气泡去除夹杂物技术研究现状及发展趋势

日前，北京科技大学的刘建华、张杰、李康伟在《炼钢》2017年第2期上发表了《气泡去除夹杂物技术研究现状及发展趋势》。文章对钢包吹氩、钢包长水口吹氩等气泡去除夹杂物的去除效果和应用前景进行了比较分析，指出钢中生成小尺寸气泡对夹杂物去除效果优于大尺寸气泡。利用弥散微小气泡去除钢中夹杂物技术的开发越来越受到冶金工作者的重视，部分新技术已被开发并趋于成熟。 气泡去除夹杂物机理 据介绍，气泡去除夹杂物机理主要包含两方面：一是利用气泡粘附夹杂物上浮去除；二是气泡上浮过程中产生尾流，夹杂物卷入尾流中去除。 气泡粘附去除夹杂物。气泡粘附去除夹杂物主要利用气泡的浮选作用，整个过程主要分为6个阶段：一是气泡向夹杂物靠近，与夹杂物发生碰撞；二是气泡与夹杂物之间形成液膜；三是夹杂物颗粒在气泡表面滑移及振动；四是夹杂物与气泡间的液膜破裂并形成动态的三相接触团；五是气泡—夹杂物成为可以抵抗外压的稳定聚合体，夹杂物被气泡粘附；六是气泡—夹杂物聚合体的上浮。其中，气泡与夹杂物的碰撞和粘附是整个过程中重要的两个环节。气泡粘附夹杂物上浮有一定概率，即并非所有夹杂物都能通过气泡粘附的方式上浮去除。有研究表明：气泡尺寸越小，气泡与夹杂物粒子发生碰撞概率越大，夹杂物去除效果越好；夹杂物尺寸越小，粘附概率越大。 气泡尾流去除夹杂物。在钢液中，夹杂物除了被气泡粘附去除之外，还有可能被大气泡尾流捕捉去除。气泡尾流去除夹杂物的主要原理为气泡在上浮过程中，位于其尾部的液体会填补由于气泡脱离和上升所导致的空间，从而在气泡尾部形成回旋区，回旋区内的流体形成了气泡尾流。如果夹杂物位于该回旋区内或其附近区域中，就有可能被卷入回旋区随气泡一起上浮运动。气泡尾流去除夹杂物主要有3个步骤：夹杂物向气泡尾流区靠近，夹杂物进入气泡尾流区，夹杂物在气泡尾流区做循环流动并随气泡一起上浮。气泡能否产生明显尾流是尾流去除夹杂物的关键。有研究表明，直径1mm~5mm的气泡下部就会存在明显尾流。 虽然大气泡尾流捕捉是去除夹杂物的重要方式，但目前有关气泡尾流去除夹杂物的数学模型研究文献还未见报道，相关研究仍不成熟；并且夹杂物通过尾流去除时需要较大的气泡和通气量，较大的通气量可能造成钢液表面卷渣，造成钢液二次氧化。相较于气泡尾流去除夹杂物，气泡粘附碰撞夹杂物研究较为深入，弥散的微小气泡具有优异的捕捉和粘附夹杂物的效果已经成为共识，大部分气泡去除夹杂物技术的开发主要是根据气泡碰撞粘附夹杂物去除机理。基于此，刘建华等人认为，在将来的发展中，气泡尺寸小型化、分布弥散化是未来气泡冶金技术发展的方向。 气泡去除夹杂物技术研究现状 文章对气泡去除夹杂物技术的研究现状进行了介绍，主要包括钢包吹氩技术、钢包长水口吹氩技术、反应诱发微小异相技术、中间包气幕挡墙技术、增压减压法、超声空化法、增氮析氮法和微小氢气泡法。 钢包吹氩技术。钢包吹氩是重要的精炼手段之一，不仅可以均匀钢液成分和温度，还可以通过气泡粘附夹杂物和气泡尾流携带夹杂物上浮的方式净化钢液。钢包吹氩用透气砖的结构对气泡尺寸有直接的影响，其孔径一般为2mm~4mm，在常用的吹氩流量范围内产生的气泡直径约为10mm~20mm，且底吹氩产生的气泡在钢液中上浮过程中会迅速膨胀，因此，气泡捕获小颗粒夹杂物概率很小，对尺寸较小的夹杂物去除效果不理想。 钢包吹氩技术具有设备简单、投资少且操作简单的优点，已经被各大钢厂应用；但是其对显微夹杂物去除效果差也是无法避免的“短板”。 钢包长水口吹氩技术。连铸时在接缝下方向钢包保护套管中吹入较大量的氩气，利用套管中湍急的钢液将气体破碎为弥散微小气泡，形成的气泡随湍流钢液进入中间包中上浮长大，并不断与夹杂物发生碰撞粘附，最终携带夹杂物上浮去除。相对于传统的长水口与钢包连接处密封吹氩，钢包长水口吹氩技术吹氩量大，能在长水口和中间包注流区形成大量弥散细小气泡，具有良好的去除夹杂物效果。 钢包长水口吹氩技术须向钢液吹入较大量氩气，容易在中间包形成“裸眼”，造成钢液二次氧化。随着中间包密封技术的提高，特别是密封中间包的采用，长水口吹氩技术有望得到良好应用。 反应诱发微小异相技术。