关键词：复吹转炉；水模型；分散相；粒度分布

在转炉吹炼中，分布在熔体中的液滴是通乳化作用产生的。乳化现象的开始是以分散

脱离原始母相向另一连续相内分布为标志，而分散相的粒度分布、数量及其在连续相中的停留时间决定了渣金反应界面面积的大小进而影响化学反应速度。文中利用水模型对转炉复吹过程进行实验室模拟，在不同边界条件下，对炉渣及钢液滴分散相的粒度分布进行模拟计算与分析。

1实验设备及研究方法

由于真正的三维图像获取存在很大困难，因此对三维条件下分散相在连续相中的界面面积的计算可以从二维条件出发，即可以认为二维图像是三维条件下的截面。

    实验采用有机玻璃模型模拟转炉的纵向断面，实验装置见图1。用水模拟钢液，用32号机油模拟熔渣。实验参数如下：水模型高×宽×厚=800mm×500 mm×50 mm，熔池深度为118mm，气体压力为0．4 MPa，采用4孔喷枪，喉口直径为6．3 mm，喉口角度12⁰，喉口极心圆直径23．3mm。底吹供气元件采用双侧对称布置，其间距为120 mm。实验在80～170 mm范围内选取5 个枪位，20～40 m³／h范围(在标准状态下)内选；取5个顶吹流量，0～1 m³／h选取5个底吹流量；(在标准状态下)，14～45／118范围内选取5个不；同渣金比。利用数码相机进行图像采集(分辨率)为0．352 7 mm×0．352 7 mm／pixel)，通过对得：到的准二维图像的计算机处理，对炉渣、钢液滴分散相在钢液及炉渣连续相的粒度分布进行计算。

    由实验得到的独立分散相个体可以看作是在二维像素空间内随机占据而形成的集簇，簇的大小可以用比例函数予以描述。研究表明，一个系统的某一特性的物理性质是按比例变化的。数学上这一关系可表述为：

    N(S>s)=s^m    (1)

    式中，N为尺寸S大于等于某一尺寸s的集簇的数目；m为数据线的斜率。表1为某边界条件下分散相的各粒度级比例。

    将表1中分散相集簇的大小与相应频数的关系利用双对数坐标系画出，如图2所示，ln N—ln s明显呈线形关系，其斜率m的绝对值大小反映了在此边界条件下的粒度分布规律。∣m∣越大表示小颗粒分散相集簇所占比例越大，即在分散相绝对量相同的条件下，分散相的界面面积越大。反之，则其界面面积越小。

2复吹转炉分散相出现的频率与其尺寸的关系   

  研究表明，形成分散相的母相至少必须达到某个临界速度才能使分散相液滴脱离，该临界

速度由液滴脱离点力的关系可导出：   

    式中，ρ_S、ρ_M为炉渣和金属的密度，kg／m³；σ为炉渣和金属间的界面张力，kg／s²；g为重力加速度，m／s²；dT为液滴直径，m；α为浮力方向与垂直线之间的夹角，(⁰)；由式(2)存在一个u_i,crit。的最小值，在某一直径下该条件的最小值的条件为：

  考虑到顶吹及底吹气体搅拌产生的气泡柱振动而发生的各种力相互作用关系的周期性变化将导致液滴大小和生成液滴数量的波动，因此上述关系式中的液滴直径d_T仅为该边界条件下的平均液滴直径。如果能够得到存在于连续相中的分散相液滴的粒度分布规律，则可为更加精确地对渣金反应界面进行计算提供条件。

2．1复吹转炉钢滴分散相的粒度分布

  图3(a～b)示出实验条件下复吹转炉钢滴分散相的粒度分布比例关系∣m_steel∣与边界条件的关系，在一定渣金比条件下，∣m_steel∣随枪位H的降低、顶吹流量Q_T的增加而增加，当转炉处于“软吹”状态，∣m_steel∣随Q_B的增加而增加，当转炉处于“硬吹”状态，∣m_steel∣随Q_B的变化存在极大值。

