中间包微气泡冶金技术发展

　　摘 要：中间包中生成微小气泡可显著促进夹杂物上浮去除。对中间包微气泡精炼技术进行了分析总结，并针对研究较为深入的长水口吹氩技术相关文献进行了详细分析。结果表明，利用中间包中钢液湍动能破碎气泡可形成高效去除夹杂物技术，一些新技术正在研发过程中，长水口吹氩技术具有良好前景;“冷 钢 片 沾 钢”工 业 试 验 表 明，中间包长水口吹氩可在中间包钢液中生成弥散细小氩气泡，生成的绝大部分氩气泡尺寸小于2mm;长水口吹氩生成微小气泡的过程可分为气泡在长水口壁孔脱附和脱附气泡在湍急钢流中被剪碎成微小气泡两个阶段，其中钢液湍动能对氩气泡的剪切破碎作用十分明显;长水口吹氩技术水模型研究较多，数值模拟研究相对较少，工业试验研究才刚刚开始，有待更进一步的深入研究。

　　张硕;刘建华;苏晓峰;李巍;， 连铸 发表时间：2021-10-15

　　关键词：中间包;微小气泡;夹杂物;长水口吹氩;冷钢片粘钢

　　钢中夹杂物是影响钢材性能和质量的重要因素，夹杂物 控 制 是 钢 铁 生 产 的 重 要 管 控 任 务 之 一，现代钢铁中常通过炉外精炼手段实现夹杂物的高效去除 和 控 制。但 在 精 炼 后 期，夹 杂 物 大 量 去 除后，残存的夹杂物尺寸较小，数量较少，不易碰撞聚合长大、上浮 去 除，采用常规精炼手段难以实现夹杂物的深度去除。

　　大量研究表明，钢液中弥散细小气泡具有优异的捕捉夹杂物、促进夹杂物上浮去除能力[1-6]，在 钢液中生成大量弥散微小气泡，通过气泡粘附夹杂物上浮去除是实现钢中夹杂物深度去除的有效手段。近年来，微气泡深度去除夹杂物技术和理论研究十分活跃。

　　中间包是连铸生产的重要设备，钢液在中间包中停留时间较长，部分大尺寸夹杂物可在中间包上浮去除，中间包具有一定精炼功能。但其精炼功能有限，钢中大 量 细 小 夹 杂 物 很 难 上 浮 去 除，影 响 后续连铸生产顺行及铸坯质量达标。

　　气泡-夹杂物聚合体具有较高上浮速度，可在钢液流经中间包期间彻底上浮去除，因此中间包中生成微小气 泡 可 显 著 促 进 夹 杂 物 上 浮 去 除。近 三 十年来，人们对中间包微气泡精炼技术进行了诸多研究，本文对相 关 研 究 进 行 了 分 析 总 结，针 对 研 究 较为深入的长水口吹氩技术相关报道进行了详细分析，以期为中间包微气泡冶金技术研发提供参考。

　　1 中间包气泡冶金技术概述

　　选矿和化工领域生成微小气泡的方法较多，包括机械搅拌、溶 气 气 浮、湍流破碎气泡和向浮选槽吹气等，为冶金微气泡生成技术研究提供了诸多启迪[7-9]，其中湍流破碎气泡技术对中间包微气泡冶金技术研发影响较大。

　　根据中间包钢液湍动能利用情况，可将中间包气泡生成技术归纳为不利用钢液湍动能的中间包气幕挡墙技术和利用湍动能破碎气泡作用的中间包湍流区吹氩技术两种类型。

　　1.1 中间包气幕挡墙技术

　　中间包气幕挡墙技术通过在中间包底部埋设透气砖及透气塞向中间包内钢液吹入氩气，利用透气砖和透气塞弥散微细气孔，控制吹入氩气生成细小弥散氩气泡，并未利用钢液湍动能对吹入氩气的破碎效应，属于直接向钢液中吹气的控制手段。

