钢液中夹杂物的碰撞长大及去除率

r ) 表示半 径为 r 的 夹杂 物间 的碰撞 率常 数, m3
s- 1; n0( r ) 表示半径为 r 的夹杂物的初始浓度, 个
m- 3.
表 1 给出了部分尺寸夹杂物在钢液中的碰撞率
常数和初始浓度, 其中碰撞率常数在图 5 中取值, 初
始浓度根据下面的经验公式计算[ 1] :
1 066 7 ! 1012e- 0 65r ( 1 ∀ r ∀ 30) n 0( r ) = 8 167 ! 105e- 0 18r ( 31 ∀ r ∀ 75)
0
( r > 75)
式中 r 的单位是 m.
表 1 不同尺寸夹杂物的碰撞率常数和初始浓度
夹杂物半径, r/ m 1
碰撞率常数, ( r , r ) / 10- 13
0 02
初始浓度, n0( r ) / ( 个 m- 3)
5 57 ! 1011
10
23 26
1 60 ! 109
20
186 04
2 41 ! 106
( 3) 适 合于 碰撞 去除 的 夹杂 物半 径为 1~ 13 m, 其去除率为 41 2% ~ 87 8% .
参考文献 [ 1] Zhang L F, Taniguchi S, Cai K K . Fluid flow and inclusion re
moval in continuous cast ing tundish. M etal l M ater T rans B , 2000, 31: 254 [ 2] M urakat a Y , Sung M G , Sassa K , Asai S. Visualizat ion of coll i sion behavior of part icles simulat ing inclusions in a t urbulent molt en steel f low and it s t heoret ical analysis. ISIJ Int , 2007, 47 ( 5) : 633 [ 3] Wang L T , Zhang Q Y, Peng S H. M at hematical model for grow t h and removal of inclusion in a mult i tuyere ladle during gas stirring. ISIJ I nt , 2005, 45( 3) : 331 [ 4] N akanishi K . , Szekely J. Aut omation in t he iron and st eel indus try. T rans Iron S teel I nst Jp n , 1975, ( 5) : 522 [ 5] Saf fman P G, Turner J S. On t he collision of drops in t urbulent clouds. J Fl uid M ech , 1956, 1: 16
第 31 卷 增刊 1 2009 年 12 月
北 京科 技大 学学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing
Vol. 31 Suppl. 1 Dec. 2009
钢液中夹杂物的碰撞长大及去除率
舒志浩1) 程树森1) 赵晶晶1) 程子建2)
30
627 89
3 63 ! 104
40
1 488 33
6 10 ! 102
图 6 所示的是精炼时间为 10 min 时, 不同尺寸 夹杂物的碰撞去除率与时间的关系. 从图 6 可以看 出: 对于尺寸 比较大的夹杂物( r > 10 m) , 夹杂物 越小, 碰撞去 除率越大; 对于小夹杂 物( r < 1 m ) , 夹杂物越大, 碰撞去除率越大. 最适合于碰撞去除
Vol. 31 Suppl. 1
舒志浩等: 钢液中夹杂物的碰撞长大及去除率
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是计算夹杂物去除率的一个重要参数. 夹杂物间的 碰撞 次 数 与 碰撞 率 常 数 有 关, 该 常 数 单 位 为 m3 s- 1, 也被称为碰撞体积.
( 1) 布朗碰撞率常数[ 4] .
式中
1( r i,
rj) =
图 4 湍流碰撞率常数与钢液搅拌能的关系( ri= 10 m)
2 3 夹杂物尺寸对总碰撞率常数的影响 图 5 给出了不同尺寸夹杂物的总碰撞率常数.
相互碰撞的两个夹杂物半径越大, 碰撞m 的夹杂 物, 其碰撞 率常 数大 于 10- 12; 对于 两个 半径 大于 40 m的夹杂物, 其碰撞率常数为 10- 10.
随着社会的发展, 人们对钢材质量要求越来越 高, 减少钢中的非金属夹杂物, 实现洁净钢的生产是 近十几年炼钢科学技术研究的重点. 从钢坯检验可 以看出, 夹杂物的含量依然很高, 尤其是小颗粒夹杂 物. 因此, 促进钢液中夹杂物碰撞长大, 非常有利于 钢材质量的提高.
