劉建華，李 巍，何 楊?，蘇曉峰，張 杰，常芙蓉

1) 北京科技大學(xué)高效軋制與智能制造國(guó)家工程研究中心，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083

氣泡去除鋼中夾雜物具有明顯優(yōu)勢(shì)[1?2].氣泡密度低，尺寸一般較夾雜物大，在鋼液中上浮速度快；夾雜物為非金屬物質(zhì)，大多與鋼液不潤(rùn)濕，夾雜物與氣泡碰撞后可以粘附于氣泡而快速上浮去除.

Sutherland[3]研究表明鋼液中氣泡與夾雜物碰撞粘附過(guò)程分為三個(gè)階段：夾雜物與氣泡發(fā)生碰撞、夾雜物與氣泡發(fā)生碰撞后粘附以及發(fā)生粘附后又脫附，整個(gè)粘附過(guò)程的總概率受三個(gè)階段分別發(fā)生的概率控制.進(jìn)一步的深入研究均表明微小氣泡與鋼中夾雜物相互碰撞、粘附的概率大，具有顯著的促進(jìn)鋼中夾雜物上浮去除效果.Zhang和Taniguchi[4]對(duì)鋼中夾雜物與氣泡碰撞的碰撞概率和粘附概率進(jìn)行深入研究，結(jié)果表明鋼中小于5 mm的氣泡具有較高夾雜物粘附幾率.Rogler等[5]研究表明鋼中小于3 mm的細(xì)小氣泡可顯著促進(jìn)中間包鋼液中夾雜物去除，薛正良等[6]研究表明氣泡捕獲夾雜物概率與氣泡直徑的平方成反比.諸多研究表明細(xì)小氣泡與鋼中夾雜物碰撞和粘附幾率較高，遠(yuǎn)大于大尺寸氣泡，細(xì)小氣泡可高效促進(jìn)鋼中夾雜上浮去除.

但已有的鋼包底吹氬、中間包氣幕擋墻等常規(guī)鋼鐵生產(chǎn)吹氬技術(shù)生成的氣泡尺寸粗大，直徑大于10 mm[4,6]，去除夾雜物效果有限，不能滿足超高潔凈優(yōu)特鋼夾雜物控制需求.因此迫切需要研發(fā)鋼中生成彌散細(xì)小氬氣泡高效去除鋼中夾雜物技術(shù)[7?12].

研究表明連鑄生產(chǎn)中向連接鋼包和中間包的長(zhǎng)水口吹氬可在鋼液中形成彌散細(xì)小氣泡，有望成為高效去除夾雜物新技術(shù)[13?15].該技術(shù)利用長(zhǎng)水口中快速向下流動(dòng)鋼流的強(qiáng)大剪切力和湍動(dòng)能將吹入氣體剪切并破碎為彌散微小氣泡.Guthrie與Isac進(jìn)行了長(zhǎng)水口吹氬生成彌散細(xì)小氣泡水模型實(shí)驗(yàn)，采用0.3 mm內(nèi)徑吹氬管以 0.04 L·min?1吹氬速率向長(zhǎng)水口中水流吹氬，當(dāng)水流速度分別為 0.5、1.0和1.5 m·s?1時(shí)，生成的氣泡尺寸分別為0.3～2.0 mm、0.5～3.0 mm和0.5～4.0 mm；生成的這些細(xì)小氣泡顯著提高了中間包中5～50 μm夾雜物的上浮去除率[16].陽(yáng)祥富等也應(yīng)用水模型模擬研究了長(zhǎng)水口吹氬生成細(xì)小氣泡行為，分別采用內(nèi)徑為 0.11、0.25和0.58 mm 吹氣孔以 0.016 L·min?1向長(zhǎng)水口中水流吹氣，水流速度為2.5～3.75 m·s?1時(shí)，生成的氣泡尺寸分別為0.1～1.0 mm、0.1～1.5 mm和0.1～1.5 mm[17].水模型模擬實(shí)驗(yàn)研究均表明連鑄生產(chǎn)條件下，長(zhǎng)水口吹氬可在鋼液中生成細(xì)小氬氣泡.