　　现实生产中中间包气幕挡墙技术一般采用长条形透气砖垂直中间包钢液流动布置，使生成的气泡垂直于 钢 液 流 动 方 向 形 成 一 道 气 泡 幕 墙。钢 液流经该挡墙时，在气泡的提升作用下，向上运动，气幕挡墙发挥了现实生产中中间包挡坝的抬升作用;同时，钢液与 气 泡 较 充 分 接 触，钢液中夹杂物与气泡碰撞 机 会 较 多，可 利 用 弥 散 细 小 气 泡 的 气 洗 作用，捕捉去除钢中夹杂物[10-11]。常见的中间包气幕挡墙装置如图1所示。

　　中间包气幕挡墙技术主要依靠透气砖和透气塞弥散微细气孔控制吹入氩气泡的尺寸，现实生产中由于透气砖和透气塞耐材等与钢液的润湿性差、钢液温度高等原因，中间包气幕挡墙技术生成的氩气泡尺寸较大(10～20mm)[10]，去除夹杂物效果不稳定或不明显，目前国内外该技术的推广应用及研发进展较慢[12-15]。

　　1.2 中间包湍流区吹氩技术

　　1.2.1 长水口吹氩技术

　　中间包长水口的作用是保护浇注，避免钢液与空气接触 发 生 二 次 氧 化。连 铸 生 产 中 钢 液 从 上 方钢包的底部通过长水口进入下方中间包，钢液的势能转化为动能，钢液流速显著增大，速度可达0.6～4.0m/s[16-17];钢液的湍动能也显著增大，可将吹入氩气剪切破碎成弥散微小氩气泡。WangL等[18]结合选矿和化工领域研究成果进一步提出了一种利用长水口内湍急钢流对吹入气体的剪碎作用在钢液中生成微小 气 泡 的 长 水 口 吹 氩 技 术，其 后 ChoJ等[19]、BAO Y 等[20]、ZHANG Q 等[21]、CHANGS等[22]对该技术及相关机理进行了深入研究，结果均表明，中间包长水口吹氩可在中间包生成大量弥散微小气泡。

　　1.2.2 中间包注流区底吹氩

　　新日铁首先报道了中间包注流区底吹氩方法，具体技术如图2所示。该技术在中间包注流区底部设置多孔透气塞，通过多孔透气塞向中间包钢液中吹入氩气，一方面利用多孔透气塞的弥散微小通气孔对吹 入 氩 气 形 成 的 初 始 气 泡 尺 寸 进 行 控 制;同时，利用注流 区 湍 急 的 钢 液 流 动，促 进 透 气 塞 表 面弥散微小气孔孔口分离进入钢液，生产弥散微小氩气泡，生成的氩气泡尺寸细小。报道指出新日铁采用该技术后钢中夹杂物减少约33%[23]。

　　中国冶金 工 作 者 针 对 中 间 包 注 流 区 底 吹 氩 生成微小气泡开展了诸多研 究分析[24-26]。 张 美 杰等[24]分析表明可在湍流抑制器侧壁吹氩，位于侧壁的气体层被 钢 液 冲 击、搅 拌 后 生 成 微 小 气 泡，具 体装置如图3所 示。刘 金 刚 等[25]指 出 中 间 包 注 流 区底吹氩生成的微小气泡尺寸稍大于在长水口吹氩生成的微小气泡尺寸(大部分小于1mm)。

　　1.3 塞棒吹氩

　　塞棒吹氩是通过塞棒中心孔道向下吹氩，一般用于防止浸入式水口的堵塞。采用塞棒吹氩可生成尺寸细小的气泡，粘附钢中夹杂物，有效提高夹杂物的去除率，工艺装置如图4所示。该方法的原理为塞棒吹出的氩气随钢液进入中间包出水口，水口中湍急的钢液将气体离散为微小气泡。但应用该方法生成的微小气泡会进入到结晶器内，存在小气泡被铸坯捕获而形成表面及皮下缺陷的风险，实际生产中塞棒吹氩量受到严格限制，生成的微小气泡数量非常有限，去除夹杂物的作用及效果很不明显[27-29]。

