《工程科学学报》：钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 钢渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 刘威杨树峰李京社 Review of research on inclusion motion behaviors at the steel-slag interface LIU Wei.YANG Shu-feng.LI Jing-she 引用本文： 刘威，杨树峰，李京社.钢渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展.工程科学学报，2021,43(12)：1647-1655.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2021.09.29.007 LIU Wei,YANG Shu-feng.LI Jing-she.Review of research on inclusion motion behaviors at the steelslag interface[J].Chinese Journal of Engineering,.2021,43(12:1647-1655.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.09.29.007 在线阅读View online::https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.09.29.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 Effect of total oxygen on the nonmetallic inclusion of gear steel 工程科学学报.2021,43(4：537 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.03.05.001 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报.2020.42(7)：912 https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.15.005 增氨析氮法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报.2018,40(8：937 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.08.007 钙处理对20 CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响 Effect of calcium treatment on nonmetallic inclusions in 20CrMnTiH gear steel 工程科学学报.2021,43(6：825 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.04.14.004 稀土-镁复合处理对GC15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019.41(6)：763 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.008 钢铁冶金过程中的界面现象 Interfacial phenomena in ironmaking and steelmaking 工程科学学报.2018.40(10)：1139 https:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.001

钢渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 刘威 杨树峰 李京社 Review of research on inclusion motion behaviors at the steel−slag interface LIU Wei, YANG Shu-feng, LI Jing-she 引用本文: 刘威, 杨树峰, 李京社. 钢渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1647-1655. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.007 LIU Wei, YANG Shu-feng, LI Jing-she. Review of research on inclusion motion behaviors at the steelslag interface[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1647-1655. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.007 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响 Effect of total oxygen on the nonmetallic inclusion of gear steel 工程科学学报. 2021, 43(4): 537 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.05.001 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报. 2020, 42(7): 912 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.15.005 增氮析氮法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报. 2018, 40(8): 937 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.007 钙处理对20CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响 Effect of calcium treatment on nonmetallic inclusions in 20CrMnTiH gear steel 工程科学学报. 2021, 43(6): 825 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.14.004 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008 钢铁冶金过程中的界面现象 Interfacial phenomena in ironmaking and steelmaking 工程科学学报. 2018, 40(10): 1139 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.001