Bai與Thomas[18]深入解析了連鑄水口水平管吹氬在快速向下流動(dòng)鋼液生成氣泡時(shí)氣泡受力狀況.研究表明水口中水平吹入氬氣受到快速下流鋼液施加的拽力FD、自身浮力FB、表面張力FS和吹入氬氣的慣性力FQ，其中浮力和表面張力是氣泡生成阻力，拽力是氣泡脫附驅(qū)動(dòng)力，慣性力很小可以忽略；當(dāng)拽力大于浮力和表面張力在垂直方向的分量之和時(shí)，氣泡成功脫附形成獨(dú)立氣泡.根據(jù)氣泡的受力平衡分析可建立氣泡脫附模型，計(jì)算氣泡尺寸；水口通鋼量為 2.0～4.0 t·min?1時(shí)，模型計(jì)算得鋼液中氣泡尺寸為1.5～3.5 mm.但該模型將水口中鋼液流動(dòng)理想化為層流，沒有考慮湍急鋼液的湍動(dòng)能對(duì)氣泡脫附的影響，計(jì)算可能存在偏差.

Chang等進(jìn)一步分析了長(zhǎng)水口中湍急鋼液的強(qiáng)大湍動(dòng)能對(duì)氣泡形成的影響.認(rèn)為長(zhǎng)水口中細(xì)小氣泡形成經(jīng)歷兩個(gè)階段，首先是快速向下流動(dòng)鋼流將吹入氣體剪切為尺寸較小的初始?xì)馀?，然后湍急鋼液再將初始?xì)馀莶糠制扑闉槌叽绺鼮榧?xì)小的氣泡[19].

工業(yè)生產(chǎn)中中間包覆蓋劑厚度較薄，長(zhǎng)水口直徑較小，向長(zhǎng)水口中鋼液吹入較大體積氬氣時(shí)，將在長(zhǎng)水口周圍生成大量細(xì)小氬氣泡密集上浮，容易在中間包形成鋼液裸露，造成鋼液二次氧化[20?21]；吹入少量氬氣則不能形成數(shù)量充足的氣泡，夾雜物去除效果不明顯.因此該技術(shù)一直還未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用.另外，由于鋼中氣泡尺寸難以測(cè)量，也未見長(zhǎng)水口吹氬生成細(xì)小氣泡的工業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)道.本研究在澳森鋼廠連鑄生產(chǎn)中嘗試進(jìn)行了長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡實(shí)驗(yàn)，并采用“冷鋼片沾鋼法”進(jìn)行了鋼液中微小氬氣泡取樣研究.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 長(zhǎng)水口吹氬方法

現(xiàn)代鋼鐵連鑄生產(chǎn)中，鋼包中鋼液經(jīng)過(guò)鋼包下方連接鋼包與中間包的長(zhǎng)水口流入中間包進(jìn)行連鑄，長(zhǎng)水口隔絕了鋼液與空氣的接觸，發(fā)揮了良好的保護(hù)澆注作用（圖1）.鋼液快速通過(guò)長(zhǎng)水口時(shí)，在長(zhǎng)水口與鋼包底部滑動(dòng)水口連接的接縫處產(chǎn)生較大負(fù)壓，容易抽吸空氣進(jìn)入長(zhǎng)水口內(nèi)，造成鋼水二次氧化；因此現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)中一般在長(zhǎng)水口與滑動(dòng)水口連接處設(shè)置吹氬裝置（圖1），吹入氬氣，抑制空氣的吸入.本實(shí)驗(yàn)開展所在鋼廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中為了防止吹氬量過(guò)大及節(jié)省成本，吹氬量控制在 1.0 m3·h?1.

圖1 連鑄長(zhǎng)水口保護(hù)澆注與吹氬保護(hù)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of protective casting using a ladle shroud and argon injection device

為了在中間包鋼液內(nèi)產(chǎn)生較大量彌散微小氣泡，在現(xiàn)有長(zhǎng)水口吹氬保護(hù)澆注基礎(chǔ)上，不改變吹氬裝置機(jī)構(gòu)，但通過(guò)顯著提高吹氬量，研究大流量直接吹氬方法在中間包生成微小氣泡的可行性及氣泡行為特征.