　　1.4 密封中间包短距射流长水口技术

　　CHANGS等[30]报 道 了 一 种 密 封 中 间 包 短 距射流长水口技术，技术机理如图5所示。钢包进行密封处理并保持中间包内的氩气氛围，由于快速向下流动的钢液产生了负压环境，密封环境中的氩气由气孔进入扩张的长水口下管段，利用中间包长水口上管段注流产生的短距射流将氩气破碎，生成的微小气泡粘附钢液中夹杂物，并携带夹杂物上浮至渣中。由于中间包盖的密封作用，氩气逸出渣层后可循环利 用。由 于 该 技 术 需 要 采 用 密 封 中 间 包 及特殊结构的长水口，现实生产中较难实现。

　　综上所述，相对不利用钢液湍动能的中间包气幕挡墙技术，充 分 利 用 钢 液 湍 动 能，可 在 中 间 包 生成弥散微小氩气泡，形成高效中间包微小氩气泡精炼技术，其中，中 间 包 长 水 口 吹 氩 技 术 具 有 良 好 发展前景。

　　2 长水口吹氩技术研究

　　2.1 长水口吹氩技术原理

　　1996年，WANG L 等[18]首次提出长 水 口 吹 氩技术，方案 如 图 6 所 示。主 要 技 术 原 理 有 两 方 面。一方面依据化工领域中较成熟的强烈湍流流体中气泡最大尺寸dB，max计算式(1)

　　dB，max = We×σL( ) ρL0.6 ε-0.4 (1)式中：We为临界韦 伯 数，取1.2;σL 和ρL 分 别 为 钢液的表面张力和密度;ε为湍流耗散率。

　　在长水口 中，由 于 钢 液 势 能 逐 渐 转 化 为 动 能，钢液湍动能也急剧增大，在长水口下端出口处湍流耗散率可达到10～65m2/s3[20，31];依据式(1)，理想情况下长水口出口处钢液中气泡的最大尺寸应为1.6～3.1mm。

　　另一方面，微小气泡在长水口和中间包中与夹杂物相互 碰 撞、粘 附，气 泡 尺 寸 越 小，碰 撞 概 率 越大。SutherlandKL[32]研 究 表 明，气 泡 与 夹 杂 物 碰撞粘附的总概率P 可按式(2)计算P =Pc ×Pa × (1-Pd) (2)式中：Pc 为夹杂物与气泡发生碰撞的概率;Pa 为夹杂物与气泡发生碰撞后粘附的概率;Pd 为发生粘附后又脱附的概率。

　　ZhangL等[4]对钢中夹杂物与气泡碰撞的碰撞概率和粘附 概 率 进 行 深 入 研 究，结 果 表 明，钢 中 小于5mm 的气泡具有较高夹杂物粘附概率，如 图7所示。WANG L等[33]研究表明对于钢中小于3mm的细小气泡，随 气 泡 尺 寸 降 低，中间包钢液中夹杂物去除率显著增大，如图8所示。薛正良等[34]研究表明，气泡捕获夹杂物概率与气泡直径的平方成反比。诸多研究表明，细小气泡与钢中夹杂物碰撞和粘附概率较 高，远 大 于 大 尺 寸 气 泡，细 小 气 泡 可 高效促进钢 中 夹 杂 上 浮 去 除。但钢液中微小气泡与各种夹杂物的碰撞和粘附概率还与钢液的流动、夹杂物的尺寸和形态、气泡和夹杂物的湍动等密切相关，气泡与夹杂物碰撞粘附理论还有待深入研究。

