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 Sridharm 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 thinfilm 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
刘威等：钢-渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 1651· 水模拟实验能够帮助理解、研究夹杂物通过 钢-渣界面的去除过程，宏观水模型通常认为夹杂 物的去除和宏观钢液流场有关，而微观水模型进 一步探究了夹杂物上浮至钢-渣界面处的分离去 除过程，揭示了界面对夹杂物去除的重要性.但由 于实验条件的限制，即使是微观的水模型，其尺度 依然在1mm以上，远大于实际钢液中1m的尺 度，虽然有利于直观地复现夹杂物穿越界面过程， 但由于尺度的差异，模拟与实际过程仍有出入.因 此微观模型通常只能作为多相流数值模型的一种 验证手段，却很难单独作为一种夹杂物界面去除 的研究手段 2.2高温共聚焦原位观察 高温共聚焦激光扫描显微镜(HT-CSLM),使 得原位观察钢-渣体系的界面现象成为可能8川， 图4相场多相流模拟与水模实验结果对比P 为界面行为的研究提供了便利.Misra等在实验 Fig.4 Comparison of the phase field model simulation and water model experimenten 中使用50%Ca0-50%Al203(质量百分数)的炉渣， 采用高温共聚焦显微镜原位观察了1530℃下的 系，模拟大型冶金容器内的钢一渣两相流动，并利 Si-Mn脱氧钢中夹杂物在钢-渣界面的运动情况， 用高分子颗粒等物质模拟流动过程中大量的夹杂 如图6所示.Coletti等)在高温共聚焦显微镜下 物，研究其运动与上浮行为29圳，通常对出口处夹 观察时发现，钙铝酸盐类夹杂物在钢渣界面的分 杂物残余量进行统计，从而确定夹杂物上浮去除 离过程中，随着夹杂物与渣相间化学反应的进行， 率.微观水模型则聚焦在界面处局部，研究单个或 液态夹杂物逐渐变为不规则的高氧化铝夹杂物 者多个夹杂物在两相体系中的运动行为，通常采 Wikstrom等-利用高温共聚焦显微镜，观察了 用空心氧化铝圆球来模拟夹杂物，图5为微观 钙铝酸盐类液态夹杂物在钢渣界面的聚合碰撞行 水模型实验中利用高速摄像仪拍下的典型界面现 为，如图7所示，球形夹杂物S和P向O移动，并 象.宏观与微观水模型实验研究都是基于相似原 理)，但宏观模型通常以钢液的流动为研究主体， 结合成为新的大尺寸夹杂物.此外，高温共聚焦还 用来研究高温下夹杂物在渣中的溶解啊和钢中夹 而微观模型更关注界面的波动变形以及夹杂物的 杂物在钢液-氩气界面上的运动行为7 穿越行为，除常见的几何相似、动力相似之外，还 要求界面相似（毛细长度相等或相近）Bs-河在流 体力学中，毛细长度是液-液界面的特征长度，由 重力加速度和界面张力决定，定义式为公式(1). a=吸 (1) 其中，σ表示液-液界面的界面张力，Nm;p表示 133.1m 流体密度，kgm3;g表示重力加速度，N-kg 图6高温共聚焦显微镜原位观察钢-渣界面处的夹杂物四 Fig.6 In-situ observation of the inclusion at the steel-slag interface with HT-CSLMH 通过使用高温共聚焦显微镜，首次实现了对 夹杂物在钢-渣界面动、静态现象的原位观察，推 动了对于钢液-渣相-夹杂物-气相四相体系相互 =0.12s =0.15s =043s 作用行为的认识，为揭示夹杂物穿过钢-渣界面的 图5水模型中空心氧化铝小球与水-油界面相互作用过程两 Fig.5 Interaction between the water-oil interface and hollow alumina 行为规律提供了真实、准确的依据.但由于显微 sphere of the water modell4 镜本身的俯拍特性，只能由自上而下的视角观察
系，模拟大型冶金容器内的钢−渣两相流动，并利 用高分子颗粒等物质模拟流动过程中大量的夹杂 物，研究其运动与上浮行为[29–33] ，通常对出口处夹 杂物残余量进行统计，从而确定夹杂物上浮去除 率. 微观水模型则聚焦在界面处局部，研究单个或 者多个夹杂物在两相体系中的运动行为，通常采 用空心氧化铝圆球来模拟夹杂物[34] ，图 5 为微观 水模型实验中利用高速摄像仪拍下的典型界面现 象. 宏观与微观水模型实验研究都是基于相似原 理[35] ，但宏观模型通常以钢液的流动为研究主体， 而微观模型更关注界面的波动变形以及夹杂物的 穿越行为，除常见的几何相似、动力相似之外，还 要求界面相似（毛细长度相等或相近）[35–37] . 在流 体力学中，毛细长度是液−液界面的特征长度，由 重力加速度和界面张力决定，定义式为公式（1）. λ = √ σ ρg （1） 其中， σ表示液−液界面的界面张力，N·m ρ −1 ； 表示 流体密度，kg·m−3 ；g 表示重力加速度， N·kg−1 . t=0 s t=0.12 s t=0.15 s t=0.43 s 图 5 水模型中空心氧化铝小球与水−油界面相互作用过程[34] Fig.5 Interaction between the water –oil interface and hollow alumina sphere of the water model[34] 水模拟实验能够帮助理解、研究夹杂物通过 钢−渣界面的去除过程，宏观水模型通常认为夹杂 物的去除和宏观钢液流场有关，而微观水模型进 一步探究了夹杂物上浮至钢−渣界面处的分离去 除过程，揭示了界面对夹杂物去除的重要性. 但由 于实验条件的限制，即使是微观的水模型，其尺度 依然在 1 mm 以上，远大于实际钢液中 1 μm 的尺 度，虽然有利于直观地复现夹杂物穿越界面过程， 但由于尺度的差异，模拟与实际过程仍有出入. 因 此微观模型通常只能作为多相流数值模型的一种 验证手段，却很难单独作为一种夹杂物界面去除 的研究手段. 2.2 高温共聚焦原位观察 高温共聚焦激光扫描显微镜（HT−CSLM），使 得原位观察钢−渣体系的界面现象成为可能[38–41] ， 为界面行为的研究提供了便利. Misra 等[42] 在实验 中使用 50%CaO−50%Al2O3 （质量百分数）的炉渣， 采用高温共聚焦显微镜原位观察了 1530 ℃ 下的 Si−Mn 脱氧钢中夹杂物在钢−渣界面的运动情况， 如图 6 所示. Coletti 等[43] 在高温共聚焦显微镜下 观察时发现，钙铝酸盐类夹杂物在钢渣界面的分 离过程中，随着夹杂物与渣相间化学反应的进行， 液态夹杂物逐渐变为不规则的高氧化铝夹杂物. Wikström 等[44−45] 利用高温共聚焦显微镜，观察了 钙铝酸盐类液态夹杂物在钢渣界面的聚合碰撞行 为，如图 7 所示，球形夹杂物 S 和 P 向 O 移动，并 结合成为新的大尺寸夹杂物. 此外，高温共聚焦还 用来研究高温下夹杂物在渣中的溶解[46] 和钢中夹 杂物在钢液−氩气界面上的运动行为[47] . 133.1 μm 图 6 高温共聚焦显微镜原位观察钢−渣界面处的夹杂物[42] Fig.6 In-situ observation of the inclusion at the steel−slag interface with HT−CSLM[42] 通过使用高温共聚焦显微镜，首次实现了对 夹杂物在钢−渣界面动、静态现象的原位观察，推 动了对于钢液−渣相−夹杂物−气相四相体系相互 作用行为的认识，为揭示夹杂物穿过钢−渣界面的 行为规律提供了真实、准确的依据. 但由于显微 镜本身的俯拍特性，只能由自上而下的视角观察 图 4 相场多相流模拟与水模实验结果对比[27] Fig.4 Comparison of the phase field model simulation and water model experiment[27] 刘 威等： 钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 · 1651 ·