依據(jù)長(zhǎng)水口吹氬保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)，吹入氬氣首先通過(guò)吹氬孔吹送到長(zhǎng)水口耐材與其外部包裹鐵皮間，其中大部分氬氣通過(guò)耐材與鐵皮間的空隙向上傳送到長(zhǎng)水口耐材上端，該氬氣流股為圖2中氬氣流股1；小部分氬氣通過(guò)耐材與鐵皮間的空隙向下運(yùn)動(dòng)，最后逃逸到大氣中，這部分氬氣流股為圖2中氬氣流股2.氬氣流股1到達(dá)長(zhǎng)水口上端“鐵皮-長(zhǎng)水口耐材上端-滑動(dòng)水口”交界處后，又分成向上的流股3和向下的流股4，其中大部分氬氣按流股3的方向向上運(yùn)動(dòng)，在長(zhǎng)水口上端與滑動(dòng)水口交界附近形成氬氣氛，抑制此處空氣被抽吸進(jìn)入長(zhǎng)水口，防止長(zhǎng)水口中鋼水發(fā)生二次氧化；氬氣流股4向下運(yùn)動(dòng)，并在湍急的鋼流產(chǎn)生的負(fù)壓作用下進(jìn)入長(zhǎng)水口，與鋼液接觸并被破碎成氬氣泡，即氬流股1中只少量氬氣在長(zhǎng)水口中負(fù)壓的作用下被抽吸進(jìn)入長(zhǎng)水口，并將被長(zhǎng)水口中湍急鋼流破碎為彌散氬氣泡.為了在中間包中產(chǎn)生較多的彌散微小氬氣泡，促進(jìn)中間包鋼液中夾雜物上浮去除，提高了長(zhǎng)水口氬氣吹入量，由常規(guī)的1.0提高到 3.0～5.0 m3·h?1.

圖2 長(zhǎng)水口吹氬氬氣流股流動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram showing argon stream flow in ladle shroud

1.2 冷鋼片沾鋼法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了“冷鋼片沾取”捕捉現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中間包鋼液中氣泡的方法.具體方法是采用5 mm左右厚度冷鋼片，插入長(zhǎng)水口出口下方鋼液中，停留5～10 s左右；利用冷鋼片的冷卻作用，使冷鋼片周圍鋼液快速凝固凍結(jié)在冷鋼片表面，在冷鋼片表面形成鋼殼；這些被凍結(jié)的鋼液中原有氣泡和夾雜物等也被原位快速凍結(jié)在鋼殼中；快速上提冷鋼片，對(duì)提取的氣泡和夾雜物等進(jìn)行檢測(cè)分析（見圖3）.

圖3 冷鋼片沾鋼法示意圖Fig.3 Schematic diagram of dip sampling method using a cold steel sheet

實(shí)驗(yàn)中為了分析氣泡在中間包內(nèi)深度方向和水平方向的分布，采用橫、豎兩種方向鋼片沾取試樣.橫向鋼片尺寸為 300 mm（寬）×200 mm（高）×5 mm（厚），用于沾取分析長(zhǎng)水口出口附近水平方向氣泡分布特征；豎直鋼片尺寸為200 mm（寬）×300 mm（高）×5 mm（厚），用于沾取分析長(zhǎng)水口出口附近垂直方向氣泡分布特征.

同時(shí)，在鋼片上部焊接一根長(zhǎng)把手，以便冷鋼片插入和提升操作；在冷鋼片下部焊接兩根長(zhǎng)10 cm的定位桿，以固定冷鋼片距中間包注流區(qū)底部的距離，確保冷鋼片在垂直方向位于長(zhǎng)水口出口下方氬氣泡群位置.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在沾取鋼液前將冷鋼片進(jìn)行打磨去除表面油污及氧化皮，并放置于中間包蓋上烘烤10 min，排除冷鋼片表面水汽.每爐鋼包開澆15 min時(shí)，將鋼片插入到中間包注流區(qū)，進(jìn)行冷鋼片沾鋼實(shí)驗(yàn).

1.3 工業(yè)實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用ER70S-6焊絲鋼為實(shí)驗(yàn)用鋼，ER70S-6焊絲鋼的生產(chǎn)工藝流程為鐵水脫硫預(yù)處理→120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧合金化→LF精煉→4流165 mm×165 mm小方坯連鑄→高速線材軋機(jī)軋制.實(shí)驗(yàn)中中間包鋼液溫度控制為 1532～1537 ℃、連鑄拉速為 2.6 m·min?1.

