工程科学学报，第39卷，第2期：196-201,2017年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.2:196-201,February 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.005;http://journals.ustb.edu.cn 液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理 研究 倪 冰)四，聂海棋2)，张涛2) 1)钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京1000812)东北大学治金学院，沈阳110819 ☒通信作者，E-mail:nibingzang(@sina.com 摘要针对钢液中液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的现象，采用水模型实验模拟了液态夹杂去除固态夹杂的行为.实验结 果表明：其与液滴去除夹杂的机理类似，流体内液滴与固粒的碰撞存在3种形式：惯性碰撞、截留捕获和尾流捕获。通过理论 公式计算了单独的惯性碰撞捕获效率及同时考虑惯性碰撞和截留的捕获效率，发现二者的趋势基本一致，尤其当液滴直径较 大时，二者曲线大致重合，因此，可以得出惯性捕获占据主导地位的结论.这与实验中观察到的液滴与固粒聚合大多数都是 惯性碰撞相吻合.对实验数据进行了分析计算，得到了实验中液滴捕获固粒的捕获效率，发现所得曲线与理论计算捕获效率 值相比，有一定差异，但是趋势基本一致.这是因为湍动程度较低，不同直径的捕获效率相对较为均匀，没有理论计算曲线那 样陡峭. 关键词液滴：固粒：夹杂物：捕获：聚合 分类号TF777.1 Physical simulation and mechanism study of solid inclusion removed by liquid inclusions NI Bing,NIE Hai-qi2),ZHANG Tao 1)Department of Metallurgical Technology,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China 2)School of Metallurgy,Northeastem University,Shenyang 110819.China Corresponding author,E-mail:nibingzang@sina.com ABSTRACT For studying the collision and coalescence phenomena between liquid inclusions and solid inclusions in liquid steel,a water model experiment was conducted to simulate the process of solid inclusions captured by liquid inclusions.The results show that the main mechanisms on coalescence of droplet and inclusion collision are inertial impaction,intercept capture and wake flow trapping. This is similar to the mechanism of solid inclusions removed by liquid inclusions in molten steel.After the efficiency of capture by in- ertial impaction and the efficiency of capture by inertial impaction and intercept capture were calculated through the theoretical formu- la,it is found that the trend of the two is the same basically.The two curves of efficiency are roughly coincident,especially when the droplet diameter is larger.Therefore,it can be concluded that inertial impaction dominates in both approaches,which is consistent with the observed phenomena in the experiment that the most coalescence of droplet and inclusion collision is inertial impaction.The experimental data were analyzed and calculated.It is shown that the