Effect of Wettability on Penetration and Flotation Behavior of a Particle in Refining Process

Abstract

Powder blasting is often operated in refining process in order to achieve lower sulfur content in molten steel with high desulfurization efficiency. In this study, effects of wettability of a particle on penetration and flotation behavior were examined by water model experiment. A polypropylene particle was blasted onto water surface with Ar gas through a single-hole nozzle, and particle behavior during penetration into water to flotation to water surface was recorded by a high-speed camera. Wettability between the particle and water was changed by applying repellent or hydrophilic material on the particle. According to penetration of the particle, an air column was generated and a residual bubble was remained on the particle after rupture of the air column. The repellent particle floated to the water surface in a short time because maximum penetration depth was small and diameter of a residual bubble was large. On the other hand, the detention time of the hydrophilic particle became longer than the repellent particle because maximum penetration depth was relatively large and the residual bubble was separated from the particle. The reason that wettability between the particle and water affects penetration and f loatation behavior is that adhering position of the air column on the particle changed. In the case of repellent particle, the position changed to penetrating direction of the particle. Therefore, the force caused by surface tension of water increases, and the residual air column on the particle after rupture of the air column becomes large. Keywords: refining process; water model experiment; wettability of a particle; air column; residual bubble; detention time of a particle.

Numerical Analysis for Interaction of Fluid and Sphere Penetrating into Liquid Bath

“…Tanaka et al 22) plunged the polypropylene sphere with adjusted contact angles into the bath at the entry velocity of 0.63-1.53 m/s and reported that the contact angle affected the time variation of the penetration depth. Matsuzawa et al 23,24) plunged the sphere with various contact angles into the bath at an entry velocity as high as 1.7-10.9 m/s and reported that the entry velocity and the contact angle affected the time variation of penetration depth.…”

“…( 9) and (10). The converted results and the measured values 𝑑 𝑃 2.7025 by Matsuzawa et al 24) are shown in Fig. 15.…”

“…(11) where : volume of residual bubble (m 3 ). 𝑉 Matsuzawa et al 24) blew the polypropylene sphere lighter than water combined with argon gas from the straight-type nozzle to the water surface and measured the volume of the residual bubble adhered to the sphere. However, their results could not be used for the direct comparison because the diameter of the sphere used in the experiments was 3.2 mm which was smaller than a third of 9.6 mm for the present calculation condition.…”

“…The calculated results were a little bigger than the upper limits at the contact angle of 129 ° and it suggests that the calculated results were consistent with the measured results. Although Matsuzawa et al 24) carried out the experiments under the vacuum condition, the factor was not considered in the present calculation. Therefore, it is necessary to calculate under the same condition for accurate comparison and it is the future work.…”

Effect of Wettability on the Behavior of Non-metallic Inclusions in the Submerged Entry Nozzle in CC Mold

“…。また、鋳型への注入 流を安定的に制御することが、高品質鋼材の製造に不可欠となることから、耐火物材質の開発 についても、数多くの取組みがなされてきた [2], [3] 。直近では、電気化学的に溶鋼と耐火物間の 反応を制御し、ノズル詰まりを防止する技術も報告されている [4] 。ノズル詰まりの機構につい ては、溶鋼と耐火物間の反応により溶鋼／耐火物界面で生成される界面張力勾配によって粘性 底層内に流入した介在物がノズル内壁面へ輸送され付着する機構が提案されている [5], [6], [7] 。し かしながら、アルミ脱酸時に生成する代表的な介在物であるアルミナと溶鋼が濡れにくいこと は古くから知られている [8] 。注湯操作においては、耐火物製ストッパーやスライディングノズ ルによって開口面積を調整し制御する、 すなわち、 流路断面積の急激な変化を伴うことになる。 その際，濡れ性の悪い耐火物製ノズルで囲まれた流路を溶鋼が流れることになるが、溶鋼中に 含まれる濡れ性の悪い介在物がどのように振舞うのか、濡れ性の観点での検討が待たれる。 溶鋼中の介在物挙動を検討するために様々なモデル実験や解析モデルが考案され、混相流体 に関する理解が進んだ [9] 。潘らは矩形容器内に表面の接触角が異なる粒子を分散させ、矩形容 器底部から空気を吹き込み、粒子と気泡の付着挙動をハイスピードビデオで観察した [10] 。その 結果、接触角が大の粒子は気泡と接触すると速やかに気泡内に取り込まれることを明らかにし ている。松澤らは二次精錬工程での吹き込まれたフラックス粒子の濡れ性が溶鋼中での滞留挙 動に及ぼす影響に着目した水モデル実験を行った [11] 。具体的には粒子表面に親水剤あるいは撥 水剤を塗布し表面の接触角を変化させた粒子を水中に吹き付けた際の粒子の侵入挙動をハイス ピードビデオカメラで観察した。その結果、接触角の違いにより随伴される気泡が変化し粒子 の滞留挙動が変化することを明らかにしている。一方、注入流を模擬する水モデル実験につい ては、今村らがノズル内での二次メニスカスの存在を指摘した [12] 。また、ノズル形状の検討だ けでなく、注入流を安定的に制御することを目的として旋回流をノズル内で形成する方法等 [13] 、 様々な注入流制御法が検討されている。しかしながら、濡れ性の影響についての水モデル実験 3 は極めて少ない。前田らがスライディングノズル方式を模擬した水モデル実験を行い、撥水剤 を塗布した場合、開度によって流量特性が変化することを報告している [14], [15], [16] 。ただ、濡れ 性を変化させ模擬介在物の挙動についての検討は見当たらない。 そこで本研究では注入ノズル内での介在物の挙動を、水モデル実験装置を用いて濡れ性の観 点から検討した。その際、ノズル外面から観察するのではなく、注入量を制御するストッパー 中心に内視鏡を設置し、直接水中の模擬介在物を観察することとした。介在物を模擬するトレ ーサーの粒径や接触角、加えて、ノズル内面、ストッパー表面の接触角を親水剤、撥水剤を塗 布することで変化させ、介在物挙動について調査した [17], [18], [19] 。 2. 水モデル実験 られている [23] 。さらに、笹井らは溶鋼中のアルミナ粒子間に表面張力に基づく凝集力 F a が作用 することを報告している [24], [25], [26] 。以下、本実験条件で前述した力のオーダー評価を行う。 Fig.…”