·1652 工程科学学报.第43卷，第12期 16.7s Solid 20.5 s Solid 0 S Liquid Solid Liquid Solid ⊙ Q SO P 60.9m 60.9m 21.46s Solid ⊙ 21.57s Solid S→w Solid P O+P+S Q Liquid Q Liquid 60.9μm 60.9wm 图7高温共聚焦显微镜观察到钢-渣界面处的夹杂物聚合4 Fig7siobservation of inclusion aggregation at the steel-slag interface with HT-CSLM 夹杂物运动，无法提供最为重要的与夹杂物运动 化范围较大，很难确定夹杂物物性参数变化对其 方向垂直的侧视视场，对于理解掌握夹杂物界面 界面去除的影响.但总的来说，夹杂物尺寸越大越 去除机理的作用有限.另外由于不同渣系透明性 容易去除，密度越大越容易去除，与熔渣间润湿性 的差异，原位观察效果受限，不能观察含有氧化亚 越好越容易去除 铁等成分的非透明渣系，故该方法可研究的主体 3.1.2熔渣物性参数对界面去除的影响 与范围有限 三相的物性中一般可调整的是熔渣特性，尤 其是渣的黏度和表面张力系数.有研究9基于受 3夹杂物界面去除因素分析及应用 力分析模型，研究了物性参数变化对尺寸为20m 3.1夹杂物界面去除因素 的液态钙铝酸盐夹杂物去除的影响，如图8所示， 基于数值模拟、水模型实验和原位观察等手 可见熔渣与其它两相间界面张力的影响最大，尤 段，学界对于钢-渣界面夹杂物的去除产生了一系 其是钢液-夹杂物间界面张力(a)、钢液-熔渣间 列新的认识，尤其是各种物性对夹杂物去除过程 界面张力(oS)对夹杂物在界面以上最大位移的 的影响.影响夹杂物界面去除因素主要有：(1)夹 影响最为显著，而三相各自的黏度、密度等对夹杂 杂物特性，包括自身尺寸和密度；(2)钢液黏度和 物去除的影响较弱.熔渣与其它两相间的界面张 密度；(3)熔渣密度和黏度：(4)界面张力和三相两 力由三相各自的表面张力决定，钢液和夹杂物的 两之间的界面特性.通常钢液成分物性较为稳定， 表面张力不变时，便只由熔渣的表面张力决定.也 精炼、连铸时变化不大，对夹杂物去除影响较小， 有研究可基于受力分析模型，对比了精炼、中间包 而夹杂物自身和熔渣的物性对其影响显著，通过 和结晶器中的三类熔渣对固态氧化铝夹杂物从界 调整渣成分从而改变熔渣的相关物性，优化夹杂 面分离和在渣中溶解的影响，认为熔渣的黏度是 物去除的制约条件，是指导洁净钢治炼工艺优化 最主要的影响因素.总的来说，熔渣的黏度越小， 的思路之一 与夹杂物间润湿性越好，夹杂物越容易被去除.无 3.11夹杂物物性参数对界面去除的影响 论是渣黏度还是渣表面张力，皆取决于熔渣的成 CFD模型I模拟的结果表明：大尺寸夹杂物 分，因此进行渣系成分优化时，应考虑其对夹杂物 上浮时为湍流状态，此时体积力与界面力共同作 界面去除效果的影响. 用，而小尺寸夹杂物上浮时为层流状态，自身体积 3.13物性参数对夹杂物界面去除影响的综合考量 力与界面力相比微不足道.高温原位观察的实 根据前人研究数值模拟的结果，一些研究B 验则发现夹杂物的类型是决定其能否穿越界面的 总结几类物性参数对夹杂物去除的影响程度，其排 关键因素，由于夹杂物会在界面处停留较长时间， 序为：夹杂物粒径>钢渣黏度>夹杂物润湿性>钢- 在工业过程中，如钢液精炼时则需要考虑夹杂物 渣界面张力>夹杂物密度>钢渣密度>钢液密度>钢 快速穿越界面的能力.由于夹杂物类型、尺寸变 液黏度.这也是优化夹杂物去除时应考虑因素的
夹杂物运动，无法提供最为重要的与夹杂物运动 方向垂直的侧视视场，对于理解掌握夹杂物界面 去除机理的作用有限. 另外由于不同渣系透明性 的差异，原位观察效果受限，不能观察含有氧化亚 铁等成分的非透明渣系，故该方法可研究的主体 与范围有限. 3 夹杂物界面去除因素分析及应用 3.1 夹杂物界面去除因素 基于数值模拟、水模型实验和原位观察等手 段，学界对于钢−渣界面夹杂物的去除产生了一系 列新的认识，尤其是各种物性对夹杂物去除过程 的影响. 影响夹杂物界面去除因素主要有：（1）夹 杂物特性，包括自身尺寸和密度；（2）钢液黏度和 密度；（3）熔渣密度和黏度；（4）界面张力和三相两 两之间的界面特性. 通常钢液成分物性较为稳定， 精炼、连铸时变化不大，对夹杂物去除影响较小， 而夹杂物自身和熔渣的物性对其影响显著，通过 调整渣成分从而改变熔渣的相关物性，优化夹杂 物去除的制约条件，是指导洁净钢冶炼工艺优化 的思路之一. 3.1.1 夹杂物物性参数对界面去除的影响 CFD 模型[28] 模拟的结果表明：大尺寸夹杂物 上浮时为湍流状态，此时体积力与界面力共同作 用，而小尺寸夹杂物上浮时为层流状态，自身体积 力与界面力相比微不足道. 高温原位观察[42] 的实 验则发现夹杂物的类型是决定其能否穿越界面的 关键因素，由于夹杂物会在界面处停留较长时间， 在工业过程中，如钢液精炼时则需要考虑夹杂物 快速穿越界面的能力. 由于夹杂物类型、尺寸变 化范围较大，很难确定夹杂物物性参数变化对其 界面去除的影响. 但总的来说，夹杂物尺寸越大越 容易去除，密度越大越容易去除，与熔渣间润湿性 越好越容易去除. 3.1.2 熔渣物性参数对界面去除的影响 三相的物性中一般可调整的是熔渣特性，尤 其是渣的黏度和表面张力系数. 有研究[9] 基于受 力分析模型，研究了物性参数变化对尺寸为 20 μm 的液态钙铝酸盐夹杂物去除的影响，如图 8 所示， 可见熔渣与其它两相间界面张力的影响最大，尤 其是钢液−夹杂物间界面张力（σMI）、钢液−熔渣间 界面张力（σMS）对夹杂物在界面以上最大位移的 影响最为显著，而三相各自的黏度、密度等对夹杂 物去除的影响较弱. 熔渣与其它两相间的界面张 力由三相各自的表面张力决定，钢液和夹杂物的 表面张力不变时，便只由熔渣的表面张力决定. 也 有研究[7] 基于受力分析模型，对比了精炼、中间包 和结晶器中的三类熔渣对固态氧化铝夹杂物从界 面分离和在渣中溶解的影响，认为熔渣的黏度是 最主要的影响因素. 总的来说，熔渣的黏度越小， 与夹杂物间润湿性越好，夹杂物越容易被去除. 无 论是渣黏度还是渣表面张力，皆取决于熔渣的成 分，因此进行渣系成分优化时，应考虑其对夹杂物 界面去除效果的影响. 3.1.3 物性参数对夹杂物界面去除影响的综合考量 根据前人研究数值模拟的结果，一些研究[35] 总结几类物性参数对夹杂物去除的影响程度，其排 序为：夹杂物粒径>钢渣黏度>夹杂物润湿性>钢− 渣界面张力>夹杂物密度>钢渣密度>钢液密度>钢 液黏度. 这也是优化夹杂物去除时应考虑因素的 16.7 s 20.5 s 21.46 s 21.57 s Solid Solid Solid Solid Solid Solid Liquid Solid Liquid Liquid Liquid O O O S S S P P P Q Q Q Q 60.9 μm 60.9 μm 60.9 μm 60.9 μm O+P+S 图 7 高温共聚焦显微镜观察到钢−渣界面处的夹杂物聚合[44-45] Fig.7 In-situ observation of inclusion aggregation at the steel-slag interface with HT−CSLM[44-45] · 1652 · 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 ·1653 25 0.35 20 d=20μm Remain 0.30 d=100m Oscillate o 01s 0.25 =100un 分0.20 72 0 =20un 0.15 -5 -10 1=100um 0.10 -15 0.05 8。 -20 50%Al,0一50%Ca0 Pass d=20 um -250-30-20-10010203040 Inclusion (mass fraction) -1.0-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81.0 Change of parameter/% oMs-steel-slag interface tension;os-inclusion-slag interface tension; o-Slag Al from Plant 1;us-slag viscosity; oM-steel-inclusion interface tension;d-inclusion diameter: Slag BI from Plant 2;avs-contact angle between -Slag B2 from Plant 2;inclysion,molten steel and slag Pinclusion density:Pmolten steel density:p-slag density: molten steel viscosity:inclusion viscosity:slag viscosity 图9100m和20um的夹杂物界面行为的物性优势区图国 图8物性参数改变对20m的液态50%Al20-50%Ca0(质量百分 Fig.9 Predominance diagram of physical properties of 20 and 100 um 数)夹杂物去除位移的影响四 inclusions'interfacial behaviors4 Fig.8 Effects of physical properties on a 20 um liquid 50%AO,- 等热力学计算软件9或者其他模型5o进行预测； 50%CaO(mass fraction)inclusion's displacement during removal 界面润湿特性，即钢液一熔渣一夹杂物三相间的润 优先级.