741%,气泡夹带量随气泡初始直径增大而增大;渣层密度由2000 kg/m~3增大到5000 kg/m~3,气泡夹带量增大了62.34%,气泡夹带量随渣层密度的增大而增大;渣-金界面张力0.65 N/m增大到1.1 N/m,气泡夹带量减小了30.56%,气泡夹带量随渣-金界面张力增大而减小;对于渣层粘度研究发现,渣层粘度从0.01 Pa·s增大到0.08 Pa·s时,气泡夹带量随渣层粘度增大而有小幅度增大,但这种增幅很小,仅为1.77%,并不明显;渣层粘度从0.05 Pa·s增大到2 Pa·s时,气泡夹带量减小了18.4%,随着渣层粘度增大,气泡与钢液脱离时间增长,气泡夹带量减小。
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