efficiency of droplet capturing solid particles is different from the calculated theoretical capture efficiency,but the trend is basically the same.This is because the fluid turbulence is low,the capture efficiency of different droplet diameters is relatively uniform,not as steep as the theoretical curve. KEY WORDS droplet;solid particles;inclusions;capture;coalescence 收稿日期：2016-04-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374081)
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期:196鄄鄄201,2017 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 2: 196鄄鄄201, February 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 02. 005; http: / / journals. ustb. edu. cn 液态 夹 杂 与 固 态 夹 杂 碰 撞 聚 合 的 物 理 模 拟 和 机 理 研究 倪 冰1) 苣 , 聂海棋2) , 张 涛2) 1) 钢铁研究总院冶金工艺研究所, 北京 100081 2) 东北大学冶金学院, 沈阳 110819 苣 通信作者, E鄄mail: nibingzang@ sina. com 收稿日期: 2016鄄鄄04鄄鄄11 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51374081) 摘 要 针对钢液中液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的现象,采用水模型实验模拟了液态夹杂去除固态夹杂的行为. 实验结 果表明:其与液滴去除夹杂的机理类似,流体内液滴与固粒的碰撞存在 3 种形式:惯性碰撞、截留捕获和尾流捕获. 通过理论 公式计算了单独的惯性碰撞捕获效率及同时考虑惯性碰撞和截留的捕获效率,发现二者的趋势基本一致,尤其当液滴直径较 大时,二者曲线大致重合,因此,可以得出惯性捕获占据主导地位的结论. 这与实验中观察到的液滴与固粒聚合大多数都是 惯性碰撞相吻合. 对实验数据进行了分析计算,得到了实验中液滴捕获固粒的捕获效率,发现所得曲线与理论计算捕获效率 值相比,有一定差异,但是趋势基本一致. 这是因为湍动程度较低,不同直径的捕获效率相对较为均匀,没有理论计算曲线那 样陡峭. 关键词 液滴; 固粒; 夹杂物; 捕获; 聚合 分类号 TF777郾 1 Physical simulation and mechanism study of solid inclusion removed by liquid inclusions NI Bing 1) 苣 , NIE Hai鄄qi 2) , ZHANG Tao 2) 1) Department of Metallurgical Technology,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China 2) School of Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China 苣 Corresponding author, E鄄mail: nibingzang@ sina. com ABSTRACT For studying the collision and coalescence phenomena between liquid inclusions and solid inclusions in liquid steel, a water model experiment was conducted to simulate the process of solid inclusions captured by liquid inclusions. The results show that the main mechanisms on coalescence of droplet and inclusion collision are inertial impaction, intercept capture and wake flow trapping. This is similar to the mechanism of solid inclusions removed by liquid inclusions in molten steel. After the efficiency of capture by in鄄 ertial impaction and the efficiency of capture by inertial impaction and intercept capture were calculated through the theoretical formu鄄 la, it is found that the trend of the two is the same basically. The two curves of efficiency are roughly coincident, especially when the droplet diameter is larger. Therefore, it can be concluded that inertial impaction dominates in both approaches, which is consistent with the observed phenomena in the experiment that the most coalescence of droplet and inclusion collision is inertial impaction. The experimental data were analyzed and calculated. It is shown that the efficiency of droplet capturing solid particles is different from the calculated theoretical capture efficiency, but the trend is basically the same. This is because the fluid turbulence is low, the capture efficiency of different droplet diameters is relatively uniform, not as steep as the theoretical curve. KEY WORDS droplet; solid particles; inclusions; capture; coalescence
倪冰等：液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 ·197· 在钢液内多相流体系的反应中，去除夹杂物的方 受条件限制并未观测到这种微小的粒子.同时有文 式包括夹杂物自身的上浮和聚合去除、气泡携带去除 献门表明，布朗运动导致的碰撞聚合在夹杂去除中可 夹杂物、液滴去除夹杂物、夹杂物被渣面和耐火材料壁 以忽略不计.以前的研究表明，黏附和尾流作用是气 面吸收去除等诸多方式.气泡上浮去除夹杂物是清洁 泡去除夹杂物的机理，气泡和液滴具有一定的相似 钢液的一个重要方式山.现有的研究表明，气泡去除 性，本研究也观察到了液滴尾流捕获固粒的实例.借 夹杂物的机理包括气泡黏附去除和气泡尾流去除，对 鉴以上研究和本实验，笔者认为颗粒对液滴的惯性碰 这两种机理的研究已经有许多报道[2-).炼钢过程中 撞捕获、液滴的截留捕获和尾流捕获是液滴和固粒聚 还有液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的情况，例如，钙处 合的3种表现方式，见图1. 理后生成的液态铝酸钙与未被充分变性的固态夹杂颗 粒聚合现象[]，碳酸盐产生的气泡和液态夹杂与钢液 中的固态夹杂颗粒聚合现象[⑧].这种现象与其他去除 惯性碰撞 方式不同，液态夹杂通常先在钢液内部生成，然后再和 布朗运动 固态夹杂结合去除，输入量和输出量难以定量分析，因 一拦截 此对这种过程的模拟和研究少见报导.这种现象是非 捕集体 尾流作用 金属夹杂物的基础研究工作之一，有助于控制炼钢过 程中夹杂物的数量、大小、尺寸分布、成分、形貌等要 素，从而获得洁净钢 流线 本文利用水力学模型和高速摄像仪对液滴去除固 态夹杂物模拟粒子的过程进行了研究，用图像处理软 图1液滴和固粒聚合的方式 件观察了液滴捕获不同固粒的现象，分析了惯性碰撞、 Fig.1 Aggregation approach of droplet and solid particles 截留捕获机理，统计了捕获效率，为生产中液态夹杂去 2.2液滴与固粒的惯性碰撞 除固态夹杂提供理论依据和实现手段. 惯性碰撞是液滴与固粒发生正面碰撞后，固粒被 1实验过程 液滴捕获聚合成联同体在流体内运动.图2是固粒对 在各种冶金反应器中，液态夹杂去除固态夹杂的 液滴的惯性碰撞过程，每张图片时间间隔0.01s.用图 现象是类似的.在水模实验设备中，选择NaCl水溶液 像处理软件测量出液滴的长轴约为3.21mm,短轴约 模拟金属液体系，用聚丙烯粒子（以下简称固粒）来模 为2.82mm.固粒夹杂物长轴约为0.63mm,短轴约为 拟A山，0，和SO2夹杂，用乳化油小液滴（以下简称液 0.31mm,测量得出液滴和固体夹杂物的截面积分别为 滴)来模拟钢中的液态夹杂，用高速摄像仪拍摄二者 7.24mm2和0.15mm2,固粒碰到液滴后发生聚合行为， 的聚合和传递过程.聚丙烯粒子与水的接触角为 聚合以后联合体的长轴为3.13mm,短轴为2.95mm, 118°，钢液中的常见的脱氧产物AL,0,和Si0,与钢液的 截面积为7.35mm2.