还有研究基于计算结果认为夹杂物的 湿角，通常需要知道三者的表面张力.熔渣的高温 上浮速度、尺寸、熔渣的表面张力是夹杂物去除 表面张力可采用模型预测川或者高温测试的方法 最重要的3个参数.可见夹杂物去除过程，在不同 来确定，如悬滴法四过去的熔渣优化与夹杂物去 条件下有不同的主导因素，三相体系中任一因素 除的关系，只考虑了黏度的影响，通过近些年来界 的改变，都可能导致影响夹杂物去除的物性排序 面去除过程的研究，大部分学者开始考虑熔渣润 发生改变.在实际洁净钢冶炼过程中，夹杂物类型 湿性对洁净度的影响910阁，这是优化洁净钢冶炼 主要由脱氧方式决定，一般难以调整.而熔渣的物 工艺的一大进步 性由渣系成分决定，改变成分会同时改变熔渣的 但无论何种模型或者方法，最终是要在实际 多项物性和熔渣与其他两相间的润湿性，使渣系 生产中使用，这就需要建立夹杂物界面去除和熔 优化情况变得复杂，增加了渣系成分设计难度. 渣成分的直接关系，建立受力分析模型、C℉D模 3.2夹杂物界面去除应用研究 型、物性参数模型等之间的关联模型，降低应用难 假设夹杂物种类已知，钢液成分无波动，基于 度，扩展应用场景 受力分析模型进行参数分析可知，只有与熔渣相 4结论与展望 关的物性会发生改变，才会对夹杂物的去除产生 影响.许多研究给出了最佳的熔渣黏度、三相界 钢一渣界面非金属夹杂物运动行为关系到夹 面润湿角等参数，但在实际生产中，无法直接同时 杂物的去除过程与效率，近些年来基于动、静态受 考虑.采用物性优势区图（图9）⑧4⑧来综合判断渣 力分析模型、C℉D模型以及水模型和原位观察等 黏度和三相润湿角对夹杂物界面行为的影响，能 各种手段展开了一系列研究，揭示了钢中夹杂物 够同时考虑熔渣的流动特性和界面特性，是一种 去除过程，为优化精炼工艺与渣系成分提供了新 较好的判断夹杂物去除行为的方法、该方法能够 的思路.本文对夹杂物界面行为研究的总结与展 用来判断固态、液态夹杂物在不同的熔渣物性条 望如下： 件下，如中间包覆盖剂等©类型的渣系对夹杂物 (1)基于动态受力分析的夹杂物钢-渣界面去 去除的影响. 除模型，能够快速地对夹杂物去除行为进行定性、 虽然物性优势区图为判断有利于去除夹杂物 半定量的分析，能够为洁净钢冶炼工艺优化提供 的熔渣特性带来了便利.但在实际使用时.熔渣黏 参考 度和界面特性并非相互独立的，它们都与熔渣的 (2)应用相场多相流、流体-固体相互作用模 成分相关.若已知熔渣成分，黏度可采用FactSage 型，固、液态夹杂物在钢-渣体系中的运动行为得
优先级. 还有研究[3] 基于计算结果认为夹杂物的 上浮速度、尺寸、熔渣的表面张力是夹杂物去除 最重要的 3 个参数. 可见夹杂物去除过程，在不同 条件下有不同的主导因素，三相体系中任一因素 的改变，都可能导致影响夹杂物去除的物性排序 发生改变. 在实际洁净钢冶炼过程中，夹杂物类型 主要由脱氧方式决定，一般难以调整. 而熔渣的物 性由渣系成分决定，改变成分会同时改变熔渣的 多项物性和熔渣与其他两相间的润湿性，使渣系 优化情况变得复杂，增加了渣系成分设计难度. 3.2 夹杂物界面去除应用研究 假设夹杂物种类已知，钢液成分无波动，基于 受力分析模型进行参数分析可知，只有与熔渣相 关的物性会发生改变，才会对夹杂物的去除产生 影响. 许多研究给出了最佳的熔渣黏度、三相界 面润湿角等参数，但在实际生产中，无法直接同时 考虑. 采用物性优势区图（图 9） [9, 48] 来综合判断渣 黏度和三相润湿角对夹杂物界面行为的影响，能 够同时考虑熔渣的流动特性和界面特性，是一种 较好的判断夹杂物去除行为的方法. 该方法能够 用来判断固态、液态夹杂物在不同的熔渣物性条 件下，如中间包覆盖剂等[10] 类型的渣系对夹杂物 去除的影响. 虽然物性优势区图为判断有利于去除夹杂物 的熔渣特性带来了便利，但在实际使用时，熔渣黏 度和界面特性并非相互独立的，它们都与熔渣的 成分相关. 若已知熔渣成分，黏度可采用 FactSage 等热力学计算软件[49] 或者其他模型[50] 进行预测； 界面润湿特性，即钢液−熔渣−夹杂物三相间的润 湿角，通常需要知道三者的表面张力. 熔渣的高温 表面张力可采用模型预测[51] 或者高温测试的方法 来确定，如悬滴法[52] . 过去的熔渣优化与夹杂物去 除的关系，只考虑了黏度的影响，通过近些年来界 面去除过程的研究，大部分学者开始考虑熔渣润 湿性对洁净度的影响[9, 10, 48] ，这是优化洁净钢冶炼 工艺的一大进步. 但无论何种模型或者方法，最终是要在实际 生产中使用，这就需要建立夹杂物界面去除和熔 渣成分的直接关系，建立受力分析模型、CFD 模 型、物性参数模型等之间的关联模型，降低应用难 度，扩展应用场景. 4 结论与展望 钢−渣界面非金属夹杂物运动行为关系到夹 杂物的去除过程与效率，近些年来基于动、静态受 力分析模型、CFD 模型以及水模型和原位观察等 各种手段展开了一系列研究，揭示了钢中夹杂物 去除过程，为优化精炼工艺与渣系成分提供了新 的思路. 本文对夹杂物界面行为研究的总结与展 望如下： （1）基于动态受力分析的夹杂物钢-渣界面去 除模型，能够快速地对夹杂物去除行为进行定性、 半定量的分析，能够为洁净钢冶炼工艺优化提供 参考. （2）应用相场多相流、流体−固体相互作用模 型，固、液态夹杂物在钢−渣体系中的运动行为得 25 20 15 10 5 0 −5 −10 −15 −20 −25 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 Δ Z/% σMS dI=20 μm σMI σIS μS Change of parameter/% ρI , ρM, ρS , μM, μI σMS—steel−slag interface tension；σIS—inclusion−slag interface tension； σMI—steel−inclusion interface tension；dI—inclusion diameter； ρI—inclusion density；ρM—molten steel density；ρS—slag density； μM—molten steel viscosity；μI—inclusion viscosity；μS—slag viscosity 图 8 物性参数改变对 20 μm 的液态 50%Al2O3–50%CaO (质量百分 数) 夹杂物去除位移的影响[9] Fig.8 Effects of physical properties on a 20 μm liquid 50%Al2O3– 50%CaO (mass fraction) inclusion’s displacement during removal[9] Oscillate dI=100 μm Oscillate dI=20 μm Remain dI=100 μm Remain dI=20 μm Pass dI=100 μm Pass dI=20 μm 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 μS/(Pa·s) B2 B1 A1 −1.0 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 cosθIMS 50%Al2O3—50%CaO Inclusion (mass fraction) o—Slag A1 from Plant 1; μS—slag viscosity; —Slag B1 from Plant 2; θIMS—contact angle between —Slag B2 from Plant 2; inclysion, molten steel and slag o 图 9 100 μm 和 20 μm 的夹杂物界面行为的物性优势区图[9, 48] Fig.9 Predominance diagram of physical properties of 20 and 100 μm inclusions’ interfacial behaviors [9, 48] 刘 威等： 钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 · 1653 ·
