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metal bath stirring
简介
为促进金属熔池的传质和传热过程并使金属液成分和温度均匀化而施加某种力以加强熔池流动的操作。搅拌作用的强弱和效果常常用熔体成分或温度的均匀程度及达到规定均匀程度所需时间来衡量。冶金过程中，熔渣、气体和金属液的反应速率、固体料(废钢或铁合金)熔化的快慢及金属液中成分的均匀程度等无不与熔池搅拌强度有关。搅拌对于炼钢过程的重要性，早就为人所了解，然而，把液体搅拌作为一种独立的单元操作加以研究，却是20世纪70年代后期的事。
平炉炼钢要求有足够大的脱碳速率，电弧炉炼钢配料中要求有一定的脱碳量，都是为了保证在冶炼过程对熔池有足够搅拌能力。然而只是广泛应用电磁搅拌和吹惰性气体搅拌以后，熔池搅拌才真正成为可控制的、能定量计算的独立操作。熔池搅拌在冶金过程中的作用主要是提高熔池的传热、传质和冶金反应速率，从而促进渣与金属混合，加快固体料熔化，缩短冶炼时间，加速有害元素的去除，最终达到提高产品质量和生产率。然而熔池搅拌过强也会带来不良效果，如炉衬寿命降低，熔池喷溅或溢出严重，冶炼操作与控制发生困难等。
搅拌方式与原理 熔池搅拌的方式很多，可以归纳为自然对流搅拌、人力搅拌、钢流冲击搅拌、机械搅拌、电磁搅拌和气体搅拌等6种。由于冶金是高温作业，最常用和最有效的搅拌方式是电磁搅拌和气体搅拌两种。有些冶金操作也应用机械搅拌。
自然对流搅拌 由于冶金熔体与环境间有很大温度差，使得熔体内存在一定的温度差和密度差，在密度差产生的体积力作用下，熔体产生自然对流流动而起到搅拌作用。
机械搅拌 旋转插入熔体中的搅拌器或振动盛液态钢(铁)的容器使熔体搅拌混合的操作。在熔池中旋转搅拌器的方法是60年代末70年代初发展起来的。它比回转炉法、摇炉法和摇包法，具有设备简单、搅拌效果较好等优点，在铁水预处理中得到一定程度应用。中国武汉钢铁公司用KR法进行铁水脱硫过程可将铁水中的硫从0.05%降到0.002%，其搅拌方式即为机械搅拌(图1)。
图1 铁水脱硫用旋转搅拌器的搅拌作用示意图
电磁搅拌 当在盛有熔融金属的容器外面的线圈中通过电流时或感应电流直接通过金属熔池时，会感生一个电磁力场，熔体在力场作用下产生流动和搅拌。研究电磁场与流体流动之间相互关系的科学，称为电磁流体力学。感应炉熔炼金属产生的搅动，电弧炉中电流从金属熔池中通过产生的感生运动搅拌以及电渣重熔过程中引起的渣、金属搅动现象等都属电磁搅拌。线圈式电磁搅拌的电磁力计算式为F=
式中，P为炉料吸收功率，W;f为电流频率，Hz;K为与钢液电阻和熔池侧面积有关的常数。电磁搅拌的优点是容易控制钢液流动的方向和搅拌功率的大小。电磁搅拌器搅拌钢铁熔体的技术(图2)已在钢铁冶金工艺特别是炉外精炼和连续铸钢等方面得到广泛的应用。采用电磁搅拌技术后，电弧炉炼钢还原期的终含氧量比无搅拌时降低50%，炉外精炼脱硫只需3～5min就可达到无搅拌情况下30～60min的效果。
气体搅拌 向熔池中喷吹气体直接进行搅拌或靠熔池内部反应产生的气泡上浮达到搅拌目的。喷射气体搅拌可分为下列几种情况：(1)熔体顶面上的冲击射流搅拌，如氧气顶吹转炉炼钢法、顶底复吹转炉炼钢法、VOD法精炼炉等顶吹氧气的情况，有关实验数据表明顶吹(氧气)气流初始能量约有20%消耗于熔池搅拌，5%～10%用于克服浮力，70%～80%消耗于非弹性冲击的损失;(2)熔体表面处的水平(或倾斜)射流搅拌，如侧吹转炉;(3)水平浸没喷气搅拌如AOD炉;(4)顶端插入式喷射搅拌，如铁水预处理中喷粉脱硫、脱磷等工艺;(5)从熔池底部吹入惰性气体或氧气对熔池进行搅拌。当第(4)种顶部插入深度很深时，和底部喷吹搅拌在实质上是相同的。底部喷吹气体引起搅拌的原因，在应用底吹气体搅拌的初期，曾经认为是射流动能或黏滞力驱动。随着对气体搅拌的研究，关于气泡大小和数量、气泡浮力等的认识更加深入了。1980年中国萧泽强提出用全浮力模型说明喷吹气体的搅拌作用，已被国际冶金学者所公认。全浮力模型认为，吹入的气体在钢液内形成一个向上扩张的气泡柱区，由于气泡密度比钢液小得多而产生浮力，向上浮的气泡将周围钢液抽引到气泡柱中一同上浮，到达顶部后被排向四周，从而引起钢液在反应器的循环流动并达到混合均匀(图3)。