　　2.2 氩气泡形成机理研究

　　在长水口吹氩技术形成初期，认为采用该技术生成微小气泡尺寸取决于钢液的湍动能。在2015年，樊安源 等[35]指 出 ZHANG Q 等[21]和 LIJ等[36]研究结果与 WANGL等[18]提出的长水口吹氩概念存在冲突：上述 二 人 研 究 结 果 表 明，采 用 长 水 口 吹 氩技术生成微小气泡的尺寸受到吹气流量和吹气孔尺寸等操作参数 的影响，但 根 据 WANG L 等 研究[18]气泡尺寸应只与钢液湍流强度有关，与吹气流量、气孔尺寸等参数无关。樊安源等[35]对此解释为湍流中气泡最大稳定尺寸理论成立的前提是气泡在湍流区中停留足够时间[37]，长水口内钢液流速较快，气泡跟随 钢 液 也 下 降 较 快，在 高 湍 流 区 停 留 时间较短而 达 不 到 所 有 气 泡 破 碎 的 时 间 要 求。其 提出长水口内部微小气泡形成需要经历两个阶段，第一阶段为气泡在吹气孔口的脱附，第二阶段为气泡在湍急钢 流 内 的 破 碎。其 中 第 一 阶 段 气 泡 脱 附 尺寸受到吹气 流 量、气 孔 尺 寸 等 因 素 的 影 响，而 第 二阶段时间较短，最终生成的气泡尺寸受前一阶段脱附尺寸影响较大。2016年 CHANGS等[31]对长水口内钢液湍 流 耗 散 率 进 行 了 计 算，结 果 表 明，长 水口内部湍流耗散率分布并不均匀，滑板下方湍动能最高，此后逐层减小，如图9所示，与樊安源等[35]提出的“两阶段”机理吻合。

　　2.3 长水口吹氩生成微小气泡尺寸分析研究

　　生成微小 气 泡 是 中 间 包 气 泡 冶 金 的 最 核 心 问题，根据樊安 源 等[35]提出的长水口内气泡生 成“两阶段”观点，提高钢液湍流耗散率同时控制壁孔气泡脱附尺寸可在中间包中生成微小气泡。

　　滑动水口开度、吹气位置、钢液流速等操作参数影响长水口内湍流耗散率。BAOY等[20]研究表明，滑动水口开度越小，钢液湍流耗散率越大，气泡尺寸越小，CHANGS等[38]采用38%的滑动水口开度，为文献报道中最小滑动水口开度，对应其研究结果中气泡尺寸略小于其他报道中气泡尺寸。由图9可知，在距滑板较近区域对应较高的湍流耗散率，因此吹气位置距离滑动水口越近，生成气泡尺寸越小，WangL等[18]、ChoJ 等[19] 、ZHANGQ 等[21] 和 CHANGS 等[38]报道的研究结果均可对此进行验证。

　　BaiH等[39]研 究 表 明，向下快速流动的钢液施加给孔口气 体 较 大 剪 切 力，促 进 气 泡 脱 附，降 低 生成气泡尺寸。由此可见，气泡尺寸与钢液流速正相关。WangL等[18]和 LIJ等[36]研究结果表明，吹气流量越小，气 泡 脱 附 尺 寸 越 小，利 于 湍 急 钢 液 对 已脱附气泡的 破 碎;ZHANG Q 等[21]研 究 结 果 表 明，气泡脱附尺寸随气孔内径的降低而降低。近年来，CHANGS等[38]在 水 模 型 吹 气 孔 板 上 添 加 疏 水 涂层模拟不润 湿 钢 液 的 长 水 口 耐 火 材 料，结 果 表 明，长水口吹氩技术在采用非润湿孔板时生成气泡尺寸比使用润湿孔板生成 气泡尺寸增大约 10% ～20%。以上研究结果的整理见表1。

　　2018年，CHANGS等[40]综合考虑壁孔气泡脱附和湍急钢流中气泡破碎两个阶段，通过物理模拟试验对长水口吹氩技术生成微小气泡机理进行了研究，根据试验结果回归经验公式预测长水口吹氩生成微小气泡尺寸db。

　　db =dB，max + (ds -dB，max)e- C Δεu (3)式中：ds 为经验气 泡 脱 附 尺 寸[41];C 为 模 型 常 数;u为气泡下降速度，认为等于下降钢流速度。

　　近期本课题组[22]进行了长水口吹氩工业试验，采用“冷钢片沾钢法”测量钢液中微小气泡尺寸，克服了高温 钢 液 中 气 泡 表 征 的 困 难。典 型 取 样 钢 片和取样方法如图10所示，取样结果表明，大部分气泡直径小于2mm，证 实 了 通 过 长 水 口 吹 氩 技 术 能够在钢液中生成尺寸细小的气泡。

