浇注过程中钢液的吸氧量

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.04.002 北京钢铁学院学报 第9卷第4期 Journal of Beijing University Vol,9 No.4 1987年10月 of Iron and Steel Technology 0ct.1987 浇注过程中钢液的吸氧量 董履仁 王志强 (炼钢教研室) 摘要 为了弄清钢流在浇注过程中受空气氧化的情况，进行了模型实验，得到的吸气 公式为： L=2.433×10Fr.4957.We.3122.（h/D).3038 UI 还根据现场取样，分析浇注前后钢中氨含量以及氮邻之间关系，算出了钢液吸 氧量，说明用上式估算钢水二次氧化程度是可行的。 关键词：摸拟，吸氧，浇注过程 On the Investigation of Absorption Oxygen from Air During Teeming Process Dong Luren Wang Zigiang Abstract In order to understand the air oxidation of molten steel during teeming the model experiments on the oxygen absorption of pouring stream were carried out.A theoretical formula of gas absorption is given. The results show that the content of oxygen came from air is calculated by using the relationship between the absorption rate of (N]and (O ] Key words:simulation,absorption oxygen,teeming process 19?6-09一22收稍 8

北 京 钢 铁 学 院 学 报 公 吧 卞 第 卷第 期 年 月 。 。 。 浇注过程中钢液的吸 氧量 董履仁 不 土 弓昌 一 、 砧 ， 峨协 、 炼钢教研室 摘 要 为了弄清钢流在浇注过程中受空气氧化的情况 ， 进行了模型 实验 ， 得到的吸气 公式为 卫上 一 ， · ‘ ” · 砂 ， · ， ， 人 刀 ， · ， 刀 还根据现场取样 ， 分析浇注前后钢中氮含量以及氮氧之间关系 ， 算出了钢 准吸 氧 ， 说明用上式估算钢水二次氧化程度是可行的 。 关被词 模拟 ， 吸氧 ， 浇注过程 ” 夕 “ 牙 夕 犷 ” 夕 人 。 夕 〔 〕 〔 〕 ， ， 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．04．002

前 言 钢水在浇注过程中，注流与大气接触，将卷入大量空气，造成锅水二次氧化，合金 成分不稳定，使最终凝固的钢锭里产生大型夹杂物。经过炉外处理的高纯净钢水，由于 钢液温度高，氧的活度低，这种现象的影响会更加严重，这就使炉外处理得到的良好效 果最终不能实现。本文目的在于研究浇注过程中钢水吸氧量和影响因素，以估计钢流二 次氧化程度，进而确定有效的保护浇注措施。 1模拟实验求吸氧量 4 近年来，不少研究者通过模拟实验得到一些注流吸氧量的计算式(1~3)，但这些模 拟实验几乎都用水来模拟钢液，只考虑了注流的物理卷气现象，很少考虑注流和气相间 的化学吸收。本文在总结这些研究工作的基础上，利用NOH水溶液吸收CO,来模拟注 流吸气，以求得到更切合实际的研究结果。 1.1模化条件和模型尺寸 用量纲分析法，忽略对吸气量影响较小的无量纲数，可得： v/v1=f (We;Fr,h/D) (1) 式中，l、vg分别为注流体积流量及卷吸的气体体积，W为韦伯准数，h为注流长度， D为水口直径。 由NaOH水溶液(25℃)和钢液(1600℃)的物理性质可算得，只要钢包液面高度、 水口直径和注流长度的相似比取 0.6,就可同时保证原型和模型 We,Fr和h/D相等。但按此相似 比设计的模型尺寸过大，不仅实 验时消耗大量的NaOH溶液，而 且不易操作。为此，根据近似模 化的一般原理〔4)对相似比进行调 整。调整后的模型尺寸D为1,2 cm,（原型以攀钢模注系统为 淮)。注流长度变化范围为2.3 ~23cm。 1.2实验装置及操作原理 实验装置如图1所示。实验 开始，先打开C0,和氮气两利气 【1实位技殿示意图 体在混气罐内混合后进入气体 1一钢包2一气体罩3一注流4一中注管5一分流容器 6一锭模7-一三通管￡一混气罐9一流量计10一流盘计 罩，气体罩侧壁留有气体出口， 11-氨气瓶12-C0:瓶13-测仪14-酸度计15一储液缸 以维持罩内0.1MPa,吹气1一2 Fig.1 Schematic diagram of the appara.us 9

