氣泡浮上來，帶出夾雜物 ——氣泡去除夾雜物技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
日前，北京科技大學(xué)的劉建華、張杰、李康偉在《煉鋼》2017年第2期上發(fā)表了《氣泡去除夾雜物技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》。文章對鋼包吹氬、鋼包長水口吹氬等氣泡去除夾雜物的去除效果和應(yīng)用前景進(jìn)行了比較分析，指出鋼中生成小尺寸氣泡對夾雜物去除效果優(yōu)于大尺寸氣泡。利用彌散微小氣泡去除鋼中夾雜物技術(shù)的開發(fā)越來越受到冶金工作者的重視，部分新技術(shù)已被開發(fā)并趨于成熟。
氣泡去除夾雜物機(jī)理
據(jù)介紹，氣泡去除夾雜物機(jī)理主要包含兩方面：一是利用氣泡粘附夾雜物上浮去除；二是氣泡上浮過程中產(chǎn)生尾流，夾雜物卷入尾流中去除。
氣泡粘附去除夾雜物。氣泡粘附去除夾雜物主要利用氣泡的浮選作用，整個過程主要分為6個階段：一是氣泡向夾雜物靠近，與夾雜物發(fā)生碰撞；二是氣泡與夾雜物之間形成液膜；三是夾雜物顆粒在氣泡表面滑移及振動；四是夾雜物與氣泡間的液膜破裂并形成動態(tài)的三相接觸團(tuán)；五是氣泡—夾雜物成為可以抵抗外壓的穩(wěn)定聚合體，夾雜物被氣泡粘附；六是氣泡—夾雜物聚合體的上浮。其中，氣泡與夾雜物的碰撞和粘附是整個過程中重要的兩個環(huán)節(jié)。氣泡粘附夾雜物上浮有一定概率，即并非所有夾雜物都能通過氣泡粘附的方式上浮去除。有研究表明：氣泡尺寸越小，氣泡與夾雜物粒子發(fā)生碰撞概率越大，夾雜物去除效果越好；夾雜物尺寸越小，粘附概率越大。
氣泡尾流去除夾雜物。在鋼液中，夾雜物除了被氣泡粘附去除之外，還有可能被大氣泡尾流捕捉去除。氣泡尾流去除夾雜物的主要原理為氣泡在上浮過程中，位于其尾部的液體會填補(bǔ)由于氣泡脫離和上升所導(dǎo)致的空間，從而在氣泡尾部形成回旋區(qū)，回旋區(qū)內(nèi)的流體形成了氣泡尾流。如果夾雜物位于該回旋區(qū)內(nèi)或其附近區(qū)域中，就有可能被卷入回旋區(qū)隨氣泡一起上浮運動。氣泡尾流去除夾雜物主要有3個步驟：夾雜物向氣泡尾流區(qū)靠近，夾雜物進(jìn)入氣泡尾流區(qū)，夾雜物在氣泡尾流區(qū)做循環(huán)流動并隨氣泡一起上浮。氣泡能否產(chǎn)生明顯尾流是尾流去除夾雜物的關(guān)鍵。有研究表明，直徑1mm~5mm的氣泡下部就會存在明顯尾流。
雖然大氣泡尾流捕捉是去除夾雜物的重要方式，但目前有關(guān)氣泡尾流去除夾雜物的數(shù)學(xué)模型研究文獻(xiàn)還未見報道，相關(guān)研究仍不成熟；并且夾雜物通過尾流去除時需要較大的氣泡和通氣量，較大的通氣量可能造成鋼液表面卷渣，造成鋼液二次氧化。相較于氣泡尾流去除夾雜物，氣泡粘附碰撞夾雜物研究較為深入，彌散的微小氣泡具有優(yōu)異的捕捉和粘附夾雜物的效果已經(jīng)成為共識，大部分氣泡去除夾雜物技術(shù)的開發(fā)主要是根據(jù)氣泡碰撞粘附夾雜物去除機(jī)理?；诖?，劉建華等人認(rèn)為，在將來的發(fā)展中，氣泡尺寸小型化、分布彌散化是未來氣泡冶金技術(shù)發(fā)展的方向。
氣泡去除夾雜物技術(shù)研究現(xiàn)狀
文章對氣泡去除夾雜物技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，主要包括鋼包吹氬技術(shù)、鋼包長水口吹氬技術(shù)、反應(yīng)誘發(fā)微小異相技術(shù)、中間包氣幕擋墻技術(shù)、增壓減壓法、超聲空化法、增氮析氮法和微小氫氣泡法。
鋼包吹氬技術(shù)。鋼包吹氬是重要的精煉手段之一，不僅可以均勻鋼液成分和溫度，還可以通過氣泡粘附夾雜物和氣泡尾流攜帶夾雜物上浮的方式凈化鋼液。鋼包吹氬用透氣磚的結(jié)構(gòu)對氣泡尺寸有直接的影響，其孔徑一般為2mm~4mm，在常用的吹氬流量范圍內(nèi)產(chǎn)生的氣泡直徑約為10mm~20mm，且底吹氬產(chǎn)生的氣泡在鋼液中上浮過程中會迅速膨脹，因此，氣泡捕獲小顆粒夾雜物概率很小，對尺寸較小的夾雜物去除效果不理想。