.1654 工程科学学报，第43卷，第12期 到了较好的模拟，随着计算能力和模型方法的进 [13]Liu W,Yang S F,Li J S.Calculation of static suspension depth 步，模拟结果将更为准确. and meniscus shape of a solid spherical inclusion at the steel-slag (3)目前采用的水模型、原位观察等方法，可 interface.Metall Mater Trans B,2020,51(2):422 [14]Soder M,Jonsson P,Jonsson L.Inclusion growth and removal in 以间接揭示夹杂物在钢-渣界面的运动行为，但由 gas-stirred ladles.Steel Res Int,2004,75(2):128 于尺度、可视角度等限制，还需要更先进的方法来 [15]Zhu M Y,Zheng S G,Huang ZZ,et al.Numerical simulation of 进一步还原夹杂物界面行为 nonmetallic inclusions behaviour in gas-stirred ladles.Steel Res (4)目前已有的受力分析模型、流体力学模型、 m,2005,76(10):718 原位观察实验以及水模型实验等表明，界面分离 [16]Miki Y,Thomas B G,Denissov A,et al.Model of inclusion 是夹杂物去除过程中的关键环节，主要受到夹杂 removal during RH degassing of steel.Iron Steelmaker,1997, 物和熔渣两者物性参数影响，但目前物性参数与 24(8):31 界面分离两个环节的关联性尚未完全建立，随着 [17]Miki Y,Thomas B G.Modeling of inclusion removal in a tundish. Metall Mater Trans B.1999,30(4):639 物性预测模型与界面运动模型的完善，有望进 [18]Wang L T,Zhang Q Y,Deng C H,et al.Mathematical model for 步揭示工艺参数对夹杂物去除过程的影响机理. removal of inclusion in molten steel by injecting gas at ladle shroud.SJ1m,2005,45(8):1138 参考文献 [19]Thomas B G,Zhang L F.Mathematical modeling of iron and steel [1]Nakajima K.Okamura K.Inclusion transfer behavior across making processes.mathematical modeling of fluid flow in molten steel-slag interface /The 4th International Conference on continuous casting./S///nt,2001,41(10):1181 Molten Slags and Fluxes.Sendai,1992:505 [20]Cho S M,Thomas B G,Hwang J Y,et al.Modeling of inclusion [2]Liu C,Yang S F,Li J S,et al.Motion behavior of nonmetallic capture in a steel slab caster with vertical section and bending. inclusions at the interface of steel and slag.part I:Model Metals,.2021,11(4):654 development,validation,and preliminary analysis.Metall Mater [21]Geng D Q,Zheng J X,Wang K,et al.Simulation on TasB,2016,47(3):1882 decarburization and inclusion removal process in the ruhrstahl- [3] Xuan C J,Persson E S,Sevastopolev R,et al.Motion and heraeus (RH)process with ladle bottom blowing.Metall Mater detachment behaviors of liquid inclusion at molten steel-slag TasB,2015,46(3:1484 interfaces.Metall Mater Trans B,2019,50(4):1957 [22]Chattopadhyay K,Isac M,Guthrie R I L.Considerations in using [4]Liu W,Yang S F,Li J S,et al.Numerical model of inclusion the discrete phase model (DPM).Steel Res Int,2011,82(11):1287 separation from liquid metal with consideration of dissolution in [23]Duan H J.Ren Y,Zhang L F.Inclusion capture probability slag.J Iron Steel Res Int,2019,26(11):1147 prediction model for bubble floatation in turbulent steel flow [5] Yang S F,Liu W,Li J S.Motion of solid particles at molten Metall Mater Trans B,2019,50(1):16 metal-liquid slag interface.JOM,2015,67(12):2993 [24]Chen K L,Wang D Y,Qu T P,et al.Physical and numerical [6] Bouris D,Bergeles G.Investigation of inclusion re-entrainment simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in from the steel-slag interface.Metall Mater Trans B,1998,29(3): molten steel.Chin J Eng,2019,41(10):1280 641 (陈开来，王德永，屈天鹏，等.钢中液态夹杂物聚并行为的数学 [7]Shannon G N.Sridhar S.Modeling Al,O,inclusion separation 物理模拟.