工程科学学报.第43卷，第12期：1647-1655.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1647-1655,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.007;http://cje.ustb.edu.cn 钢-渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 刘威，杨树峰12)，李京社) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yangshufeng@ustb.edu.cn 摘要钢中夹杂物的去除一直是洁净钢研究的热点，对于提高钢材质量、保障产品性能具有重要意义，钢液中夹杂物主要 通过上浮至顶渣被吸收而去除，这个过程可细分为夹杂物在钢液中长大上浮、在钢-渣界面穿越分离、在熔渣中被吸附溶解 3个步骤.钢-渣两相的物性差异及界面特性导致不符合条件的夹杂物无法穿过界面与钢液分离，这使得该步骤成为夹杂物 去除的决定性环节，且由于钢-渣两相周围快速的物性过渡、并行的物理化学现象以及高温、不透明等特性影响，使该步骤研 究难度增大.近年来，随着数值模拟技术和高温实验设备的进步，夹杂物穿越钢-渣界面行为的研究取得了一些进展.经典的 受力分析模型能够对夹杂物界面行为进行半定量的预测，且对于渣系优化等具有一定的指导作用：计算流体动力学(CD)模 型在研究夹杂物界面现象方面具有优势，但研究尚处于初期，未来有望适用于更大的尺度范围、更多的行为场景和相态：水 模型与数值模型相结合是一种有效的研究界面行为的方法，随着实验技术进步，可进一步对微观尺度的界面行为进行研究： 高温共聚焦原位观察是研究界面行为最为直接的方法，对于探究夹杂物界面行为极有帮助，有望通过设备改进，更加完整、 深入地揭示夹杂物去除的关键机理， 关键词非金属夹杂物：钢-渣界面：洁净钢：夹杂物去除：界面润湿现象 分类号TF762+.8 Review of research on inclusion motion behaviors at the steel-slag interface LIU Wei),YANG Shu-feng,LI Jing-she) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yangshufeng@ustb.edu.cn ABSTRACT The removal of inclusions in steel has always been a hot topic in the field of clean steel,and it is important for improving the quality of steel and guaranteeing product performance.Inclusions in steel are mainly removed by allowing them to float to the top slag and get absorbed in it.This removal process can be subdivided into three steps:growing up and floating in the molten steel, separation through the steel-slag interface,and dissolution in the liquid slag phase.Owing to the difference in physical properties of a steel-slag system and its interfacial characteristics,incompatible inclusions cannot be separated by crossing the interface,making this step a key factor for the inclusions'removal.Moreover,this step occurs with the rapid physical transition of the steel and slag phases along with physical and chemical phenomena in parallel as well as the presence of high temperature,opaqueness,and other characteristics of the impact,making the study more challenging.In recent years,with the advancement of technologies such as numerical simulation and high-temperature equipment,the study of the behavior of inclusions crossing the interface has gradually increased.The classical force analysis model can predict the interfacial behavior of inclusions semiquantitatively and has a certain guidance role for slag system optimization.The computational fluid dynamics(CFD)model has advantages in the study of interfacial 收稿日期：2021-09-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51734003.51822401)：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP.18-009C1.FRF-TP-20-008A1): 中国博士后科学基金资助项目(2020M680010)

钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 刘    威1)，杨树峰1,2) 苣，李京社1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: yangshufeng@ustb.edu.cn 摘    要    钢中夹杂物的去除一直是洁净钢研究的热点，对于提高钢材质量、保障产品性能具有重要意义. 钢液中夹杂物主要 通过上浮至顶渣被吸收而去除，这个过程可细分为夹杂物在钢液中长大上浮、在钢−渣界面穿越分离、在熔渣中被吸附溶解 3 个步骤. 钢−渣两相的物性差异及界面特性导致不符合条件的夹杂物无法穿过界面与钢液分离，这使得该步骤成为夹杂物 去除的决定性环节，且由于钢−渣两相周围快速的物性过渡、并行的物理化学现象以及高温、不透明等特性影响，使该步骤研 究难度增大. 近年来，随着数值模拟技术和高温实验设备的进步，夹杂物穿越钢−渣界面行为的研究取得了一些进展. 经典的 受力分析模型能够对夹杂物界面行为进行半定量的预测，且对于渣系优化等具有一定的指导作用；计算流体动力学（CFD）模 型在研究夹杂物界面现象方面具有优势，但研究尚处于初期，未来有望适用于更大的尺度范围、更多的行为场景和相态；水 模型与数值模型相结合是一种有效的研究界面行为的方法，随着实验技术进步，可进一步对微观尺度的界面行为进行研究； 高温共聚焦原位观察是研究界面行为最为直接的方法，对于探究夹杂物界面行为极有帮助，有望通过设备改进，更加完整、 深入地揭示夹杂物去除的关键机理. 关键词    非金属夹杂物；钢−渣界面；洁净钢；夹杂物去除；界面润湿现象 分类号    TF762+.8 Review of research on inclusion motion behaviors at the steel−slag interface LIU Wei1) ，YANG Shu-feng1,2) 苣 ，LI Jing-she1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: yangshufeng@ustb.edu.cn ABSTRACT    The removal of inclusions in steel has always been a hot topic in the field of clean steel, and it is important for improving the quality of steel and guaranteeing product performance. Inclusions in steel are mainly removed by allowing them to float to the top slag  and  get  absorbed  in  it.  This  removal  process  can  be  subdivided  into  three  steps:  growing  up  and  floating  in  the  molten  steel, separation through the steel-slag interface, and dissolution in the liquid slag phase. Owing to the difference in physical properties of a steel-slag system and its interfacial characteristics, incompatible inclusions cannot be separated by crossing the interface, making this step a key factor for the inclusions’ removal. Moreover, this step occurs with the rapid physical transition of the steel and slag phases along  with  physical  and  chemical  phenomena  in  parallel  as  well  as  the  presence  of  high  temperature,  opaqueness,  and  other characteristics  of  the  impact,  making  the  study  more  challenging.  In  recent  years,  with  the  advancement  of  technologies  such  as numerical  simulation  and  high-temperature  equipment,  the  study  of  the  behavior  of  inclusions  crossing  the  interface  has  gradually increased.  The  classical  force  analysis  model  can  predict  the  interfacial  behavior  of  inclusions  semiquantitatively  and  has  a  certain guidance role for slag system optimization. The computational fluid dynamics (CFD) model has advantages in the study of interfacial 收稿日期: 2021−09−29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51734003，51822401）；中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-TP-18-009C1，FRF-TP-20-008A1）； 中国博士后科学基金资助项目（2020M680010） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1647−1655，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1647−1655, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.007; http://cje.ustb.edu.cn