Zhang 等[ 1] 对 夹杂物 碰撞 长大作 过相 关的 总 结, 但是并没有对碰撞长大去除率和影响因素作计 算和分析. Murakata 等[ 2] 对夹杂物间湍流碰撞率常 数的计算公式进行了修正, 但没有对在该种碰撞方 式下的夹杂物去除率进行计算. 本文从理论出发, 分析了各种碰撞率常数的影响因素, 计算了不同尺 寸夹杂物的碰撞长大去除率, 给出了夹杂物在钢液 中碰撞长大的基本规律.
1 夹杂物的碰撞长大行为
1 1 夹杂物的碰撞长大方式 钢液中夹杂物可以上浮到钢液表面或黏附到固
体表面, 但是这些方式只能去除较大尺寸的夹杂物, 小颗粒夹杂物主要依靠自身的碰撞长大. 夹杂物间 的碰撞有三种方式[ 3] ( 如图 1 所示) : 布朗碰撞、斯托 克斯碰撞和湍流碰撞. 布朗碰撞是指夹杂物在钢液 中进行布朗运动时发生的碰撞; 斯托克斯碰撞指在 钢液中大颗粒夹杂物上浮速度大, 追赶上小颗粒夹 杂物并与其发生的碰撞; 湍流碰撞指由于湍流漩涡 的运动, 夹杂物间发生的碰撞.
ABSTRACT A ccording to t he operating parameters of Jiuquan Iron & Steel G roup, the facto rs, w hich affect the collision of inclu sions and removal rate by coagulatio n, hav e been studied throug h the theoret ical analysis and calculation. Increasing stirr ing energy and temperature of liquid steel is helpful for coag ulation between inclusions. In the process of coagulation betw een inclusions, turbu lent collision plays a main role. Inclusion remov al by collision is suitable for inclusions hav ing a r adius of 1 to 13 m, w hose remov al r ates are 41 2% - 87 8% . KEY WORDS ladle refining; inclusion; co ag ulation
图 1 夹杂物间不同碰撞方式
1 2 夹杂物的碰撞率常数 每一种碰撞方式都有一个碰撞率常数, 该常数
的大小反映夹杂物间发生碰撞的难易程度, 同时也
收稿日期: 2009 07 03 作者简介: 舒志浩( 1987 ) , 男, 硕士研究生; 程树森( 1964 ) , 男, 教授, 博士, E mail: chengsusen@ metall. ust b. edu. cn
r
2 j
|
#(
r
i
+
rj ) 2
( 2)
式中 g 为重力加速度, N kg - 1; !∀是钢液密度与夹
杂物密度差, kg m- 3.
( 3) 湍流碰撞率常数[ 5] .
3( r i , r j ) = 1 3( ri + rj ) 3 ∃/ %
( 3)
式中 ∃是钢液搅拌能, m2 s- 3; % 为钢液动力黏度, %
= / ∀, m2 s- 1.
2 结果及分析
2 1 不同方式的碰撞率常数比较 图 2 所示的是半径为 10 m 的夹杂物与其他尺
寸的夹杂物碰撞时的各种碰撞率常数, 其中 1, 2, 3 和 分别是布朗碰撞率常数、斯托克斯碰撞率常
数、湍流碰撞率常数和总碰撞率常数. 从图 2 可以 看出湍流碰撞率常数最大, 其值与总碰撞率常数几 乎相等, 在计算过程中可以近似认为 3 = ; 布朗碰 撞率常数最小, 且远远小于湍流碰撞率常数, 数量级 在 10- 17. 对于半径大于 40 m 的夹杂物, 斯托克斯 碰撞 率常 数 大 于 10- 11; 湍 流碰 撞 率 常数 大 约 是 10- 8至 10- 13.
的夹 杂物 半径为 1~ 13 m , 其去 除率为 41 2% ~ 87 8% .
图 6 不同半径夹杂物的碰撞去除率
3 结论
通过理论计算研究了夹杂物碰撞长大的影响因 素及其去除率, 得出以下结论:
( 1) 增加搅拌能, 升高钢液温度都有利于促进夹 杂物间的碰撞.
( 2) 布朗碰撞 率常数很小, 数量级在 10- 17; 对 于半径大于 40 m 的夹杂物, 斯托克斯碰撞率常数 大于 10- 11; 湍流碰撞率常数大约是 10- 8 至 10- 13; 在夹杂物碰撞过程中, 湍流碰撞起主要作用, 因此加 强对钢液的搅拌有利于实现湍流碰撞.
图 2 不同方式的碰撞率常数
2 2 钢液温度和搅拌能对碰撞率常数的影响 图 3 给出了钢液黏度 = 0 007 P a s, 钢液密度