　　该结果 表 明，长 水 口 吹 氩 流 量 较 小 时，吹 入 氩气在中间包内生成的气泡尺寸细小，绝大部分气泡小于依据钢液湍动能对气泡剪切破碎作用计算的最大尺寸，表明长水口吹氩生成微小气泡过程中钢液湍动能的剪切破碎效应发挥了主导作用，氩气泡在形成过程的第二阶段得到较充分破碎，可应用式(1)估算中间包钢液中生成氩气泡的最大尺寸。但式(1)只能估算气泡的最大尺寸，不 能 精 准 计 算 具体尺寸。鉴于气泡尺寸是气泡精炼效果的最重要影响因素，长水口吹氩生成微小气泡尺寸的计算式及理论还需深入研究。

　　2.4 长水口吹氩生成微小气泡分布分析研究

　　除气泡尺寸外，微小气泡的分布也是影响夹杂物粘附去 除 的 重 要 因 素。微小气泡在钢液中弥散分布，气泡与 钢 液 相 对 运 动 轨 迹 长，即 气 泡 清 洗 过滤较大钢液体积，可显著提高夹杂物去除率[4]。

　　吹氩条件显著影响长水口内气液两相流的流型。长水口内部流型影响微小气泡在长水口内的分布，进一步影响微小气泡在中间包内的分布，最终影响夹杂物的去除效果。

　　近年SinghP K 等[45]针对长水口内部的气液两相流流型 进 行 探 究，结 果 表 明，两相流流型与气液体积比有关，如图11所示。由图11可知，在较低气液比下(0～2%)，长 水 口 内 形 成 气 泡 流;提 高 气液比后(2%～42%)，长水口上部近壁面为气体，内部为钢流，钢 液 和 气 体 不 能 充 分 混 合，当 两 相 流 发展至 长 水 口 下 部 后 气 液 相 混 合;当 气 液 比 较 高(42%以上)，在整个长水口内部钢液都不能与气相实现混匀，这极不利于长水口吹氩技术的施展。大量研究表明，长水口吹氩的气液体积比一般在0～10%[18-21，42-44]，对应 于 SinghP K 等[45]研 究 结 果 中图11流型，表明采用长水口吹氩技术生成的微小气泡在长水口内能够和钢液较好混匀。

　　中间包中常使用湍流抑制器以优化钢液流场。湍流抑制器位于长水口正下方，对中间包钢液流动及钢液湍动能的分布与控制有重要影响，同时也对长水口吹氩生成微小气泡分布影响较大。CHANGS等[46]认为 传 统 湍 流 抑 制 器 不 利 于 微 小 气 泡 与 钢液的混匀，其通过水模型和数学模型对使用冲击垫和湍流抑制器下的微小气泡分布进行了研究，结果表明，采用冲 击 垫 时 气 泡 分 布 范 围 较 广，气 泡 过 滤体积约为采用湍流抑制器时的11倍，如图12所示。

　　2.5 长水口吹氩与中间包渣眼的联系

　　采用长水口吹氩技术生成微小气泡，微小气泡从长水口下沉进入中间包中，粘附夹杂物上浮至中间包渣中，随后气泡逸出，此过程存在生成渣眼，造成钢液二次氧化的风险，须从避免生成渣眼的角度评估长水口吹氩技术。

　　ChattopadhyayK 等[47]使用物理模型和数学模型研究了长水口吹氩对中间包渣眼的影响，结果表明，气泡冲到包底后回升到长水口附近的过程使钢液抬升，导致渣层被推开，形成渣眼，如图13所示。

　　ChatterjeeS等[48]通过水模型试验研究了长水口吹氩与中 间 包 渣 眼 的 联 系，结 果 表 明，中 间 包 渣眼面积与吹气流量、熔池深度、渣层厚度、熔池性质等有关，结合水模型试验结果，回归得到经验公式Ae =282.289hH U2p( ) gh1.766 Δρ ( ) ρL1.588 vs( ) hUp0.089(4)Up =1.257×107 uL ρLdbgd3bu2Lρ ( )2L0.587 H( ) db0.046(5)式中：Ae 为 渣 眼 面 积;h 为 渣 层 厚 度;H 为 钢 液 深度;Up 为气液混合物的平均上升速度;g 为 重 力 加速度;Δρ为钢液和钢渣的密度差;vs 为渣的运动黏度;uL 为钢液的运动黏度。