·1648 工程科学学报，第43卷，第12期 phenomena of inclusions,but it is still in the early stage of research.In the future,it is expected to expand to a larger scale,including more behavior scenarios and phase states.The combination of water and numerical models is an effective method to study interfacial behavior.The simulation results at a microscopic scale will be further extended with the advancement of experimental technology in the future.The high-temperature confocal in situ observation is the most direct research method,which is extremely helpful to understand and reveal the interfacial behavior of inclusions.Furthermore,it is expected to reveal the key mechanism of inclusions removal in a more complete and in-depth manner through equipment improvement in the future. KEY WORDS nonmetallic inclusion;steel-slag interface;clean steel;removal of inclusion;interfacial wetting phenomena 非金属夹杂物为钢中异相物质，会破坏基体 1夹杂物穿越钢-渣界面模型 的连续性，造成钢力学性能的各向异性.因此在大 1.1动态受力分析模型 部分钢种的冶炼环节，应尽可能地将夹杂物去除 由于夹杂物穿越钢-渣界面是一个复杂的动 或降低其危害.钢中非金属夹杂物的产生和去除， 态变化过程，夹杂物运动时处于两个流动相中，其 既有化学反应也有物理现象，最初的研究更关注 受力情况与周边钢液和熔渣的流场相关.若研究 钢中夹杂物涉及的化学反应，如夹杂物形核、长大 流场中每一个质点的状态，计算量较大.根据一些 以及在渣相中的溶解等等，但随着学界对整个过 流体中刚性球体的受力经验公式，并采用物理学 程认识的深入，发现其中的物理现象，尤其是夹杂 中的质点受力分析法，固态夹杂物的运动过程可 物去除过程中的界面现象也同样重要，甚至决定 简化为一个理想刚性球体在钢液和渣相中的动态 了夹杂物能否被去除.非金属夹杂物的产生和去 运动过程，如图1所示.由于穿越过程又属于钢液 除主要在钢处于液态的阶段，包括初炼、精炼和连 和渣相过渡过程，且它们之间的黏度、表面张力和 铸环节.非金属夹杂物的去除主要分为3个步骤： 密度等物性差异较大，也给基于单一质点的受力 ①在钢液中长大上浮；②穿越钢-渣界面；③被渣 模型的建立带来了一系列问题.为了解决模拟过 相溶解吸收.3个步骤中，第一步和第三步处于钢 程遇到的问题，Nakajima等U提出了一系列的理想 液或者熔渣的单相环境中，其物性变化相对简单， 假设，只关注去除过程的重点问题，建立了最初的夹 多年来有许多相关研究.第二个步骤，即夹杂物穿 杂物界面分离模型.后人通过一些新的方法，一项 越钢-渣界面的过程，由于该过程中夹杂物与钢液 一项地改进了假设条件，添加了诸如流体曳力准 和熔渣同时接触，夹杂物的运动状态、受力情况以 确计算方法四、夹杂物半浸没时的受力处理方法)、 及与渣相接触时的溶解速度都发生高速动态的变 夹杂物渣相中运动时的溶解计算方法等，扩大 化，故研究难度较大.但夹杂物穿越钢-渣界面的 经典夹杂物受力分析模型适用范围的同时，更提 过程是夹杂物能否被去除的决定性环节，对于洁 升了其准确度，也把此类模型由只考虑物理现象 净钢治炼和钢材性能稳定等具有十分重要的意 发展到物理与化学兼顾的形式.近三十年来，对动 义.近年来，夹杂物穿越钢-渣界面的过程越来越 态受力分析模型的发展过程总结如表1所示，许 受到该领域研究者的重视，自1992年日本学者 多研究利用该模型计算了在不同种类及成分的渣- Nakajima等川发布了第一个夹杂物在钢-渣界面运 钢体系中固、液态的各种类夹杂物动态运动的过 动行为模型至今，该方面研究不断取得创新和突 破，为夹杂物的去除和洁净钢冶炼工艺优化提供 Buoyancy -Drag force Liquid slag 了许多新思路 nclusion radius 本文将近年来钢一渣界面非金属夹杂物去除 Interface Particle 及运动行为相关的研究工作进行了收集整理，对 受力分析模型、计算流体动力学(CD)模型、水模 R 型、原位观察等研究方法进行了对比和分析，阐 述了各自的发展过程与研究现状，并对未来夹杂 Molten metal Moving direction: 物界面行为的研究进行了展望，以期为洁净钢 图1夹杂物界面去除动态受力分析模型示意图) 冶炼过程调控夹杂物的工艺优化和深入研究提供 Fig.I Schematic of the dynamic force analysis model of inclusion 参考 separation at the interfacels

phenomena of inclusions, but it is still in the early stage of research. In the future, it is expected to expand to a larger scale, including more behavior scenarios and phase states. The combination of water and numerical models is an effective method to study interfacial behavior. The simulation results at a microscopic scale will be further extended with the advancement of experimental technology in the future. The high-temperature confocal in situ observation is the most direct research method, which is extremely helpful to understand and reveal the interfacial behavior of inclusions. Furthermore, it is expected to reveal the key mechanism of inclusions removal in a more complete and in-depth manner through equipment improvement in the future. KEY WORDS    nonmetallic inclusion；steel−slag interface；clean steel；removal of inclusion；interfacial wetting phenomena 非金属夹杂物为钢中异相物质，会破坏基体 的连续性，造成钢力学性能的各向异性. 因此在大 部分钢种的冶炼环节，应尽可能地将夹杂物去除 或降低其危害. 钢中非金属夹杂物的产生和去除， 既有化学反应也有物理现象，最初的研究更关注 钢中夹杂物涉及的化学反应，如夹杂物形核、长大 以及在渣相中的溶解等等，但随着学界对整个过 程认识的深入，发现其中的物理现象，尤其是夹杂 物去除过程中的界面现象也同样重要，甚至决定 了夹杂物能否被去除. 非金属夹杂物的产生和去 除主要在钢处于液态的阶段，包括初炼、精炼和连 铸环节. 非金属夹杂物的去除主要分为 3 个步骤： ①在钢液中长大上浮；②穿越钢−渣界面；③被渣 相溶解吸收. 3 个步骤中，第一步和第三步处于钢 液或者熔渣的单相环境中，其物性变化相对简单， 多年来有许多相关研究. 第二个步骤，即夹杂物穿 越钢−渣界面的过程，由于该过程中夹杂物与钢液 和熔渣同时接触，夹杂物的运动状态、受力情况以 及与渣相接触时的溶解速度都发生高速动态的变 化，故研究难度较大. 但夹杂物穿越钢−渣界面的 过程是夹杂物能否被去除的决定性环节，对于洁 净钢冶炼和钢材性能稳定等具有十分重要的意 义. 近年来，夹杂物穿越钢−渣界面的过程越来越 受到该领域研究者的重视，自 1992 年日本学者 Nakajima 等[1] 发布了第一个夹杂物在钢−渣界面运 动行为模型至今，该方面研究不断取得创新和突 破，为夹杂物的去除和洁净钢冶炼工艺优化提供 了许多新思路. 本文将近年来钢−渣界面非金属夹杂物去除 及运动行为相关的研究工作进行了收集整理，对 受力分析模型、计算流体动力学（CFD）模型、水模 型、原位观察等研究方法进行了对比和分析，阐 述了各自的发展过程与研究现状，并对未来夹杂 物界面行为的研究进行了展望，以期为洁净钢 冶炼过程调控夹杂物的工艺优化和深入研究提供 参考. 1    夹杂物穿越钢−渣界面模型 1.1    动态受力分析模型 由于夹杂物穿越钢−渣界面是一个复杂的动 态变化过程，夹杂物运动时处于两个流动相中，其 受力情况与周边钢液和熔渣的流场相关. 若研究 流场中每一个质点的状态，计算量较大. 根据一些 流体中刚性球体的受力经验公式，并采用物理学 中的质点受力分析法，固态夹杂物的运动过程可 简化为一个理想刚性球体在钢液和渣相中的动态 运动过程，如图 1 所示. 由于穿越过程又属于钢液 和渣相过渡过程，且它们之间的黏度、表面张力和 密度等物性差异较大，也给基于单一质点的受力 模型的建立带来了一系列问题. 为了解决模拟过 程遇到的问题，Nakajima 等[1] 提出了一系列的理想 假设，只关注去除过程的重点问题，建立了最初的夹 杂物界面分离模型. 后人通过一些新的方法，一项 一项地改进了假设条件，添加了诸如流体曳力准 确计算方法[2]、夹杂物半浸没时的受力处理方法[3]、 夹杂物渣相中运动时的溶解计算方法[4] 等，扩大 经典夹杂物受力分析模型适用范围的同时，更提 升了其准确度，也把此类模型由只考虑物理现象 发展到物理与化学兼顾的形式. 近三十年来，对动 态受力分析模型的发展过程总结如表 1 所示，许 多研究利用该模型计算了在不同种类及成分的渣− 钢体系中固、液态的各种类夹杂物动态运动的过 Z 0 X Fg—Gravity Fb—Buoyancy Fd—Drag force Fm—Added mass force Fr—Interfacial resistance FI—Inclusion radius Liquid slag Particle Interface Molten metal Moving direction: RI Fb Fb Fb Fr Fm Fm Fm Fg+Fd Fg+Fd Fg+Fd ① ② ③ 图 1    夹杂物界面去除动态受力分析模型示意图[5] Fig.1     Schematic  of  the  dynamic  force  analysis  model  of  inclusion separation at the interface[5] · 1648 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

刘威等：钢-渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 1649 程.受力分析模型从开始建立就考虑了夹杂物迫 体流动的经验公式.后续对于曳力、附加质量力、 近界面时，夹杂物与界面之间钢液膜形成及排空 界面张力（反弹力）等各种力都不断地更新改进，使 破裂的过程，采用了流体力学中关于球体周围流 模拟的结果更为准确，更贴近实际的钢冶炼过程 表1夹杂物受力分析模型及其特征 Table 1 Inclusions'dynamic force analysis model and their features Year and Reference Model features Inclusion type Slag type Temperature/ K Rigid sphere Al2O3 1992,Nakajima et al. Basic model with consideration of Al2O:-SiOz-TiOz and SiO2-Al2O3-CaF2-MgO-Cao- steel film drainage Al2O3-SiO2-FeO-TiO NaO and so on three types 1823 19 Bouris and Bergeles Considering the steel film drainage Rigid sphere Al2O, and re-entrainment of inclusion Al2O:-SiO2-TiOz and SiOz-Al2O:-CaFz-MgO-Cao- Al2O:-SiOz-FeO-TiOz NazO and so on three types 2005,Shannon and Sridhar m Study the separation of different LF refining slag,tundish flux and inclusion shapes Sphere,octahedron and plate shape mold flux 2006,Valdez et al.