前 口 日门 ‘ 口 钢水在浇注过 程 中 ， 注流与大气接触 ， 将卷人大 量空气 ， 造 成钢水 二次氧化 ， 合金 成分不稳定 ， 使最终凝固的钢锭 里产生大 型夹 杂物 。 经过炉外处理 的高纯净钢水 ， 由于 钢液温度高 ， 氧的活 度低 ， 这种现象的影响会更 加严重 ， 这就使炉外处理得到的良好效 果最终 不能实现 。 本文 目的在于 研究浇注过程 中钢水 吸氧量和影响因素 ， 以 估计钢流二 次氧化程度 ， 进而确定有效的保护浇注措施 。 模拟实验求吸氧量 近 年来 ， 不 少研究者通过模拟实验得到一些注流吸氧量的计算式〔卜 〕 ， 但 这 些 模 拟实验几 乎都用 水 来模 拟钢液 ， 只考虑 了注流 的物理 卷气现象 ， 很少考虑注流 和气相间 的化学吸 收 。 本 文在总结这些研究工 作 的基础 上 ， 利 用 水 溶液吸收 来模拟注 流吸气 ， 以 求得到更切 合实际 的研究结果 。 模化 条件和 模型尺 寸 用 量纲 分析法 ， 忽略对吸气量影响较小 的无量纲数 ， 可得 附 ， ， 式 中 、 分别为注流体积流量及卷吸 的气体体积 ， 班 为韦伯准 数 ， 为注流长 度 ， 为水 口直径 。 由 水溶液 ℃ 和钢液 水 口直径 和注流长度的相似比取 ， 就可 同时保证 原型和模 型 平 ， 和 相等 。 但按此相似 比设计的模 型尺寸过大 ， 不 仅实 验时消耗大量 的 溶液 ， 而 且不易操作 。 为此 ， 根据近 似模 化的一般原理“ 〕对相似 比进 行调 整 。 调 整后 的模型尺寸 为 ， 原型以攀钢模注系 统 为 准 。 注流长度变化范 围为 。 。 实验装里及操作原理 实验装置如图 所示 。 实验 开始 ， 先打开 和氮气 两种 心 体在混气罐 内混合后 进 人 气 体 罩 ， 气体罩侧壁 留有气体出 口 ， 以维持罩内。 。 ， 吹 气 一 ℃ 的物理 性质可算得 ，只要钢包液面高度 、 留 丈傀 月 图 实验装 置示意图 一钢 包 一 气体罩 一注流 一 中注管 一 分 流容器 一锭模 一 三 通 管 一 混气罐 一 流量 计 一 流盈 计 一 氮气 瓦 一 留 瓶 一 测气仪 一 酸度计 一 一储液缸 名 名 护

mi后，测氧仪指针接近零点，表示罩内空气基本除净，这时打开钢包水口，注流从混 合气体中穿过，通过中心注管到锭模，测定模中溶液的pH值，就可以计算出浇注后溶液 的CO2浓度，进而算出吸气量。pH值变化与CO2浓度的关系已由稻田(6)导出： y=[10-PH+￥-10-14-pH)]·[1+1010.329-PH+1016.68-PH]/ (2+1010.329-PH) .(2) 式中y为溶液中CO,浓度(mol/1),x为NaOH浓度(mol/1) 1.3实验结果及分析 实验测定不同W,Fr和h/D值时的吸气量，其中的部分实验结果如图2(a)和 (b)所示。 9.0 We=0,122 8.0 8.0 we=0.078 9 7.0 7.0 6.0 6.0 5.0 I/[ow 5.0 4.0 8 3.0 oo 3.0 Fr Fr 137.5 2.0 110 2.0 117.5 97.5 1.0 1.0 6 77.5 (a) 0 b 957.5 121620 24 481216 202428 h/D h/D 图2吸气量与h/D,Fr和We的关系 Fig.2 Relation with Ccoa and h/D,Fr,We 由图可知，吸气量（Cc0,)随Fr、We、h/D值的增大而增大，这意味着吸气数学 模型中，Fr、We、h/D值的方次大于零。设： u/u,=f·(Fr·Web·(h/D)e) (8) 根据理想气体方程vg=mC02·RT/Pco2及 mc0,=Cco2·v1,得出 =Cc0:×0:0082x298=42.87Cc0: 0.057° (4) UI 注'，Po2≥Qco2×(C0纯度)/Qco:+QN2=_6×95%=0,057MPa, 6+4 这里，v,为注流卷吸气体量（I),v,为浇注的液体量(1)Cc02为浇注后溶液中C0, 浓度(mol/1),mc0z为CO2摩尔数，Pco2为混合气体中CO2分压(MPa),Qcna和 Qwz为进入混气罐的两种气体的流量(1/min)。 把实验测得的75组数据作回归分析得出： 10

