影响钢包底吹气孔口处底吹气泡上浮的因素.docx

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影响钢包底吹气孔口处底吹气泡上浮的因素

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摘要：运用气泡形成的两阶段模型，分析在一定气体流量下，静止钢液中通过孔口连续溢出气泡的形成过程。通过MATLAB编程计算得到气泡的脱离直径。对影响气泡脱离尺寸的气体流量、孔口直径和表面张力因素进行分析，并将气泡直径的理论计算值与数值模拟结果进行比较。从理论计算结果以及与数值模拟对比得出：随着气体流量的逐渐增大，气泡的脱离直径总体变化趋势为由缓慢增大到迅速增大；在较小的气体流量下，气泡脱离直径受孔口直径和表面张力影响显著，随着流量的增加其影响越来越小；孔口边缘的润湿性对气泡脱离尺寸的大小起决定性作用。

关键词：气泡；二阶段模型；钢液；孔口直径；润湿性

本文在气体流量恒定条件下，应用气泡形成的两阶段模型，通过力平衡方程和牛顿运动第二定律，分析静止钢液中底部孔口处气泡的形成过程。利用MALAB编程计算得到气泡的脱离直径，对影响气泡直径大小的操作条件、物性参数条件和孔径进行分析，为气泡浮选去除夹杂物的理论研究提供参考。

1静止钢液中气泡的形成

假设在钢包底部中心位置有一个直径为dh的圆形水平孔口，孔口边缘被钢液完全润湿，在恒定流量下氩气通过孔口形成连续的气泡。在气孔直径较小（5~6mm）时，根据气体流量不同，气泡形成方式有三种状态：

当气体流量很小，Re≤500时，形成离散的单个气泡，气泡仅受浮力和表面张力的作用，假设气泡为球形，有

（1）

（2）

式中：db为气泡直径，dh为孔口直径，σ为表面张力，μ为钢液的黏度，u0为孔口气速，ρl、ρg分别为液相、气相密度，Re为雷诺数，g为重力加速度。由式（1）可以求出气泡的脱离直径。

当气体流量增大，500

当气体流量增加至Re≥2100时，气体呈射流状喷吹到钢液中，随后分裂为尺寸各异的的气泡。

在钢包底吹氩过程中，其Re远远大于500。因此，浮力、表面张力、粘性阻力和惯性力对气泡的形成都有作用。两阶段模型表现为气泡的形成先后经历膨胀和脱离两个阶段。在膨胀阶段，气泡底部粘附在孔口边缘，顶部沿径向膨胀长大，当浮力大于向下的合力时，气泡最低点与孔口平面分离，进入到脱离阶段；随着气体流量的持续增加，气泡底部上移，在孔口上部形成一个近乎圆柱台体的“缩颈”，颈缩不断生长长大，气泡向远离孔口的方向移去。当颈缩逐渐变细直至断裂时，气泡与孔口分离。气泡在两个阶段的形成过程如图1所示。膨胀阶段和脱离阶段的体积之和为气泡脱离的最终体积：

（3）

式中：VE和VF分别是气泡膨胀段体积和最终体积，τf是脱离过程所持续的时间，Q为单位时间气体体积流量。

（a）膨胀阶段（b）脱离阶段

图1钢包底部孔口处气泡阶段形成示意图

Fig.1Schematicofbubbleformationinexpansionanddetachmentstagesattheorificeofaladle

1.1膨胀阶段

气泡底部与孔口接触，保持静止，上部以等于气泡半径变化率的速度膨胀。作用在气泡上的各种力表达式如下：

（1）浮力，由气、液两相间的密度差所引起，

（4）

式中，是气泡体积，qv是气体的体积流量。

（2）粘性力，是液相对气泡的阻力。球形气泡在流体中运动所受到的阻力，可应用斯托克斯阻力公式近似计算，即

（5）

式中，uE为气泡膨胀速度，rE为气泡半径。

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附加表面力，由表面张力所引起，

（6）

cosθ表示孔口处气泡表面与垂直方向之间的夹角，通常取cosθ=1。

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惯性力，气体持续通过孔口进入气泡，气泡以相应的速度膨胀而引起的惯性力。惯性力相当于动量的变化率，即

（7）

式中：M是气泡的虚拟质量，即气泡中气体的质量与包围气泡的液体体积（相当于气泡体积的11/16）的质量之和。若ρgρl，ρg可以忽略，则

（8）

式中te是膨胀阶段持续的时间。

因为气泡底部与孔口边缘粘附，保持静止状态，所以气泡中心上升的速度即为气泡的平均速度，等于气泡半径的变化率，即

（9）

式中re为膨胀阶段气泡的半径，整理得

（10）

在第一阶段结束时有V=VE，向上与向下的力平衡时有

（11）

将气泡受到的各种力的数学表达式带入方程（11），整理后得到膨胀结束时气泡体积表达式

（12）

膨胀结束时的气泡脱离体积VE可由迭代方法求得。

1.2脱离上升阶段

在脱离上升阶段，由于气泡受到向上的浮力大于向下的合力时，气泡底部逐渐向远离孔口方向外移而形成细颈，并通过细颈与孔口接触。最终气泡脱离半径

rE推导公式见文献[1]，VE计算式

（13）

式中：

由式（12）求得VE和rE；然后由式（13）求VF，进而求得rF，最终得到膨胀、脱离阶段的气泡直径DE和DF。