在碰撞时相对运动速度0.03m· 接触角分别是144°和115[)，三者均为非浸润性.液 s',捕获1个固粒后联合体运动距离约20mm,运动时 滴模拟物为邻苯二甲酸二丁酯，密度为1042~1048 间0.24s,运动速度0.083ms1 kgm3,在25℃时表面张力0.0379Nm,黏度16.3 碰撞可分解为几个单元过程：(1)夹杂物向液滴 mPa·s,水溶性0.04%.实验装置和方法参见文献 靠近并发生碰撞，见图2(a)和(c):(2)夹杂物与液滴 [9],此处不再赘述.在获得图像后，用专业图像处理 黏附形成联合体，由于浸润作用，固粒吸附在液滴表 软件Image Pro Plus追踪出液滴和固粒的大小和运动 面，见图2(c)和(e):(3)从接触点开始，固粒在液滴 参数，来分析运动行为. 表面上缓慢滑移，与液滴一起上浮，由于密度的不同， 固粒可滑移至底部，见图2(e)和(x).需要指出的是， 2结果与讨论 固粒在液滴表面上没有振荡摆动现象 2.1液滴与固粒的碰撞聚合方式 由于液滴本身具有弹性，形状在不断变化，长轴和 由于还没有关于钢液中液态夹杂去除固态夹杂的 短轴的尺寸有所波动.固粒尺寸远小于液滴（半径比 成熟理论，通过研究烟气洗涤器内液滴喷淋高钙煤灰 小于1：4)，碰撞后的联同体形状处于不断的变化之 颗粒的过程，文献[10]提出，碰撞机理包括大颗粒的 中，变化幅度和液滴半径的变化幅度相当，联同体的直 惯性碰撞、细微颗粒的直接拦截、超细微颗粒的布朗运 径可近似等于液滴的直径.观察到固粒和液滴的聚合 动3种，其中惯性碰撞引起的捕获是最主要的捕获机 较为普遍，未观察到固粒和液滴碰撞后弹开或脱离的 理.直径约1~10um的粒子才能做布朗运动，本实验 例子
倪 冰等: 液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 在钢液内多相流体系的反应中,去除夹杂物的方 式包括夹杂物自身的上浮和聚合去除、气泡携带去除 夹杂物、液滴去除夹杂物、夹杂物被渣面和耐火材料壁 面吸收去除等诸多方式. 气泡上浮去除夹杂物是清洁 钢液的一个重要方式[1] . 现有的研究表明,气泡去除 夹杂物的机理包括气泡黏附去除和气泡尾流去除,对 这两种机理的研究已经有许多报道[2鄄鄄6] . 炼钢过程中 还有液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的情况,例如,钙处 理后生成的液态铝酸钙与未被充分变性的固态夹杂颗 粒聚合现象[7] ,碳酸盐产生的气泡和液态夹杂与钢液 中的固态夹杂颗粒聚合现象[8] . 这种现象与其他去除 方式不同,液态夹杂通常先在钢液内部生成,然后再和 固态夹杂结合去除,输入量和输出量难以定量分析,因 此对这种过程的模拟和研究少见报导. 这种现象是非 金属夹杂物的基础研究工作之一,有助于控制炼钢过 程中夹杂物的数量、大小、尺寸分布、成分、形貌等要 素,从而获得洁净钢. 本文利用水力学模型和高速摄像仪对液滴去除固 态夹杂物模拟粒子的过程进行了研究,用图像处理软 件观察了液滴捕获不同固粒的现象,分析了惯性碰撞、 截留捕获机理,统计了捕获效率,为生产中液态夹杂去 除固态夹杂提供理论依据和实现手段. 1 实验过程 在各种冶金反应器中,液态夹杂去除固态夹杂的 现象是类似的. 在水模实验设备中,选择 NaCl 水溶液 模拟金属液体系,用聚丙烯粒子(以下简称固粒)来模 拟 Al 2O3和 SiO2 夹杂,用乳化油小液滴(以下简称液 滴)来模拟钢中的液态夹杂,用高速摄像仪拍摄二者 的聚合和传递过程. 聚丙烯粒子与水的接触角为 118毅,钢液中的常见的脱氧产物 Al 2O3和 SiO2与钢液的 接触角分别是 144毅和 115毅 [2] ,三者均为非浸润性. 液 滴模拟物为邻苯二甲酸二丁酯,密度为 1042 ~ 1048 kg·m - 3 ,在 25 益时表面张力 0郾 0379 N·m - 1 ,黏度 16郾 3 mPa·s,水溶性 0郾 04% . 实验装置和方法参见文献 [9],此处不再赘述. 在获得图像后,用专业图像处理 软件 Image Pro Plus 追踪出液滴和固粒的大小和运动 参数,来分析运动行为. 2 结果与讨论 2郾 1 液滴与固粒的碰撞聚合方式 由于还没有关于钢液中液态夹杂去除固态夹杂的 成熟理论,通过研究烟气洗涤器内液滴喷淋高钙煤灰 颗粒的过程,文献[10] 提出,碰撞机理包括大颗粒的 惯性碰撞、细微颗粒的直接拦截、超细微颗粒的布朗运 动 3 种,其中惯性碰撞引起的捕获是最主要的捕获机 理. 直径约 1 ~ 10 滋m 的粒子才能做布朗运动,本实验 受条件限制并未观测到这种微小的粒子. 同时有文 献[11]表明,布朗运动导致的碰撞聚合在夹杂去除中可 以忽略不计. 以前的研究表明,黏附和尾流作用是气 泡去除夹杂物的机理[6] ,气泡和液滴具有一定的相似 性,本研究也观察到了液滴尾流捕获固粒的实例. 借 鉴以上研究和本实验,笔者认为颗粒对液滴的惯性碰 撞捕获、液滴的截留捕获和尾流捕获是液滴和固粒聚 合的 3 种表现方式,见图 1. 