后 ， 测氧仪指针接近零点 ， 表示 罩内空气基本除净 ， 这时打开钢包水 口 ， 注流从混 合气体中穿过 ， 通过 中心注管到锭模 ， 测 定模中溶液的 值 ，就可以计算出浇注后溶液 的 浓度 ，进而算出吸气量 。 值变化与 浓 度的关系已 由稻田〔幻 导 出 夕 一 ，“ 劣 一 一 ‘ 一 ’ ” ， 〕 · 〔 ‘ 。 · “ 卜 “ · 一 ’ “ 〕 一 式中 为溶液 中 浓度 ， 二 为 浓度 实验结果及分析 实验测 定不 同不 ， ，和 值时的吸气量 ， 其中的部分实验结果 如 图 和 所示 。 二 月匕 尸拼 口沪 一 尹 洲 受二声 洲名刁多决价 刃尹 洲 少戈犷 夕 。 。 占 。 ， 。 “自︸ … 吕﹃即咋 兰已。 ‘ 乞 二 ， 沪己 月石海 砍匕伞二 少 州闷一 曰 洲夕 尸 叫户 二 尸 夕 尸 ‘ 声，产尹 声洲 卜 洲 西 。受工 图 吸气最与坷 ， 和 。 的关系 五 ， ， 由图可知 ， 吸气量 随 ，、 牙 、 值的增大而增大 ， 模型 中 ， 、 班 、 刀值的方次大于零 。 设 。 · · 万 · ‘ 根据理想 气体方程 。 ” · 尸。 。 及 · ， 得 出 这意味着吸气数学 二‘ 八 一 吸 、 ， ， ， ， 。 。 二 。 注 。 姿 。 城 、 纯度 、 这里 ， 浓 度 。 为注流卷吸气体量 ， 为 浇注 的液体量 为浇注后溶液 中 ， 为 摩尔数 ， 为混 合 气体 中 分压 ， 。 和 、 为进 人混 气罐 的 两种气体的流量 。 把实 验测 得的 组数据作 回 归分 析得 出

Cco=0.5675×10-3.Fr0,4957·We0.3122。（h/D)0,3038 (5) 代入(4)式，即得到注流吸气方程： =2.433×10-2,Fr0.4957…We°.3122·(h/D)0.3080 由于m=g=路，e=p gD2 所以，对NaOH水溶液，(6)式可转换成 L=1.54×102·H12.D-715.h310 (7) 对钢液而言，可转换成 ,=2.184×10-2H1/2.D-75h310 (8) 由(8)看出，水口直径对吸气量的影 响最大，注流长度的影响相对要小些。 2R 1.4吸氧量理论计算实例 根据相似第3定理，准数相等则彼此相 似，下面举例说明应用上面吸气公式如何计 算实际钢液浇注过程中的吸气量。浇注系统 示意图（下注法）如图3所示。 因为实际浇注时，钢包液面高度H和注 流长度h都是变量，所以(8)式应改写成： d0L=2.184×10-2H1/2,D-7/5,h3/10 dvr (9) 设n为每盘浇注的钢锭个数，N为浇注 盘数，m为所浇盘次的序号，5为钢锭截面 积（忽略锥度）。由于1。=1+ho Ho=N…ns…l/xR2 图3浇注系统示意图 H-a≈H(1-7） Fig.3 Scheme of pouring system H为每盘钢包液面浇注初始和末了的高度的平均值。令-1=（1-a/H)12,可 推得： m>N时，H=~[s1(N-m)/✉R)]a[1+Wm1]l (10) m=N时，H=[裙那：]2A1-hW2 (11) 把(10)，(11)式代入(9)式积分，又因为： 11