周 Considering the separation and Rigid sphere AlO3 MgO,ZrO2 LF refining slag,tundish flux and dissolution of inclusion separately and Mg Al2O mold flux 1773 2005,Strandh et al. First study focusing on the liquid inclusion separation Rigid liquid sphere LF refining slag 1773,1873 2005,Strandh et al.0 Application of the model to optimizing tundish flux content Rigid sphere Al,O; Tundish flux 1823 2008,Shannon et al. Study on the contact velocity of inclusion with the interface Rigid sphere Al2O3 Tundish flux 一 Revise the drag force and terminal 2014,Yang et al. velocity equations according to Re Rigid sphere Al2O3 LF refining slag 1873 number Coupling the separation and 2019,Liu et al.4 dynamic dissolution model of Rigid sphere Al2O3 LF refining slag 1873 inclusion Considering the interfacial 2019,Xuan et al.月 deformation at the stage of thin- Rigid liquid sphere VD refining slag 1873 film drainage 但必须明确的是，由于经典的受力分析模型 身的局限性，迫切需要从流体力学原理出发来研 基于单一质点分析法和一系列的理想化假设，因 究钢-渣界面夹杂物的分离问题，对涉及夹杂物去 此在判断夹杂物去除方面，仅可进行定性和半定 除的三相运动行为进行准确计算，从而揭示夹杂 量的研究，而定量研究还存在一定难度.虽然多年 物高效去除机理 来尝试从各个角度对模型进行改进，但是最基本 的流体运动与夹杂物受力仍是基于经验公式，无 Zaxis 法应对复杂多变的界面情形l-]Xuan等围在研 Thin film 究中发现钢-渣界面的变形过程对夹杂物分离去 Slag phase 除有显著影响，认为模型的建立应该考虑界面的 变形性，引入了钢液膜排空和界面弯月面至模型 中，如图2所示.该模型虽然认识到界面变形性的 重要性，但在受力分析模型中对界面变形进行相 Inclusion 关计算时，依然是基于经验公式，无法准确预测界 -Distance from point D to inte Steel phase 面的动态变形和液膜破裂过程.在运动模型的基 Z-Distance from point C to interface -Meniscus curve radius 础上，一些研究]考虑了夹杂物在界面呈静态停 -Inclusion radius -Angle ABC=Angle COD 留的情形，建立了计算夹杂物静止于界面时钢-渣 图2考虑界面变形及钢液膜破裂的夹杂物受力分析模型示意图 弯月面形状的模型，进一步补充了对夹杂物去除 Fig.2 Schematic of the force analysis model considering interface 全过程中各种情形的模拟.鉴于受力分析模型自 deformation and steel film rupture

程. 受力分析模型从开始建立就考虑了夹杂物迫 近界面时，夹杂物与界面之间钢液膜形成及排空 破裂的过程，采用了流体力学中关于球体周围流 体流动的经验公式. 后续对于曳力、附加质量力、 界面张力（反弹力）等各种力都不断地更新改进，使 模拟的结果更为准确，更贴近实际的钢冶炼过程. 表 1 夹杂物受力分析模型及其特征 Table 1   Inclusions’ dynamic force analysis model and their features Year and Reference Model features Inclusion type Slag type Temperature/ K 1992, Nakajima et al.[1] Basic model with consideration of steel film drainage Rigid sphere Al2O3 , Al2O3−SiO2−TiO2 and Al2O3−SiO2−FeO−TiO2 SiO2−Al2O3−CaF2−MgO−CaO− Na2O and so on three types 1823 1998, Bouris and Bergeles [6] Considering the steel film drainage and re-entrainment of inclusion Rigid sphere Al2O3 , Al2O3−SiO2−TiO2 and Al2O3−SiO2−FeO−TiO2 SiO2−Al2O3−CaF2−MgO−CaO− Na2O and so on three types — 2005, Shannon and Sridhar [7] Study the separation of different inclusion shapes Sphere, octahedron and plate shape LF refining slag, tundish flux and mold flux — 2006, Valdez et al. [8] Considering the separation and dissolution of inclusion separately Rigid sphere Al2O3 , MgO, ZrO2 and Mg Al2O4 LF