工程科学学报，2019,41(10)：1280) across steel-slag interfaces.Scand J Metall,2005,34(6):353 [25]Xu Y G,Ersson M,Jonsson P.Numerical simulation of single [8]Valdez M,Shannon G S,Sridhar S.The ability of slags to absorb argon bubble rising in molten metal under a laminar flow.Steel solid oxide inclusions./S//Int,2006,46(3):450 Res Int,2015,86(11):1289 [9]Strandh J,Nakajima K,Eriksson R,et al.A mathematical model to [26]Xuan C J,Persson E S,Jensen J,et al.A novel evolution study liquid inclusion behavior at the steel-slag interface.ISI/Int, mechanism of Mg-Al-oxides in liquid steel:Integration of 2005,45(12):1838 chemical reaction and coalescence-collision.J Alloys Compd, [10]Strandh J,Nakajima K,Eriksson R,et al.Solid inclusion transfer 2020,812:152149 at a steel-slag interface with focus on tundish conditions.ISI/Int. [27]Liu W,Yang S F,Li J S,et al.Numerical simulation of the three- 2005,45(11):1597 phase flow of a bubble interacting with the steel-slag interface [11]Shannon G,White L,Sridhar S.Modeling inclusion approach to during the secondary refining process.Metall Mater Trans B. the steel/slag interface.Mater Sci Eng A,2008,495(1-2):310 2019,50(4):1542 [12]Yang S F,Li J S,Liu C,et al.Motion behavior of nonmetal [28]Liu W,Liu J,Zhao H X,et al.CFD modeling of solid inclusion inclusions at the interface of steel and slag.part II:Model motion and separation from liquid steel to molten slag.Metall application and discussion.Metall Mater Trans B,2014,45(6): Mater Trans B,2021,52(4):2430 2453 [29]Huang A,Wang HZ,Gu HZ,et al.A study on water modeling of
到了较好的模拟，随着计算能力和模型方法的进 步，模拟结果将更为准确. （3）目前采用的水模型、原位观察等方法，可 以间接揭示夹杂物在钢−渣界面的运动行为，但由 于尺度、可视角度等限制，还需要更先进的方法来 进一步还原夹杂物界面行为. （4）目前已有的受力分析模型、流体力学模型、 原位观察实验以及水模型实验等表明，界面分离 是夹杂物去除过程中的关键环节，主要受到夹杂 物和熔渣两者物性参数影响，但目前物性参数与 界面分离两个环节的关联性尚未完全建立，随着 物性预测模型与界面运动模型的完善，有望进一 步揭示工艺参数对夹杂物去除过程的影响机理. 参 考 文 献 Nakajima K, Okamura K. Inclusion transfer behavior across molten steel–slag interface // The 4th International Conference on Molten Slags and Fluxes. Sendai, 1992: 505 [1] Liu C, Yang S F, Li J S, et al. Motion behavior of nonmetallic inclusions at the interface of steel and slag. part I: Model development, validation, and preliminary analysis. Metall Mater Trans B, 2016, 47（3）: 1882 [2] Xuan C J, Persson E S, Sevastopolev R, et al. Motion and detachment behaviors of liquid inclusion at molten steel−slag interfaces. Metall Mater Trans B, 2019, 50（4）: 1957 [3] Liu W, Yang S F, Li J S, et al. Numerical model of inclusion separation from liquid metal with consideration of dissolution in slag. J Iron Steel Res Int, 2019, 26（11）: 1147 [4] Yang S F, Liu W, Li J S. Motion of solid particles at molten metal−liquid slag interface. JOM, 2015, 67（12）: 2993 [5] Bouris D, Bergeles G. Investigation of inclusion re-entrainment from the steel−slag interface. Metall Mater Trans B, 1998, 29（3）: 641 [6] Shannon G N, Sridhar S. Modeling Al2O3 inclusion separation across steel−slag interfaces. Scand J Metall, 2005, 34（6）: 353 [7] Valdez M, Shannon G S, Sridhar S. The ability of slags to absorb solid oxide inclusions. ISIJ Int, 2006, 46（3）: 450 [8] Strandh J, Nakajima K, Eriksson R, et al. A mathematical model to study liquid inclusion behavior at the steel−slag interface. ISIJ Int, 2005, 45（12）: 1838 [9] Strandh J, Nakajima K, Eriksson R, et al. Solid inclusion transfer at a steel−slag interface with focus on tundish conditions. ISIJ Int, 2005, 45（11）: 1597 [10] Shannon G, White L, Sridhar S. Modeling inclusion approach to the steel/slag interface. Mater Sci Eng A, 2008, 495（1-2）: 310 [11] Yang S F, Li J S, Liu C, et al. Motion behavior of nonmetal inclusions at the interface of steel and slag. part II:Model application and discussion. Metall Mater Trans B, 2014, 45（6）: 2453 [12] Liu W, Yang S F, Li J S. Calculation of static suspension depth and meniscus shape of a solid spherical inclusion at the steel−slag interface. Metall Mater Trans B, 2020, 51（2）: 422 [13] Söder M, Jönsson P, Jonsson L. Inclusion growth and removal in gas-stirred ladles. Steel Res Int, 2004, 75（2）: 128 [14] Zhu M Y, Zheng