  (1)由分散相液滴临界直径关系式(4)及钢滴分散相形成的条件，随着冲击坑深度的增加，α减小，而cosα增加，则临界液滴直径d_T,crit减小，此时由于界面流动速度ui相对较高且远大于临界流速u_i,crit，其结果使得液滴脱离母相后直径迅速减小，钢滴以高比例的小尺度形式乳化入渣。由实验观察到当枪位H≤110 mm，顶吹强度(在标准状态下)Q_T≥35 m³／h，冲击坑形状和大小的变化出现垂直和水平的振荡现象。同时底吹强度(在标准状态下)Q_B≥0．8 m³／h时，加剧了上述振荡现象的幅度，从而使α反而可能增加，cosα降低则d_T,crit变大，这是在较强顶吹和底吹强度时∣m_steel∣降低，即小尺寸分散相钢滴比例下降的主要原因。

    (2)当顶吹强度与底吹强度较小时，其相互影响较小，顶吹和底吹按各自独立形成的涡旋带动熔池运动，两者互不相干或影响可忽略。而当顶吹与底吹强度都较大时，顶吹和底吹形成的涡旋部分交叉，两者相互影响不可忽略。上述相互影响显然与底吹供气元件的布置有关，须进一步研究。

    (3)在高渣金比条件下，能否形成“有效冲击面积”将比低渣金比条件更困难，因此高渣金比条件下外部供气条件的变化对∣m_steel∣影响相对滞后，即低渣金比条件∣m_steel∣比高渣金比条件对于外部边界条件(顶、底吹流量、枪位)的变化更为敏感。

    复吹转炉钢滴分散相粒度分布与其尺度的比例关系∣m_steel∣同水模型边界条件之间的经验关系式为：

式中，S／M为渣金比；Q_T为顶吹流量(在标准状态下)，m³／h；Q_B为底吹流量(在标准状态下)，m³／h，而Q_B=0时为纯顶吹条件。

2．2  复吹转炉渣滴分散相的粒度分布

    如图4(a～b)示出实验条件下复吹转炉渣滴分散相的粒度分布比例关系∣m_slag∣与边界条件的关系，当枪位H≥150 mm或渣金比S／M≥37／118时，顶吹流量Q_T几乎对∣m_slag∣无影响，其分布变化主要受到底吹流量QB的影响。由此可以近似认为只有在低枪位或小渣金比条件下顶吹才对∣m_slag∣的变化起作用。由式(4)底吹流量Q_B的增加使α减小而cosα增加，则d_T,crit减小，∣m_slag∣增加。与∣m_slag∣变化存在极值的情况所不同，∣m_slag∣的变化不存在此趋势，其主要原因在于钢滴分散相与渣滴分散相形成及再次被分裂成更小液滴的机理不同，即钢滴分散相脱离母相后不再受到熔池各种力的作用，其尺寸几乎不再继续变化，重新落入渣相后周围被炉渣母相包围，由于界面张力较大，因此继续分裂成更小液滴的几率较；小。而渣滴自始至终受到熔池中各种力的作用，对单个炉渣液滴而言，将受到既可能是纵向的拉应力和剪应力，也可能是横向的拉应力和剪应力。因此其更容易被进一步分裂成更小的液滴从而使：∣m_slag∣的值变大。  

    复吹转炉渣滴分散相粒度分布与其尺度的扎例关系∣m_slag∣同水模型边界条件之间的经验关系式为：

3  结  论

    (1)复吹转炉连续相中的一定大小分散相出现的频率与其尺寸存在一定比例关系。   

    (2)钢滴分散相的粒度分布随顶吹和底吹强度的增加出现极值，说明其受到复吹相互作用的影响，而渣金比越小其趋势越明显。   

    (3)在软吹条件下，渣滴分散相的粒度分布主要受到底吹强度Q_B的影响，顶吹流量Q_T几乎对其无影响。在硬吹条件下则受到顶、底吹共同作用的影响。