图2 几种电磁搅拌器的布置和熔池钢液流动特征
a—单搅拌器向上;b—双搅拌器均向上;c—左搅拌器向下，右搅拌器向上
钢液内[C]和[O]反应生成CO气泡引起熔池沸腾，是另一种类型的气体搅拌。CO气泡在炉底耐火材料的空隙中生成，也可在上部炉壁的耐火材料的空隙中生成，很难准确定量计算CO气体搅拌的功率。然而可以确认其搅拌功率随脱碳速率增大而增大。在平炉和电炉中，熔池的脱碳沸腾对加速传热传氧和去除气体和夹杂物有重要作用。转炉中脱碳速率大得多，CO气体搅拌的作用远远超过顶吹射流的搅拌作用。表1给出各种冶炼工艺的搅拌方式及其效果的大致情况。
图3 底吹气体搅拌时的钢液流动示意
表1 各种冶炼工艺的搅拌方式及搅拌效果
| 冶炼工艺 | 主要搅拌方式 |
操作目的或 方法名称 |
搅拌功率 /W·t-1 |
| 转炉炼钢 |
顶吹氧气气流 碳氧反应 底吹氧气气流 顶底复吹 |
LD LD Q-BOP |
500～980 5000～9000 96000 介于顶吹和 底吹之间 |
| 电弧炉炼钢 |
电弧电流 感应搅拌 |
供热 | 1～3 |
| 吹氧脱碳沸腾 |
清除气体 和夹杂 |
50～100 | |
|
人力搅拌 底吹气体搅拌 电磁搅拌 |
熔化合金 |
1～4(10t炉) 20～300 ～60 |
|
| 平炉炼钢 | 碳氧反应 |
矿石沸腾 纯沸腾 熔池吹氧 |
强 中 强 |
| 炉外精炼 |
钢包吹氩(底吹 或插入式吹氩) |
成分和温度 均匀化 |
10～20 |
|
顶吹氧、底吹氩 底侧吹氩和氧 电磁搅拌 钢包喷粉脱硫 铁水喷粉预处理 |
真空脱碳 脱碳保铬 ASEA-SKF SL，KIP |
约1000 约1000 100～200 20～60 100～300 |
|
| 真空循环 | RH | 3～5 |
搅拌功率 单位时间内有效用于搅拌熔体的能量，它是对熔池搅拌能力的度量。气体搅拌时，对熔池所作的功有4种：(1)气体被熔体加热而作膨胀功W1;(2)气泡在熔体中上浮所作浮力功W2;(3)喷吹气体所保留的动能W3;(4)高压气体在喷嘴出口膨胀作功W4。由于W3和W4只在喷嘴处释放，对熔池作用不大。转炉和钢包底吹气体搅拌时计算搅拌功率公式为
式中
m为搅拌功率，W/t;Q为气体流量，m3/s;TL为熔池温度，K;mL为熔池钢液质量，t;ρL为钢液密度，kg/m3;p2为大气压，1.01325×105N/m2;Tn为熔体外气体温度，K;k为底吹气体分解产生的体积增加率(对于惰性气体k=1;对于CO2气体，在低碳区k=1.8，而在中高碳区k=2.0)。顶吹气体射流搅拌时计算搅拌功率的公式为
式中θ为喷嘴张角，(°);M为气体分子量，kg/kmol;n为喷孔数;h为枪高，m;d为喷孔直径，m。
电磁搅拌器是一种电气设备，其电功率可以直接计量。但搅拌器与钢液的距离、感应电流透入钢液深度等有所不同，钢液受到的搅拌功率因此也有不同。
混合时间 指向熔池中加入某种示踪剂后，到该物质在熔池内达到均匀分布所需的时间。它是评定熔池搅拌效果的重要参数之一。日本中西恭二等人最先提出熔池搅拌功率
(W/t)与混合时间τ(s)的经验关系式：τ=800
–0.4，该公式说明，不管用什么方法搅拌，混合时间只与搅拌功率有关。也就是混合与搅拌之间有统一的规律。进一步研究发现，反应器的形状和尺寸等对混合也有影响。
熔池搅拌研究方法 对高温熔池进行直接测量与观察都是比较困难的。研究高温熔池搅拌下熔体中各种行为的主要方法有数学模型法、物理模拟法以及工业性实测法。工业性实测法是在工业性生产过程中对熔池搅拌过程中的某些指标或熔体行为进行直接测量与观察的方法。由于缺乏有效的检测手段，使得这一方法的采用受到很大限制。主要采用的方法有：通过测定渣中FeO等氧化物含量，定性确定熔池搅拌强弱;通过加入某种溶质元素并取样分析其含量来获得熔池均匀混合时间;采用加入放射性示踪剂的方法取得熔体中的流场分布等。