S G, Huang Z Z, et al. Numerical simulation of nonmetallic inclusions behaviour in gas-stirred ladles. Steel Res Int, 2005, 76（10）: 718 [15] Miki Y, Thomas B G, Denissov A, et al. Model of inclusion removal during RH degassing of steel. Iron Steelmaker, 1997, 24（8）: 31 [16] Miki Y, Thomas B G. Modeling of inclusion removal in a tundish. Metall Mater Trans B, 1999, 30（4）: 639 [17] Wang L T, Zhang Q Y, Deng C H, et al. Mathematical model for removal of inclusion in molten steel by injecting gas at ladle shroud. ISIJ Int, 2005, 45（8）: 1138 [18] Thomas B G, Zhang L F. Mathematical modeling of iron and steel making processes. mathematical modeling of fluid flow in continuous casting. ISIJ Int, 2001, 41（10）: 1181 [19] Cho S M, Thomas B G, Hwang J Y, et al. Modeling of inclusion capture in a steel slab caster with vertical section and bending. Metals, 2021, 11（4）: 654 [20] Geng D Q, Zheng J X, Wang K, et al. Simulation on decarburization and inclusion removal process in the ruhrstahlheraeus (RH) process with ladle bottom blowing. Metall Mater Trans B, 2015, 46（3）: 1484 [21] Chattopadhyay K, Isac M, Guthrie R I L. Considerations in using the discrete phase model (DPM). Steel Res Int, 2011, 82（11）: 1287 [22] Duan H J, Ren Y, Zhang L F. Inclusion capture probability prediction model for bubble floatation in turbulent steel flow. Metall Mater Trans B, 2019, 50（1）: 16 [23] Chen K L, Wang D Y, Qu T P, et al. Physical and numerical simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in molten steel. Chin J Eng, 2019, 41（10）: 1280 （陈开来, 王德永, 屈天鹏, 等. 钢中液态夹杂物聚并行为的数学 物理模拟. 工程科学学报, 2019, 41（10）：1280） [24] Xu Y G, Ersson M, Jönsson P. Numerical simulation of single argon bubble rising in molten metal under a laminar flow. Steel Res Int, 2015, 86（11）: 1289 [25] Xuan C J, Persson E S, Jensen J, et al. A novel evolution mechanism of Mg−Al−oxides in liquid steel: Integration of chemical reaction and coalescence-collision. J Alloys Compd, 2020, 812: 152149 [26] Liu W, Yang S F, Li J S, et al. Numerical simulation of the threephase flow of a bubble interacting with the steel−slag interface during the secondary refining process. Metall Mater Trans B, 2019, 50（4）: 1542 [27] Liu W, Liu J, Zhao H X, et al. CFD modeling of solid inclusion motion and separation from liquid steel to molten slag. Metall Mater Trans B, 2021, 52（4）: 2430 [28] [29] Huang A, Wang H Z, Gu H Z, et al. A study on water modeling of · 1654 · 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 ·1655· inclusion removal in tundish with gas curtain.Special Steel,2009, manganese-silicon killed steels at steel-gas and steel-slag 30(1):7 interfaces.ISLJ Int,2004,44(1):1 (黄奥，汪厚植，顾华志，等.气幕挡墙中间包夹杂物去除的水模 [40]Liu J.Guo M.Jones PT,et al.In situ observation of the direct and 型研究.特殊钢，2009,30(1)：7) indirect dissolution of Mgo particles in CaO-Al,O-SiO,-based [30]Ni B,Luo Z G,Di Z X,et al.Experimental study on inclusion slags.J Eur Ceram Soc,2007,27(4):1961 removal in slab continuous casting mold by water modeling [41]Kimura S,Nabeshima Y,Nakajima K,et al.Behavior of Continuous Cast,2009,34(1):1 nonmetallic inclusions in front of the solid-liquid interface in low- (倪冰，罗志国，狄瞻霞，等.板坯连铸结品器内夹杂物去除的水 carbon steels.Metall Mater Trans B,2000,31(5):1013 模实验研究.连铸，2009,34(1)：1) [42]Misra P,Chevrier V,Sridhar S,et al.In situ observations of [31]Chen X Y,Cao L,Hu J D.et al.Study on water modeling for inclusions at the (Mn,Si)-killed steel/CaO-Al,O interface.Metall mixing trait and inclusion removing of LF.Iron Steel,2009, Mater Trans B,2000,31(5:1135 44(12):27 [43]Coletti B,Blanpain B,Vantilt S,et al.Observation of calcium (陈向阳，曹磊，胡建东，等.LF精炼炉混合特性及夹杂物去除的 aluminate inclusions at interfaces between Ca-treated,Al-killed 水模型研究.