在某一連鑄澆次的第二爐開始連續(xù)進(jìn)行2爐次實(shí)驗(yàn)，2 爐次的氬氣流量分別為 3.0和5.0 m3·h?1，遠(yuǎn)大于日常生產(chǎn)中長(zhǎng)水口吹氬流量1.0 m3·h?1.采用該吹氬量吹氬，在中間包注流區(qū)未見鋼液裸露引起的“蛇眼”現(xiàn)象.

將沾鋼片外層沾取到的鋼殼取下，在較厚鋼殼處切取薄片樣，采用砂紙打磨、拋光，采用LEXT OLS4100激光共聚焦顯微鏡觀察分析試樣內(nèi)部氣泡分布、尺寸及形貌.應(yīng)用ZEISS ULTRA 55熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)一步觀察分析鋼液內(nèi)部氣泡及氣泡與夾雜物的粘附，通過(guò)能譜檢測(cè)夾雜物成分.

2 結(jié)果與討論

2.1 冷鋼片沾取鋼樣表面氣泡

冷鋼片沾取鋼樣剛提出中間包液面時(shí)，表面覆蓋一層中間包覆蓋劑熔渣層，并在沾樣表面存在大量細(xì)小氣泡.圖4中照片分別是實(shí)驗(yàn)第1和第2爐次豎直鋼片和第2爐次橫向鋼片（分別編號(hào)為1-豎片、2-豎片和2-橫片）沾取鋼樣熱態(tài)照片.

圖4 冷鋼片沾樣表面氣泡形貌.(a) 1-豎片; (b) 2-豎片（爆裂氣泡坑）;(c) 2-橫片表（渣皮爆落）Fig.4 Shape of bubbles on the surface of a cold steel sheet: (a) 1-vertical steel sheet; (b) 2-vertical steel sheet (bubble collapse cavity); (c)2-horizontal steel sheet (slag layer falls off)

圖4(a)是實(shí)驗(yàn)第1爐次中間包冷鋼片沾取鋼樣照片，照片顯示該冷鋼片已經(jīng)不是完整的長(zhǎng)方形，其右下角已被熔損，表明該試樣沾取時(shí)冷鋼片插入鋼液中時(shí)間稍長(zhǎng)；在試樣中部有較密集的細(xì)小氣泡，氣泡尺寸介于1.0～3.0 mm；偶見個(gè)別聚合氣泡，尺寸大于5.0 mm.圖4(b)是實(shí)驗(yàn)第2爐次豎直冷鋼片沾取鋼樣照片，照片中氣泡尺寸主要位于1.0～3.0 mm，部分氣泡已經(jīng)爆裂，留下小坑.圖4(c)是第2爐橫向冷鋼片沾取鋼樣照片，表面氣泡數(shù)量較少，直徑也為1.0～3.0 mm.

上述3塊沾取鋼樣表面氣泡數(shù)量及尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1和圖5所示.

圖5 冷鋼片沾取試樣表面氣泡尺寸分布圖Fig.5 Bubble size distribution on the surface of a cold steel sheet

表1 冷鋼片沾取試樣表面氣泡數(shù)量及平均尺寸Table 1 Number and average size of bubbles on the surface of a cold steel sheet

由測(cè)量和統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，3塊鋼樣在完全冷卻前表面可觀測(cè)的氣泡大多為尺寸在1.0 ～3.0 mm的小氣泡.3.0～5.0 mm和5.0～10.0 mm的氣泡所占比例均較小；3塊鋼片表面所觀測(cè)到的氣泡平均尺寸均在3.0 mm左右.

冷鋼片沾樣在空氣中冷卻時(shí)，表面覆蓋的渣層很快爆裂脫落，冷鋼片沾樣冷卻后表面氣泡也隨之消失，難以在冷態(tài)沾樣表面觀察氣泡.圖4(c)中已現(xiàn)渣層剝落.

2.2 冷鋼片沾取鋼樣內(nèi)部氣泡

（1）激光共聚焦顯微鏡分析結(jié)果.

圖6中照片分別為實(shí)驗(yàn)第1和第2爐次實(shí)驗(yàn)沾取鋼樣內(nèi)部氣泡的共聚焦顯微鏡照片.由圖可見，氣泡在鋼樣中分布較為彌散.