反应诱发微小异相去除钢中细小夹杂物，是通过向钢液中加入细小的碳酸钠，在钢液中生成微小气泡使夹杂物上浮去除。有研究者对此方法进一步研究，设计了一种具有该功能的复合球体。此微小球体加入钢液中，在高温下分解产生气泡和渣滴，产生的渣滴与Al2O3等夹杂物碰撞、聚集和长大，加快其上浮去除。该复合球体在鞍钢RH精炼炉开展了工业试验研究。采用该技术对钢液进行处理后，铸坯中氧化物夹杂的数量明显减少、尺寸变小，钢中全氧最低可达6×10-6。 该技术目前还未在钢铁企业大规模推广应用，对于该技术的理论研究还不完善，如产生的气泡尺寸、气泡在钢液中的分布及钢液温降等问题还没有深入研究。 中间包气幕挡墙技术。中间包气幕挡墙技术即中间包底部吹氩技术，其原理是通过埋设于中间包底部的透气砖向钢液中吹入的气泡，与流经此处钢液中的夹杂物颗粒相互碰撞聚合吸附，增加了夹杂物的垂直向上运动，从而达到净化钢液的目的。同时，中间包吹氩可以改变钢液的流动状态，促进钢液的混合，有利于温度及成分的均匀。 虽然中间包吹氩在理论研究方面取得了一些进展，但部分企业反映，使用效果不太稳定，在实际中应用不太广泛。目前存在的主要问题有：生成的气泡尺寸较大，捕捉去除夹杂物效果不明显；气体吹入量受限制，因为要防止中间包卷渣及钢液二次氧化；透气砖的成本稍高，埋设不方便等。 增压减压法。20世纪90年代初期，日本NKK公司提出了增压减压法（PressureElevatingandReducingMethod，PERM）去除钢中夹杂物技术，其原理主要分为3个步骤：一是通过加压使N2溶解在钢液中达到过饱和；二是迅速减压，气泡在夹杂物表面异相形核并长大；三是气泡携带夹杂物上浮，最终与钢液脱离。 增压减压法去除钢中夹杂物效果显著。然而，由于此方法须要对钢液进行高压处理，操作难度较大，至今没有工业化生产。 超声空化法。超声波是一种机械波，在液体介质传播过程中会产生周期性的应力和声压变化，在钢液中传播时，会将钢液中的微小气泡核激活，使其产生包括振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列过程，微气泡的这种从振荡生长到崩溃的过程被称为超声空化。 超声波产生的空化气泡直径小，仅有几十微米，空化气泡在上浮过程中有更多的机会和微小夹杂物发生碰撞并粘附在一起形成簇状物，从而使钢液中的微小夹杂物得到有效去除。但由于难以将超声波导入到钢液中，且很难找到可以在高温下使用的导波材料，超声空化气泡法去除夹杂物研究仍集中在水模型和实验室实验阶段，未进行大规模工业化应用。 增氮析氮法。其技术原理是前期将N2充入钢液中，使钢液中氮含量显著增加；后期通过真空处理迅速减压，使钢中过饱和气体以夹杂物为核心生成大量弥散微小气泡；最后气泡携带夹杂物上浮，并在上浮过程中不断捕捉细小夹杂物，达到去除显微夹杂物的目的。 增氮析氮法尚处于实验室研究阶段，未进行工业验证，并且对生产氮含量敏感的钢不适用。 微小氢气泡法。考虑到增氮析氮法对钢中氮含量控制的困难，有研究者研发出微小氢气泡法去除钢中夹杂物技术。其原理是，向钢液中通入焦炉煤气或天然气，焦炉煤气或天然气与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，使钢液中氢含量达到8ppm以上；钢液精炼脱氧后，对该钢液进行真空处理，钢中溶解氢以夹杂物为异质形核核心生成细小气泡，气泡携带夹杂物上浮到渣中去除；气泡在上浮过程中也会通过粘附夹杂物促进夹杂物上浮至渣中去除。 此技术可在吹氩站、CAS处理站、LF处理工位、AOD处理工位、RH处理工位和VD/VOD处理工位进行充氢处理，将原先向钢液吹入氩气改成吹入天然气或焦炉煤气，然后通过RH处理、VD/VOD处理工位等进行真空处理，适用范围设备多，几乎无须对现有设备进行改造；操作简单，成本低；生成的氢气泡体积细小，对钢中显微夹杂物及氮去除效果好。相较于增氮析氮法，该技术对钢中氮具有良好的去除效果，对氮含量敏感钢种依然适用。 由于微小氢气泡法具有对钢中显微夹杂物及氮去除效果良好、适用设备广泛、操作简单等优势，在今后有望实现大规模工业应用。