鋼包吹氬技術(shù)具有設(shè)備簡單、投資少且操作簡單的優(yōu)點，已經(jīng)被各大鋼廠應(yīng)用；但是其對顯微夾雜物去除效果差也是無法避免的“短板”。
鋼包長水口吹氬技術(shù)。連鑄時在接縫下方向鋼包保護(hù)套管中吹入較大量的氬氣，利用套管中湍急的鋼液將氣體破碎為彌散微小氣泡，形成的氣泡隨湍流鋼液進(jìn)入中間包中上浮長大，并不斷與夾雜物發(fā)生碰撞粘附，最終攜帶夾雜物上浮去除。相對于傳統(tǒng)的長水口與鋼包連接處密封吹氬，鋼包長水口吹氬技術(shù)吹氬量大，能在長水口和中間包注流區(qū)形成大量彌散細(xì)小氣泡，具有良好的去除夾雜物效果。
鋼包長水口吹氬技術(shù)須向鋼液吹入較大量氬氣，容易在中間包形成“裸眼”，造成鋼液二次氧化。隨著中間包密封技術(shù)的提高，特別是密封中間包的采用，長水口吹氬技術(shù)有望得到良好應(yīng)用。
反應(yīng)誘發(fā)微小異相技術(shù)。反應(yīng)誘發(fā)微小異相去除鋼中細(xì)小夾雜物，是通過向鋼液中加入細(xì)小的碳酸鈉，在鋼液中生成微小氣泡使夾雜物上浮去除。有研究者對此方法進(jìn)一步研究，設(shè)計了一種具有該功能的復(fù)合球體。此微小球體加入鋼液中，在高溫下分解產(chǎn)生氣泡和渣滴，產(chǎn)生的渣滴與Al2O3等夾雜物碰撞、聚集和長大，加快其上浮去除。該復(fù)合球體在鞍鋼RH精煉爐開展了工業(yè)試驗研究。采用該技術(shù)對鋼液進(jìn)行處理后，鑄坯中氧化物夾雜的數(shù)量明顯減少、尺寸變小，鋼中全氧最低可達(dá)6×10-6。
該技術(shù)目前還未在鋼鐵企業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用，對于該技術(shù)的理論研究還不完善，如產(chǎn)生的氣泡尺寸、氣泡在鋼液中的分布及鋼液溫降等問題還沒有深入研究。
中間包氣幕擋墻技術(shù)。中間包氣幕擋墻技術(shù)即中間包底部吹氬技術(shù)，其原理是通過埋設(shè)于中間包底部的透氣磚向鋼液中吹入的氣泡，與流經(jīng)此處鋼液中的夾雜物顆粒相互碰撞聚合吸附，增加了夾雜物的垂直向上運動，從而達(dá)到凈化鋼液的目的。同時，中間包吹氬可以改變鋼液的流動狀態(tài)，促進(jìn)鋼液的混合，有利于溫度及成分的均勻。
雖然中間包吹氬在理論研究方面取得了一些進(jìn)展，但部分企業(yè)反映，使用效果不太穩(wěn)定，在實際中應(yīng)用不太廣泛。目前存在的主要問題有：生成的氣泡尺寸較大，捕捉去除夾雜物效果不明顯；氣體吹入量受限制，因為要防止中間包卷渣及鋼液二次氧化；透氣磚的成本稍高，埋設(shè)不方便等。
增壓減壓法。20世紀(jì)90年代初期，日本NKK公司提出了增壓減壓法（Pressure Elevating and Reducing Method，PERM）去除鋼中夾雜物技術(shù)，其原理主要分為3個步驟：一是通過加壓使N2溶解在鋼液中達(dá)到過飽和；二是迅速減壓，氣泡在夾雜物表面異相形核并長大；三是氣泡攜帶夾雜物上浮，最終與鋼液脫離。
增壓減壓法去除鋼中夾雜物效果顯著。然而，由于此方法須要對鋼液進(jìn)行高壓處理，操作難度較大，至今沒有工業(yè)化生產(chǎn)。
超聲空化法。超聲波是一種機(jī)械波，在液體介質(zhì)傳播過程中會產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和聲壓變化，在鋼液中傳播時，會將鋼液中的微小氣泡核激活，使其產(chǎn)生包括振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列過程，微氣泡的這種從振蕩生長到崩潰的過程被稱為超聲空化。