圖6 冷鋼片沾樣內(nèi)部氣泡形貌.(a) 第1爐次; (b) 第2爐次Fig.6 Shape of bubbles in a cold steel sheet: (a) the first test and (b) the second test

圖6中試樣面積均為7.23 cm2，第1爐次試樣中氣泡數(shù)量為97個(gè)，數(shù)量密度為13.4 cm?2，氣泡平均尺寸為365.74 μm；第2爐次試樣中氣泡數(shù)量為110個(gè)，數(shù)量密度為15.2 cm?2，氣泡平均尺寸為408.63 μm.該圖還表明試樣內(nèi)部氣泡基本呈圓形，氣泡直徑主要介于0.1～1.0 mm，占總數(shù)80%的氣泡直徑介于0.1～0.6 mm（圖7）.

圖7 冷鋼片沾取試樣內(nèi)部氣泡尺寸分布Fig.7 Bubble size distribution in a cold steel sheet

（2）掃描電鏡觀察結(jié)果.

為了進(jìn)一步深入分析沾取鋼樣內(nèi)部氣泡尺寸，采用掃描電鏡對(duì)沾取鋼樣內(nèi)部氣泡進(jìn)行了觀察.圖8和圖9是部分氣泡掃描電鏡照片，由圖可見，試樣內(nèi)部氣泡基本呈球形，尺寸大都處于100～1000 μm，偶見直徑小于100 μm和大于1000 μm氣泡；大部分氣泡為單個(gè)獨(dú)立氣泡.

圖8 冷鋼片沾取試樣中單個(gè)球形氣泡形貌及直徑尺寸Fig.8 Shape and size of single spherical bubble in a cold steel sheet

圖9 冷鋼片沾取試樣中粘連與聚合氣泡形貌及尺寸Fig.9 Shape and size of adhesive and polymeric bubbles in a cold steel sheet

圖9是掃描電鏡觀察到的少量粘連與聚合球形氣泡照片，表明中間包中細(xì)小氬氣泡會(huì)發(fā)生碰撞和粘連，但比例較小.

將掃描電鏡觀察到的氣泡尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖10是鋼樣中隨機(jī)選擇的140個(gè)氣泡尺寸分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可見中間包沾取鋼樣中氣泡尺寸大多介于 100～600 μm，平均尺寸為 390.80 μm.該平均尺寸與前面第1和2爐次沾樣中氣泡激光共聚焦統(tǒng)計(jì)平均尺寸365.74 μm和408.63 μm基本一致.

圖10 冷鋼片沾樣內(nèi)部氣泡尺寸分布掃描電鏡分析結(jié)果Fig.10 Bubble size distribution in a cold steel sheet using SEM

2.3 中間包鋼液內(nèi)氬氣泡尺寸分析

前面的研究表明中間包沾取鋼樣有兩種氣泡，一種是鋼樣表面氣泡，尺寸較大，直徑主要為1.0～3.0 mm；另一種是鋼樣內(nèi)部氣泡，尺寸較小，直徑主要為0.1～1.0 mm.它們存在明顯差別，那這兩張氣泡各自生成機(jī)理如何？采用哪一種氣泡表征鋼液中氣泡尺寸更合理？

現(xiàn)實(shí)連鑄生產(chǎn)中，氬氣泡隨長(zhǎng)水口鋼液進(jìn)入中間包后，由于其尺寸細(xì)小，將跟隨鋼液流股向中間包底部和四周運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展；同時(shí)，氣泡的浮力較大，氣泡將在中間包鋼液中向上浮動(dòng)，最后進(jìn)入鋼液上面的覆蓋劑渣中.在中間包鋼液和覆蓋劑渣中，氣泡內(nèi)部的壓力為：

式中，P為氣泡內(nèi)部壓力，Pa；Pθ為大氣壓力，約為101325 Pa；ρste、ρsla分別為中間包鋼液及上方覆蓋劑熔渣密度，kg·m?3；hste、hsla分別為氣泡上方鋼液高度和渣層厚度，m；g為重力加速度，取 9.8 N·kg?1；σl-g為氣泡與周圍鋼液或爐渣的界面張力，文獻(xiàn)報(bào)道1550 ℃，CaO-SiO2-Al2O3渣系的表面張力σsla-g=0.5 N·m?1[22]，鋼液的表面張力σste-g=1.5 N·m?1[23]；r為氣泡半徑，m.