　　诸多报道[43，47-49]指 出，提高长水口吹氩流量引起中间包渣眼面积增大，原因可由式(4)和式(5)解释。在中间包钢液和钢渣物性参数不变的前提下，由式(4)可 知，渣 眼 面 积 随Up增 加 而 增 加;通 过 式(5)可知，气 泡 直 径db 是 影 响Up 的 重 要 因 素。结合 WangL 等[18]、LIJ等[36]和 CHANGS等[46]研究结果，长水口吹氩流量较大时，气泡数量增多，加剧钢液内部气泡之间的碰撞聚合，最终生成气泡尺寸db随之增大，导致渣眼面积增大。

　　也有研究 指 出，当 气 泡 尺 寸 较 小 时，微 小 气 泡在中 间 包 内 弥 散 分 布，不 会 形 成 渣 眼。Chatto-padhyayK 等[47]水 模 拟 结 果 表 明，当 气 泡 直 径 为0.15～0.4mm 时 未 形 成 中 间 包 渣 眼。CHANGS等[31，43]研究结果也表明，直径0.8mm 的微小气泡对中间包流 场 影 响 不 大，不 会 抬 升 钢 液 形 成 渣 眼。当提升吹氩流量且气泡直径进一步提高至2mm 时才开始出现边界清晰的渣眼。

　　还有观点 表 明，即 使 在 中 间 包 出 现 渣 眼，也 会在钢液顶部覆盖一层氩气，不会发生或仅发生较轻的二次氧化[48]。

　　3 中间包微气泡冶金技术展望

　　长水口吹 氩 技 术 在 增 强 中 间 包 精 炼 效 果 上 最具优势。该 方 法 充 分 利 用 了 连 铸 过 程 长 水 口 中 湍急钢流 的 破 碎 作 用，使 吹 入 氩 气 破 碎 成 微 小 氩 气泡，并与钢水充分混合，形成弥散微小氩气泡;在合理的吹氩流量范围内长水口吹氩技术可在中间包中生成弥散 微 小 氩 气 泡，气泡尺寸较为细小，气 泡具有较强的捕捉钢液中夹杂物并促进夹杂物上浮去除的能 力。但长水口吹氩生成微小氩气泡的尺寸、分布还不 能 精 准 量 化，气泡去除夹杂物的行为及效果还缺少深入研究。

　　4 结论

　　(1)微小氩气泡具有优异的夹杂物去除精炼功能，在中间包钢液中生成弥散微小氩气泡可显著促进中间包钢液中夹杂物去除，中间包微小气泡冶金技术已引起冶金工作者的重视，一些新技术正在研发过程中。

　　(2)依据中间包钢液 湍动能对气泡的生成作用，可将中间包气泡生成技术初步归纳为不利用钢液湍动能的中间包气幕挡墙技术和利用湍动能破碎气泡作用的中间包湍 流区吹氩技术两种 类 型。相对而言充分利用钢液湍动能，可在中间包生成弥散微小氩气泡，形成高效中间包微小氩气泡精炼技术，其中中间包长水口吹氩技术具有良好发展前景。

　　(3)“冷 钢 片 沾 钢”工 业 试 验 表 明，中 间 包 长 水口吹氩可在中间包钢液中生成弥散细小氩气泡，生成的绝大部分 氩 气 泡 尺 寸 小 于2mm，具 有 良 好 的夹杂物捕捉与去除效果。

　　(4)长水口吹氩生成微小气泡的过程可分为气泡在长水口壁孔脱附和脱附气泡在湍急钢流中被剪碎成微小气泡两个阶段;其中钢液湍动能对氩气泡的剪切破碎作用明显，可依据钢液湍动能估算生成氩气泡 的 最 大 尺 寸。但长水口吹氩生成微小氩气泡的尺寸量化还有待研究。

　　(5)长水 口 吹 氩 水 模 型 研 究 较 多，数 值 模 拟 研究相对较少，工业试验研究才刚刚开始。长水口吹氩生成微小 氩 气 泡 的 尺 寸、分 布、气泡去除夹杂物的行为及效果还待深入研究，数值模拟和工业试验研究可在该方向发挥重要作用。