refining slag, tundish flux and mold flux 1773 2005, Strandh et al. [9] First study focusing on the liquid inclusion separation Rigid liquid sphere LF refining slag 1773, 1873 2005, Strandh et al. [10] Application of the model to optimizing tundish flux content Rigid sphere Al2O3 Tundish flux 1823 2008, Shannon et al. [11] Study on the contact velocity of inclusion with the interface Rigid sphere Al2O3 Tundish flux — 2014, Yang et al. [12] Revise the drag force and terminal velocity equations according to Re number Rigid sphere Al2O3 LF refining slag 1873 2019, Liu et al. [4] Coupling the separation and dynamic dissolution model of inclusion Rigid sphere Al2O3 LF refining slag 1873 2019, Xuan et al.[3] Considering the interfacial deformation at the stage of thin￾film drainage Rigid liquid sphere VD refining slag 1873 但必须明确的是，由于经典的受力分析模型 基于单一质点分析法和一系列的理想化假设，因 此在判断夹杂物去除方面，仅可进行定性和半定 量的研究，而定量研究还存在一定难度. 虽然多年 来尝试从各个角度对模型进行改进，但是最基本 的流体运动与夹杂物受力仍是基于经验公式，无 法应对复杂多变的界面情形[1−12] . Xuan 等[3] 在研 究中发现钢−渣界面的变形过程对夹杂物分离去 除有显著影响，认为模型的建立应该考虑界面的 变形性，引入了钢液膜排空和界面弯月面至模型 中，如图 2 所示. 该模型虽然认识到界面变形性的 重要性，但在受力分析模型中对界面变形进行相 关计算时，依然是基于经验公式，无法准确预测界 面的动态变形和液膜破裂过程. 在运动模型的基 础上，一些研究[13] 考虑了夹杂物在界面呈静态停 留的情形，建立了计算夹杂物静止于界面时钢−渣 弯月面形状的模型，进一步补充了对夹杂物去除 全过程中各种情形的模拟. 鉴于受力分析模型自 身的局限性，迫切需要从流体力学原理出发来研 究钢−渣界面夹杂物的分离问题，对涉及夹杂物去 除的三相运动行为进行准确计算，从而揭示夹杂 物高效去除机理. ZD—Distance from point D to interface ZC—Distance from point C to interface r0—Meniscus curve radius R0—Inclusion radius θ—Angle ABC=Angle COD Slag phase Steel phase Inclusion Thin film Z axis D B C E F O R0 r Z 0 D A ZC θ θ 图 2    考虑界面变形及钢液膜破裂的夹杂物受力分析模型示意图[3] Fig.2     Schematic  of  the  force  analysis  model  considering  interface deformation and steel film rupture[3] 刘    威等： 钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 · 1649 ·

·1650 工程科学学报，第43卷，第12期 1.2流体力学（CFD)模型 微观模型是指模拟区域大小与夹杂物尺度相 夹杂物穿越钢-渣界面的过程，是夹杂物一熔 近的模型.在钢液的冶炼温度下，根据夹杂物的相 渣一钢液三相相互作用的过程，该过程涉及液- 态，通常可分为固态和液态夹杂物两类：固态夹杂 液和固-液的相互作用，其本身是一个以流体动力 物，如氧化铝、镁铝尖晶石夹杂等：液态夹杂物，如 学为主的过程，因此很多研究尝试利用流体动力 低熔点的钙铝酸盐类夹杂和硫化锰夹杂等.不同 学原理来研究这个过程 相态的夹杂物不仅是熔点高低的差异，其在钢-渣 虽然夹杂物通过钢-渣界面分离去除是一个 体系中的运动行为也有着显著差异.液态夹杂物 微观过程，但受限于早期模型完成度与计算能力， 在钢-渣体系中的运动行为是一个只涉及流体的 夹杂物去除的宏观尺度模型早于微观模型得到了 三相流问题，而固态夹杂物则是钢一渣两相流与固 发展.夹杂物的宏观模型是指利用C℉D建模方法 体间相互作用的问题.研究多相流的方法有拉格 模拟研究宏观尺度的冶金容器中夹杂物的不同运 朗日法和欧拉法两类，DPM模型即为典型的朗格 动状态，如LF精炼炉-、RH精炼炉、连铸中 朗日法，流体体积模型(VOF)则为典型的欧拉法 间包7-1和结品器1等各类冶金容器中夹杂物的 Duan等2)利用DPM法研究了钢液中固态夹杂物 运动轨迹和去除过程的模型.相对于宏观的冶金 与气泡碰撞的微观过程，认为该过程是一个两相 容器，夹杂物尺寸较小，在宏观的流场模拟中，如 流中异相粒子运动的过程，但研究中为了简化计 何模拟处理夹杂物的运动，一直是宏观模型研究 算，将气泡-钢液界面假设为固定边界，无法准确 的重点.通常有离散相模型(DPM)P0和群体平衡 还原夹杂物运动轨迹.陈开来等24]利用VOF模型 模型(PBM)2四]两种处理方法，前者将每个夹杂物 模拟了钢液中两个液态夹杂物润湿、聚合的过程 视为流体中的分散相，采用与受力模型中相同的 由于液-液界面厚度与网格密度直接相关，VOF 经验公式来预测夹杂物运动轨迹，并非从原理出 方法在微观层面精确追踪液一液界面计算负担巨 发进行运动追踪，计算结果如图3所示；而PBM 大，一般较少应用，目前普遍采用相场多相流法来 方法则关注夹杂物群体行为，对于夹杂物间的碰 模拟微观的多相流行为.Xuan等2利用相场法模 撞、聚合等行为能够较好地拟合，但完全忽略了个 拟了钢液中液态夹杂物对固态夹杂物润湿的两相 体的运动行为，宏观模型中关于夹杂物的模拟结 流过程，但此研究中固态夹杂物设置为气泡一钢液 果更依赖于微观经验公式的正确与否四，虽然受 两相流的固定边界条件，因此模型并未包含流体 力分析模型已经周全考虑各种力及其动态变化， 与固体间的相互作用行为.Liu等27利用相场模 但目前大部分C℉D模拟研究所用的经验公式及模 型研究了钢-渣体系中气泡的上浮-穿越行为，较 型并未做相应更新.