氣泡上浮時(shí)鋼液靜壓力逐漸減小，氣泡膨脹；在鋼液與爐渣界面及爐渣中，氣泡與熔體的界面張力降低，氣泡進(jìn)一步膨脹.根據(jù)式（1）計(jì)算，長(zhǎng)水口出口附近一直徑400 μm的氣泡上浮到中間包上部鋼/渣界面時(shí)，氣泡直徑增大為434.8 μm，進(jìn)入中間包覆蓋劑渣層后，氣泡直徑增大為439.0 μm.

冷鋼片插入中間包沾取鋼樣時(shí)，中間包內(nèi)鋼液首先在冷鋼片表面凝固凍結(jié)，這部分鋼液中的細(xì)小氬氣泡也一起被凍結(jié)固化在冷鋼片表面的凝固鋼殼中，形成冷鋼片沾樣內(nèi)部氣泡.冷鋼片從中間包鋼液向上取出時(shí)，將穿過(guò)鋼液上方渣層；爐渣黏度較大，將在沾取的鋼殼表面粘附一層爐渣，爐渣中及鋼/渣界面的氣泡也一同粘附在鋼樣表面，形成表面氣泡（圖11）.

圖11 沾鋼片表面氣泡形成示意圖Fig.11 Diagram of bubble formation on the surface of a steel sheet

表1中統(tǒng)計(jì)的鋼板表面氣泡平均尺寸為2.0～3.0 μm，較上面計(jì)算得出的中間包覆蓋劑渣層中氣泡尺寸大.該偏差主要由3個(gè)原因引起：（1）中間包覆蓋劑爐渣黏度遠(yuǎn)大于鋼液黏度，中間包細(xì)小氬氣泡上浮至鋼/渣界面時(shí)，進(jìn)入爐渣困難，同時(shí)在爐渣中上浮去除也很困難，氣泡在鋼/渣界面及爐渣中富集，部分氣泡發(fā)生聚并，氣泡尺寸變大；（2）觀測(cè)冷鋼片沾樣表面氣泡時(shí)，氣泡表面覆蓋有渣層，觀察的氣泡尺寸包含了氣泡表面覆蓋渣層厚度的2倍，觀察尺寸遠(yuǎn)大于實(shí)際氣泡尺寸；（3）表面氣泡受到σste-g、σsla-g和σste-sla=1.16 N·m?1[24]的復(fù)合作用，氣泡周邊受到向外的張力σste-sla，較其受到的收縮力（σste-g和σsla-g分別沿鋼殼方向分力的合力）大，氣泡被豎直方向拉長(zhǎng)，氣泡檢測(cè)直徑增大，如圖12所示.

圖12 渣層覆蓋的氣泡表面受力示意圖Fig.12 Diagram of forces on the bubble surface covered with a slag layer

因此，長(zhǎng)水口吹氬在中間包鋼液中生成的微小氬氣泡尺寸應(yīng)該依據(jù)冷鋼片沾樣的內(nèi)部氣泡尺寸確定.當(dāng)然，冷鋼片沾取試樣表面的氣泡也能在一定程度反映中間包氣泡數(shù)量、分布和尺寸，長(zhǎng)水口吹氬在中間包鋼液中生成氣泡數(shù)量多，則中間包覆蓋劑渣中氣泡數(shù)量也多，沾樣表面氣泡數(shù)量也多；氬氣泡在中間包鋼液中擴(kuò)展充分，則在中間包覆蓋劑渣中也會(huì)充分?jǐn)U展，相應(yīng)地冷鋼片表面粘取的氣泡在水平方向也分布較寬廣.

另一方面，采用激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡檢測(cè)氣泡檢測(cè)試樣內(nèi)部氣泡直徑時(shí)也存在失真問題.這兩種方法只能檢測(cè)試樣中觀察平面切取的氣泡圓周直徑，不能檢測(cè)氣泡的實(shí)際直徑，檢測(cè)值一般小于氣泡實(shí)際直徑，如圖13所示.本研究采用式（2）對(duì)檢測(cè)直徑進(jìn)行校正.