钢铁，2009,44(12)：27) steels and slags.Metall Mater Trans B,2003,34(5):533 [32]Cho J S,Lee H G.Cold model study on inclusion removal from [44]Wikstrom J,Nakajima K,Shibata H,et al.In situ studies of the liquid steel using fine gas bubbles.IS//Int,2001,41(2):151 agglomeration phenomena for calcium-alumina inclusions at liquid [33]Nakaoka T,Taniguchi S,Matsumoto K,et al.Particle-size- steel-liquid slag interface and in the slag.Mater Sci Eng:4,2008, grouping method of Inclusion agglomeration and its application to 495(1-2):316 water model experiments./S///nt,2001,41(10):1103 [45]Wikstrom J,Nakajima K,Shibata H,et al.In situ studies of [34]Zhou Y L,Deng Z Y,Zhu M Y.Separation mechanism of agglomeration between Al2O3-Cao inclusions at metal/gas, solid/liquid inclusions transfer at steel-slag interface.Chin metal/slag interfaces and in slag.Ironmak Steelmaker,2008, Process Eng,2018,18(1):96 35(8):589 (周业连，邓志银，朱苗勇.固/液态夹杂物穿过钢渣界面的分离 [46]Liu J H,Verhaeghe F,Guo M X,et al.In situ observation of the 机理.过程工程学报，2018,18(1)：96) dissolution of spherical alumina particles in CaO-AlO;-SiOz [35]Yang H B.Study on Moving Behavior of Inclusion during Process melts.JAm Ceram Soc,2007,90(12):3818 of Passing Steel-Slag Interface [Dissertation].Beijing:University [47]Yin H B,Shibata H,Emi T,et al."in-situ"observation of colli- of Science and Technology Beijing,2015 (杨宏博.夹杂物穿越钢渣界面过程运动行为研究[学位论文】 sion,agglomeration and cluster formation of alumina inclusion 北京：北京科技大学，2015) particles on steel melts./S//Int,1997,37(10):936 [36]Liu C,Li J S,Sun L Y,et al.Influence of floatation velocity on [48]Wikstrom J,Nakajima K,Jonsson L,et al.Application of a model removal of inclusions at steel-slag interface.Special Steel,2014, for liquid inclusion separation at a steel-slag interface for 35(5):5 laboratory and industrial situations.Steel Res Int,2008,79(11): (刘超，李京社，孙丽媛，等.上浮速度对钢渣界面夹杂物去除的 826 影响.特殊钢，2014,35(5)：5) [49]Rocha V C.Pereira J A M.Yoshioka A,et al.Evaluation of [37]Liu C.Theoretical Study on the Separation and Removal of secondary steelmaking slags and their relation with steel Inclusions at the Steel Slag Interface [Dissertation].Beijing: cleanliness.Metall Mater Trans B,2017,48(3):1423 University of Science and Technology Beijing,2014 [50]Wang H M,Li G R,Dai Q X,et al.Effect of additives on viscosity (刘超.钢渣界面夹杂物分离去除的理论研究学位论文.北京： of LATS refining ladle slag./SI/Int,2006,46(5):637 北京科技大学，2014) [51]Hanao M,Tanaka T,Kawamoto M,et al.Evaluation of surface [38]Kimura S,Nakajima K,Mizoguchi S.Behavior of alumina- tension of molten slag in multi-component systems./S//Int,2007, magnesia complex inclusions and magnesia inclusions on the 47(7):935 surface of molten low-carbon steels.Metall Mater Trans B,2001. [52]Duchesne M A,Hughes R W.Slag density and surface tension 32(1):79 measurements by the constrained sessile drop method.Fuel,2017, [39]Vantilt S,Coletti B,Blanpain B,et al.Observation of inclusions in 188:173
inclusion removal in tundish with gas curtain. Special Steel, 2009, 30（1）: 7 （黄奥, 汪厚植, 顾华志, 等. 气幕挡墙中间包夹杂物去除的水模 型研究. 特殊钢, 2009, 30（1）：7） Ni B, Luo Z G, Di Z X, et al. Experimental study on inclusion removal in slab continuous casting mold by water modeling. Continuous Cast, 2009, 34（1）: 1 （倪冰, 罗志国, 狄瞻霞, 等. 板坯连铸结晶器内夹杂物去除的水 模实验研究. 连铸, 2009, 34（1）：1） [30] Chen X Y, Cao L, Hu J D, et al. Study on water modeling for mixing trait and inclusion removing of LF. Iron Steel, 2009, 44（12）: 27 （陈向阳, 曹磊, 胡建东, 等. LF精炼炉混合特性及夹杂物去除的 水模型研究. 