。 。 。 一 ” 尸 ‘ · ‘ ’ 卜 附 。 · ‘ 盛’ 为 ，· “ ， 代入 式 ， 即得到 注流吸气方程 丝 一 ， · 尸 · · 平 。 ， · · 人 ， · ， “ 一 一’ 一 二 丫 。 “ ，， 田 丁 一 一万弓尸一二一 一 一 一万不一 ， 叮 召 一 丈 习 上 所以 ， 对 水溶液 ， 式可 转换成 卫上 一 。 刀 对钢液而言 ， 可转换成 旦生 一 一 ， 。 由 看 出 ， 水 口直径对吸气量 的影 响最大 ， 注流长度的影响相对要小些 。 吸暇 理论计算实例 根 据相似第 定理 ， 准数相等则彼此相 似 ， 下面举例说 明应用 上面吸气公 式如何计 算实际钢液浇注过程 中的吸气量 。 浇注系统 示意图 下 注法 如 图 所示 。 因为实际浇注时 ， 钢包液面 高度 和注 流长度 都是 变量 ， 所以 式应改写成 口 ， ， ‘ ， ， ， ， 。 。 一 ， ，巴 户共岑上 一 ’ · 万 · 刀 一 人 。 、 · ‘ · 一 “ 设 为每盘 浇 注 的钢锭 个数 ， 为浇 注 盘 数 ， 。 为所 浇盘次 的序号 ， 为钢锭 截 面 积 忽略锥 度 。 由于 。 二 。 。 · · · 二 。 。 厂了一 ‘ 、 竺叉 一 ，，尸 ‘ 目 ，一， ，甲州奄叫 … 斤 ‘ ‘乙 图 浇注系统示意图 一 。 之 一 一习些一 令 一 ’ 一 。 厅 ‘ ， 可 了 盆 了 ， ，‘ 口口 为每盘 钢 包液面浇注初 始和末 了的 高度的平均值 。 推得 ， 时 ， ‘ 二 九 · 〔 。 · · 一 八二 〕 ‘ “ 〔 一 一 阴 川 时 ， ’ “ 月 兀 “ “ ’ “ · 一 。 ’ “ “ 把 式代入 式积分， 又 因为

d,=-msdh,【1+]=1+20二和 10)1-0,h, h 钢锭质量G=s1.p(p为钢的密度)，最后得出：m<N· 0=2.184×10(1/D)7【x22-1(8.÷+ 28(12m)71.0} 5 (12) m=N, =2.184×0（古)7s(8n)(g-g1。） (13) 以攀钢实际浇注条件为例，计算所需的各参数如下： 水口直径D=4cm, 每盘所浇钢锭数n=4; 钢锭质量G=9,55×106g影 每包所浇盘数N=4, 钢包内径R=140cm, 钢液密度p=7.0g/cm3, 锭模高度1=220cm, 上下水口长度ca=62cm, 中注管高度+注流裸露长度1。=315cm 计算的结果见表1。 由表1看出，开始浇注时由于钢包液 面高，钢流出口速度大，总的吸气量(1一2 表1计算结果 盘)比浇注末了要多。这也间接说明，物 Table 1 Calculation results 理卷入气体的影响在整个吸气量中占有重 Average heighi k Amount of absorp:ion 要的位置。假定钢液从空气中吸取氧氯比 No.of s:cel in ladle ga V:/V 例是23/77（质量），则可由吸收气体中 H,cm 算出吸氧量为： 372 1.10 39,60 [01,a=0.23(0:)(olp,） 281 1,13 35.20 195 1.21 31,10 108 1.53 24.10 =4.695×10-5(0) (14) 式中ρo2,p,分别为氧气和钢液体积密度是已知的。这样将各盘总的吸气量代入 上式，可得△[O]具体数值如下： 浇注盘数 1 2 8 △[O],ppm 18.6 16.5 14.6 11.3 12

一 一 一 ， 〔 一 。 〕 一 。 一 一 脚 。 、 含 ， 。 ， ‘ ‘ 二 一 ‘ 竺吮丁 一 。 。 ， 钢锭 质量 · · 二丝一 二 一 · 为钢 的密度 ， 最后得 出 ， 一 川 兀 · “ ， · “ · 登 ‘ 。 带 丽才瑞汀 一 而 沉 卫乙 一 一 · 一不丙 一 夕 “ 。 兀 · · 万立 ， 一 气 一 立 ‘ 以 攀钢实际浇注条件为例 ， 计算所需的各参数如下 水 口直径刀 ， 每盘所浇钢锭 数 二 ， 钢锭质量 二 。 ， 每 包所浇盘数刃 ， 钢包 内径 ， 钢液密度 二 多 锭模高度 上下水 口长度 。 ， 中注管高度 注流 裸露 长度 。 二 计算的结果 见表 。 由表 看 出 ， 开始浇注时 由于钢包液 面高 ，钢流出 口速度大 ，总的吸气量 一 盘 比侥注末了要 多 。 这也 间接说 明 ， 物 理卷 人气体的影响在整个吸气量 中占有重 要 的位置 。 假 定钢液从空气 中吸取氧氮 比 ‘ 例是 质量 ， 则 可 由吸 收气 体 中 算出吸氧量为 表 计 算 结 果 ， 主 一 爱 ，公 之 ‘ 二 ‘ 一多 几 口，且，曰， ︺‘仁， … 上，二 △ 〔 ， ， ， ， 。 · 、 会 · 。 。 · 。 义 一 。 主恤 式中 ， ， 分别为氧气和钢 液 体积密度是 已知的 。 这 样将各盘总 的吸 气量代 入 上 式 ， 可得 △ 【 〕 具体数值如下 浇注盘数 △ ， 。 。 。