圖13 氣泡檢測(cè)直徑與實(shí)際直徑關(guān)系示意圖Fig.13 Diagram of the relationship between DMea and DRea

式中，DRea是氣泡實(shí)際直徑，mm；DMea是激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡檢測(cè)的氣泡圓周直徑；系數(shù)1.34是根據(jù)氣泡隨機(jī)切割100個(gè)圓周的平均直徑與實(shí)際直徑比值推測(cè)的校正系數(shù).

根據(jù)式（2），上文中激光共聚焦顯微鏡檢測(cè)的第1、2爐次沾樣中氣泡平均尺寸365.74和408.63 μm以及電子顯微鏡檢測(cè)的氣泡平均直徑390.80 μm應(yīng)該分別校正為490.09、547.56和523.67 μm.該尺寸遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[17]模型預(yù)測(cè)的長(zhǎng)水口吹氬產(chǎn)生的氣泡尺寸1.5～3.5 mm，與文獻(xiàn)[18]中依據(jù)湍動(dòng)能破碎理論計(jì)算的氣泡最大尺寸相近.因此，湍動(dòng)能破碎氣泡理論解釋長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡生成機(jī)理較為合理.但該理論只能計(jì)算生成氣泡的最大尺寸；且長(zhǎng)水口長(zhǎng)度有限，氣泡在長(zhǎng)水口中沒有充分破碎，采用相關(guān)理論公式計(jì)算氣泡直徑還存在較大的局限性.

2.4 氣泡捕捉夾雜物行為

通過(guò)掃描電鏡結(jié)合能譜分析，發(fā)現(xiàn)在中間包冷鋼片沾樣內(nèi)部氣泡中部分氣泡粘附有夾雜物，圖14是部分氣泡粘附夾雜物的照片和夾雜物成分能譜分析結(jié)果.其中部分氣泡粘附有多個(gè)夾雜物.

圖14 氣泡粘附夾雜物和夾雜物成分能譜分析結(jié)果.(a)粘附Al2O3夾雜; (b)粘附CaO-Al2O3-SiO2復(fù)合夾雜Fig.14 Bubbles adhere to inclusions and inclusion composition: (a) Al2O3; (b) CaO-Al2O3-SiO2

ER70S-6焊絲鋼連鑄時(shí)鋼液中夾雜物主要為Al2O3夾雜物和CaO(-MgO)-Al2O3-SiO2復(fù)合夾雜物兩類夾雜.冷鋼片沾樣內(nèi)部氣泡粘附的夾雜物也主要為該兩類夾雜物.進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析表明氣泡粘附Al2O3夾雜物的幾率相對(duì)較高，這與Al2O3夾雜物與鋼液的潤(rùn)濕性較CaO(-MgO)-Al2O3-SiO2復(fù)合夾雜與鋼液潤(rùn)濕性差有關(guān)[25?26].

3 結(jié)論

(1) 連鑄生產(chǎn)中采用大流量長(zhǎng)水口吹氬，可在中間包鋼液內(nèi)部產(chǎn)生彌散微小氬氣泡，該類氬氣泡可捕捉鋼中夾雜物，促進(jìn)夾雜物上浮去除.

(2) 采用冷鋼片沾鋼法可成功沾取中間包鋼液微小氬氣泡，沾樣內(nèi)部氣泡為長(zhǎng)水口吹氬在中間包鋼液中生成的微小氬氣泡，本實(shí)驗(yàn)條件下生成的氣泡尺寸主要介于100～1000 μm，平均尺寸為500 μm 左右.

(3) 湍動(dòng)能破碎氣泡理論解釋長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡生成機(jī)理較為合理；但長(zhǎng)水口長(zhǎng)度有限，氣泡在長(zhǎng)水口中沒有充分破碎，鋼鐵生產(chǎn)中長(zhǎng)水口吹氬生成微小氣泡尺寸理論計(jì)算還需深入研究.

(4) 部分冷鋼片沾樣內(nèi)部氣泡捕捉有夾雜物，捕捉Al2O3夾雜物的幾率大于捕捉CaO(-MgO)-Al2O3-SiO2復(fù)合夾雜物的幾率.