钢铁, 2009, 44（12）：27） [31] Cho J S, Lee H G. Cold model study on inclusion removal from liquid steel using fine gas bubbles. ISIJ Int, 2001, 41（2）: 151 [32] Nakaoka T, Taniguchi S, Matsumoto K, et al. Particle-sizegrouping method of lnclusion agglomeration and its application to water model experiments. ISIJ Int, 2001, 41（10）: 1103 [33] Zhou Y L, Deng Z Y, Zhu M Y. Separation mechanism of solid/liquid inclusions transfer at steel-slag interface. Chin J Process Eng, 2018, 18（1）: 96 （周业连, 邓志银, 朱苗勇. 固/液态夹杂物穿过钢渣界面的分离 机理. 过程工程学报, 2018, 18（1）：96） [34] Yang H B. Study on Moving Behavior of Inclusion during Process of Passing Steel−Slag Interface [Dissertation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2015 （ 杨宏博. 夹杂物穿越钢渣界面过程运动行为研究[学位论文]. 北京: 北京科技大学, 2015） [35] Liu C, Li J S, Sun L Y, et al. Influence of floatation velocity on removal of inclusions at steel−slag interface. Special Steel, 2014, 35（5）: 5 （刘超, 李京社, 孙丽媛, 等. 上浮速度对钢渣界面夹杂物去除的 影响. 特殊钢, 2014, 35（5）：5） [36] Liu C. Theoretical Study on the Separation and Removal of Inclusions at the Steel Slag Interface [Dissertation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2014 （ 刘超. 钢渣界面夹杂物分离去除的理论研究 [学位论文]. 北京: 北京科技大学, 2014） [37] Kimura S, Nakajima K, Mizoguchi S. Behavior of aluminamagnesia complex inclusions and magnesia inclusions on the surface of molten low-carbon steels. Metall Mater Trans B, 2001, 32（1）: 79 [38] [39] Vantilt S, Coletti B, Blanpain B, et al. Observation of inclusions in manganese-silicon killed steels at steel−gas and steel-slag interfaces. ISIJ Int, 2004, 44（1）: 1 Liu J, Guo M, Jones P T, et al. In situ observation of the direct and indirect dissolution of MgO particles in CaO−Al2O3−SiO2 -based slags. J Eur Ceram Soc, 2007, 27（4）: 1961 [40] Kimura S, Nabeshima Y, Nakajima K, et al. Behavior of nonmetallic inclusions in front of the solid−liquid interface in lowcarbon steels. Metall Mater Trans B, 2000, 31（5）: 1013 [41] Misra P, Chevrier V, Sridhar S, et al. In situ observations of inclusions at the (Mn, Si)-killed steel/CaO−Al2O3 interface. Metall Mater Trans B, 2000, 31（5）: 1135 [42] Coletti B, Blanpain B, Vantilt S, et al. Observation of calcium aluminate inclusions at interfaces between Ca-treated, Al-killed steels and slags. Metall Mater Trans B, 2003, 34（5）: 533 [43] Wikström J, Nakajima K, Shibata H, et al. In situ studies of the agglomeration phenomena for calcium-alumina inclusions at liquid steel−liquid slag interface and in the slag. Mater Sci Eng:A, 2008, 495（1-2）: 316 [44] Wikström J, Nakajima K, Shibata H, et al. In situ studies of agglomeration between Al2O3−CaO inclusions at metal/gas, metal/slag interfaces and in slag. Ironmak Steelmaker, 2008, 35（8）: 589 [45] Liu J H, Verhaeghe F, Guo M X, et al. In situ observation of the dissolution of spherical alumina particles in CaO−Al2O3−SiO2 melts. J Am Ceram Soc, 2007, 90（12）: 3818 [46] Yin H B, Shibata H, Emi T, et al. “in-situ” observation of collision, agglomeration and cluster formation of alumina inclusion particles on steel melts. ISIJ Int, 1997, 37（10）: 936 [47] Wikström J, Nakajima K, Jonsson L, et al. Application of a model for liquid inclusion separation at a steel−slag interface for laboratory and industrial situations. Steel Res Int, 2008, 79（11）: 826 [48] Rocha V C, Pereira J A M, Yoshioka A, et al. Evaluation of secondary steelmaking slags and their relation with steel cleanliness. Metall Mater Trans B, 2017, 48（3）: 1423 [49] Wang H M, Li G R, Dai Q X, et al. Effect of additives on viscosity of LATS refining ladle slag. ISIJ Int, 2006, 46（5）: 637 [50] Hanao M, Tanaka T, Kawamoto M, et al. Evaluation of surface tension of molten slag in multi-component systems. ISIJ Int, 2007, 47（7）: 935 [51] Duchesne M A, Hughes R W. Slag density and surface tension measurements by the constrained sessile drop method. Fuel, 2017, 188: 173 [52] 刘 威等： 钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 · 1655 ·