相反地，宏观的流动也会受到 高精度地实现了对微观三相流过程的模拟，模拟 流体中异相粒子的反作用，尤其是微小气泡这类 效果如图4所示，后又在相场多相流的基础上，添 异相粒子，对钢液流动有较大影响.因此，更需要 加流体-固体相互作用模块，成功模拟了固态夹杂 进一步研究细化流体与异相粒子间的相互作用规 物在钢-渣体系中的运动行为P,但该模型目前能 律，为宏观模型的改进提供新的依据 模拟的夹杂物尺寸下限为10um,而实际的钢液中 1m左右的小尺寸夹杂物行为模拟还难以实现. 钢-渣两相体系中的微观现象C℉D模型研究并 不多，很多研究只是进行了初步的尝试.但随着相场 Size/um ■10 多相流、流体-固体相互作用等模型的开发应用，钢- ■20 ■50 渣体系中的微观现象会得到更为精准的模拟计算， ■100 ■200 能够为揭示微观现象机理提供更多的理论依据. ■300 ■00 ■1000 2夹杂物界面去除的实验研究 2.1水模拟实验研究 -0.6 -0.4-0.200.20.4 0.6 与流体力学模型CD相似，水模型实验也是 Distance from outside radius center/m 可以较好揭示高温钢液流动行为的方法之一，在 图3板坯结品器内夹杂物运动DPM方法模拟结果四 Fig.3 Simulation of the inclusion motion in a slab mold using the DPM 夹杂物去除领域，同样分为宏观水模型和微观水 method 模型实验两种.宏观模型是指利用水一油等两相体

1.2    流体力学（CFD）模型 夹杂物穿越钢−渣界面的过程，是夹杂物−熔 渣−钢液三相相互作用的过程，该过程涉及液− 液和固−液的相互作用，其本身是一个以流体动力 学为主的过程，因此很多研究尝试利用流体动力 学原理来研究这个过程. 虽然夹杂物通过钢−渣界面分离去除是一个 微观过程，但受限于早期模型完成度与计算能力， 夹杂物去除的宏观尺度模型早于微观模型得到了 发展. 夹杂物的宏观模型是指利用 CFD 建模方法 模拟研究宏观尺度的冶金容器中夹杂物的不同运 动状态，如 LF 精炼炉[14−15]、RH 精炼炉[16]、连铸中 间包[17−18] 和结晶器[19] 等各类冶金容器中夹杂物的 运动轨迹和去除过程的模型. 相对于宏观的冶金 容器，夹杂物尺寸较小，在宏观的流场模拟中，如 何模拟处理夹杂物的运动，一直是宏观模型研究 的重点. 通常有离散相模型（DPM） [20] 和群体平衡 模型（PBM） [21] 两种处理方法，前者将每个夹杂物 视为流体中的分散相，采用与受力模型中相同的 经验公式来预测夹杂物运动轨迹，并非从原理出 发进行运动追踪，计算结果如图 3 所示；而 PBM 方法则关注夹杂物群体行为，对于夹杂物间的碰 撞、聚合等行为能够较好地拟合，但完全忽略了个 体的运动行为. 宏观模型中关于夹杂物的模拟结 果更依赖于微观经验公式的正确与否[22] ，虽然受 力分析模型已经周全考虑各种力及其动态变化， 但目前大部分 CFD 模拟研究所用的经验公式及模 型并未做相应更新. 相反地，宏观的流动也会受到 流体中异相粒子的反作用，尤其是微小气泡这类 异相粒子，对钢液流动有较大影响. 因此，更需要 进一步研究细化流体与异相粒子间的相互作用规 律，为宏观模型的改进提供新的依据. Distance from outside radius center/m Size/μm 10 20 50 100 200 300 500 Distance below meniscus/m 1000 0 −1 −2 −3 −4 −5 −6 −7 −8 −9 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 图 3    板坯结晶器内夹杂物运动 DPM 方法模拟结果[20] Fig.3    Simulation of the inclusion motion in a slab mold using the DPM method[20] 微观模型是指模拟区域大小与夹杂物尺度相 近的模型. 在钢液的冶炼温度下，根据夹杂物的相 态，通常可分为固态和液态夹杂物两类：固态夹杂 物，如氧化铝、镁铝尖晶石夹杂等；液态夹杂物，如 低熔点的钙铝酸盐类夹杂和硫化锰夹杂等. 不同 相态的夹杂物不仅是熔点高低的差异，其在钢−渣 体系中的运动行为也有着显著差异. 液态夹杂物 在钢−渣体系中的运动行为是一个只涉及流体的 三相流问题，而固态夹杂物则是钢−渣两相流与固 体间相互作用的问题. 研究多相流的方法有拉格 朗日法和欧拉法两类，DPM 模型即为典型的朗格 朗日法，流体体积模型（VOF）则为典型的欧拉法. Duan 等[23] 利用 DPM 法研究了钢液中固态夹杂物 与气泡碰撞的微观过程，认为该过程是一个两相 流中异相粒子运动的过程，但研究中为了简化计 算，将气泡−钢液界面假设为固定边界，无法准确 还原夹杂物运动轨迹. 陈开来等[24] 利用 VOF 模型 模拟了钢液中两个液态夹杂物润湿、聚合的过程. 由于液−液界面厚度与网格密度直接相关[25] ，VOF 方法在微观层面精确追踪液−液界面计算负担巨 大，一般较少应用，目前普遍采用相场多相流法来 模拟微观的多相流行为. Xuan 等[26] 利用相场法模 拟了钢液中液态夹杂物对固态夹杂物润湿的两相 流过程，但此研究中固态夹杂物设置为气泡−钢液 两相流的固定边界条件，因此模型并未包含流体 与固体间的相互作用行为. Liu 等[27] 利用相场模 型研究了钢−渣体系中气泡的上浮−穿越行为，较 高精度地实现了对微观三相流过程的模拟，模拟 效果如图 4 所示，后又在相场多相流的基础上，添 加流体−固体相互作用模块，成功模拟了固态夹杂 物在钢−渣体系中的运动行为[28] ，但该模型目前能 模拟的夹杂物尺寸下限为 10 μm，而实际的钢液中 1 μm 左右的小尺寸夹杂物行为模拟还难以实现. 钢−渣两相体系中的微观现象 CFD 模型研究并 不多，很多研究只是进行了初步的尝试. 但随着相场 多相流、流体−固体相互作用等模型的开发应用，钢− 渣体系中的微观现象会得到更为精准的模拟计算， 能够为揭示微观现象机理提供更多的理论依据. 2    夹杂物界面去除的实验研究 2.1    水模拟实验研究 与流体力学模型 CFD 相似，水模型实验也是 可以较好揭示高温钢液流动行为的方法之一，在 夹杂物去除领域，同样分为宏观水模型和微观水 模型实验两种. 宏观模型是指利用水−油等两相体 · 1650 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期