超聲波產(chǎn)生的空化氣泡直徑小，僅有幾十微米，空化氣泡在上浮過程中有更多的機(jī)會和微小夾雜物發(fā)生碰撞并粘附在一起形成簇狀物，從而使鋼液中的微小夾雜物得到有效去除。但由于難以將超聲波導(dǎo)入到鋼液中，且很難找到可以在高溫下使用的導(dǎo)波材料，超聲空化氣泡法去除夾雜物研究仍集中在水模型和實驗室實驗階段，未進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
增氮析氮法。其技術(shù)原理是前期將N2充入鋼液中，使鋼液中氮含量顯著增加；后期通過真空處理迅速減壓，使鋼中過飽和氣體以夾雜物為核心生成大量彌散微小氣泡；最后氣泡攜帶夾雜物上浮，并在上浮過程中不斷捕捉細(xì)小夾雜物，達(dá)到去除顯微夾雜物的目的。
增氮析氮法尚處于實驗室研究階段，未進(jìn)行工業(yè)驗證，并且對生產(chǎn)氮含量敏感的鋼不適用。
微小氫氣泡法?？紤]到增氮析氮法對鋼中氮含量控制的困難，有研究者研發(fā)出微小氫氣泡法去除鋼中夾雜物技術(shù)。其原理是，向鋼液中通入焦?fàn)t煤氣或天然氣，焦?fàn)t煤氣或天然氣與鋼液相互作用，其中的氫組元溶解于鋼液中，使鋼液中氫含量達(dá)到8ppm以上；鋼液精煉脫氧后，對該鋼液進(jìn)行真空處理，鋼中溶解氫以夾雜物為異質(zhì)形核核心生成細(xì)小氣泡，氣泡攜帶夾雜物上浮到渣中去除；氣泡在上浮過程中也會通過粘附夾雜物促進(jìn)夾雜物上浮至渣中去除。
此技術(shù)可在吹氬站、CAS處理站、LF處理工位、AOD處理工位、RH處理工位和VD/VOD處理工位進(jìn)行充氫處理，將原先向鋼液吹入氬氣改成吹入天然氣或焦?fàn)t煤氣，然后通過RH處理、VD/VOD處理工位等進(jìn)行真空處理，適用范圍設(shè)備多，幾乎無須對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造；操作簡單，成本低；生成的氫氣泡體積細(xì)小，對鋼中顯微夾雜物及氮去除效果好。相較于增氮析氮法，該技術(shù)對鋼中氮具有良好的去除效果，對氮含量敏感鋼種依然適用。
由于微小氫氣泡法具有對鋼中顯微夾雜物及氮去除效果良好、適用設(shè)備廣泛、操作簡單等優(yōu)勢，在今后有望實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。
氣泡去除鋼中夾雜物發(fā)展趨勢
通過將各種氣泡精煉技術(shù)進(jìn)行對比分析（詳見附表），可以看出，夾雜物去除效果與產(chǎn)生的氣泡尺寸及氣泡彌散程度有直接關(guān)系。一般來說，氣泡尺寸越小、氣泡彌散程度越高，鋼中夾雜物去除效果越好，特別是對鋼中顯微夾雜物去除效果更加顯著。
鋼包吹氬或中間包氣幕擋墻技術(shù)等通過透氣磚或透氣塞向鋼中通入氣體，產(chǎn)生的氣泡尺寸較大，氣泡彌散程度差，夾雜物去除效果差，尤其是對顯微夾雜物的去除效果不夠理想。而近期發(fā)展的鋼包長水口吹氬、反應(yīng)誘發(fā)微小異相技術(shù)、增壓減壓法、超聲空化法、增氮析氮法、微小氫氣泡法等技術(shù)產(chǎn)生氣泡尺寸較小，氣泡在鋼中分布彌散，去除鋼中夾雜物效果較好。利用微小氣泡去除鋼中夾雜物的技術(shù)研發(fā)，已成為氣泡去除夾雜物技術(shù)發(fā)展的主流。
相較于鋼包長水口吹氬、反應(yīng)誘發(fā)微小異相技術(shù)、增壓減壓法、超聲空化法及增氮析氮法，微小氫氣泡法可通過在現(xiàn)有的吹氬站或已有的精煉設(shè)備上向鋼液通入氫氣、天然氣和焦?fàn)t煤氣等，在鋼中溶解大量氫，然后通過真空處理在鋼中形成微小彌散氣泡，對鋼中夾雜物有良好的去除效果。該技術(shù)操作簡單，適用性強(qiáng)，有望得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。
編輯：冶金材料設(shè)備網(wǎng)
發(fā)布時間：2020-05-15