图 1 液滴和固粒聚合的方式 Fig. 1 Aggregation approach of droplet and solid particles 2郾 2 液滴与固粒的惯性碰撞 惯性碰撞是液滴与固粒发生正面碰撞后,固粒被 液滴捕获聚合成联同体在流体内运动. 图 2 是固粒对 液滴的惯性碰撞过程,每张图片时间间隔 0郾 01 s. 用图 像处理软件测量出液滴的长轴约为 3郾 21 mm,短轴约 为 2郾 82 mm. 固粒夹杂物长轴约为 0郾 63 mm,短轴约为 0郾 31 mm,测量得出液滴和固体夹杂物的截面积分别为 7郾 24 mm 2和 0郾 15 mm 2 ,固粒碰到液滴后发生聚合行为, 聚合以后联合体的长轴为 3郾 13 mm,短轴为 2郾 95 mm, 截面积为 7郾 35 mm 2 . 在碰撞时相对运动速度 0郾 03 m· s - 1 ,捕获 1 个固粒后联合体运动距离约 20 mm,运动时 间 0郾 24 s,运动速度 0郾 083 m·s - 1 . 碰撞可分解为几个单元过程:(1) 夹杂物向液滴 靠近并发生碰撞,见图 2(a)和(c);(2)夹杂物与液滴 黏附形成联合体,由于浸润作用,固粒吸附在液滴表 面,见图 2(c)和( e);(3) 从接触点开始,固粒在液滴 表面上缓慢滑移,与液滴一起上浮,由于密度的不同, 固粒可滑移至底部,见图 2(e)和( x). 需要指出的是, 固粒在液滴表面上没有振荡摆动现象. 由于液滴本身具有弹性,形状在不断变化,长轴和 短轴的尺寸有所波动. 固粒尺寸远小于液滴(半径比 小于 1颐 4),碰撞后的联同体形状处于不断的变化之 中,变化幅度和液滴半径的变化幅度相当,联同体的直 径可近似等于液滴的直径. 观察到固粒和液滴的聚合 较为普遍,未观察到固粒和液滴碰撞后弹开或脱离的 例子. ·197·
·198· 工程科学学报，第39卷，第2期 (a-0.02s b-0.01s (c)0s (d0.01s (e0.02s f)0.03s (g0.04s h)0.05s )0.06s (j)0.07s k)0.08s 0.09s (m0.10s (0.11s o)0.12s (p)0.13s @0.14s 0.15s 5 mm (s)0.16s 00.178 (@0.18s (0.198 (w)0.20s (x)0.218 图2液滴与固粒惯性碰撞过程 Fig.2 Inertia collision process of droplet and solid particles 2.3液滴与固粒之间的截留捕获 差距较大，固粒在液滴周围绕过时，被液滴周围的边界 拦截机理认为，当流体对着颗粒流动时，流体将在 层直接拦截，固粒会在液滴表面发生一定的滑移，最终 颗粒的上游折转而绕颗粒流过，如果在某一流线上的 与液滴一起运动.这种情况不同于惯性碰撞，因为二 粒子中心正好在粒子半径范围内接触到颗粒，则该粒 者之间没有发生直接的正面碰撞.从实验现象中观察 子被颗粒拦截. 到，截留捕获发生的几率比惯性碰撞要小很多.在图3 在实验中观察到液滴与固粒之间发生的截留捕获 中圆圈内液滴和固粒聚合后的上浮过程中，联合体又 现象，一般而言截留捕获发生在液滴和固粒之间，直径 先后拦截捕获了2个固粒，在碰撞时相对运动速度
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 图 2 液滴与固粒惯性碰撞过程 Fig. 2 Inertia collision process of droplet and solid particles 2郾 3 液滴与固粒之间的截留捕获 拦截机理认为,当流体对着颗粒流动时,流体将在 颗粒的上游折转而绕颗粒流过,如果在某一流线上的 粒子中心正好在粒子半径范围内接触到颗粒,则该粒 子被颗粒拦截. 在实验中观察到液滴与固粒之间发生的截留捕获 现象,一般而言截留捕获发生在液滴和固粒之间,直径 差距较大,固粒在液滴周围绕过时,被液滴周围的边界 层直接拦截,固粒会在液滴表面发生一定的滑移,最终 与液滴一起运动. 这种情况不同于惯性碰撞,因为二 者之间没有发生直接的正面碰撞. 从实验现象中观察 到,截留捕获发生的几率比惯性碰撞要小很多. 在图 3 中圆圈内液滴和固粒聚合后的上浮过程中,联合体又 先后拦截捕获了 2 个固粒,在碰撞时相对运动速度 ·198·
倪冰等：液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 ·199· 0.05ms1和0.1ms,见图3.联合体的运动距离约 运动轨迹.方框内是另外2个液滴分别捕获固粒的 65mm,时间0.70s,速度0.1m·s1,白色虚线标明了其 情形 (a)0s b)025s (c)0.50s (d0.75s 图3液滴直接拦截固粒的现象 Fig.3 Phenomenon of solid particles directly intercepted by droplet 2.4液滴与固粒之间的尾流捕获 轴为4.18mm和3.88mm,截面积为12.72mm2.图4 除了惯性碰撞和拦截捕获以外，也观察到了液滴 (a)左边箭头1所示固粒（以下称“固粒1”）在上浮的 尾流捕获固粒的聚合方式，但是与气泡的尾流捕获不 过程中，由于尾流的作用逐渐靠近液滴，定义固粒1刚 同，这种情况在液滴的情况下极少发生，这是因为液滴 好接触到液滴的时刻为0s(图(b)).图(a)~(x)是 与溶液的密度差别没有那么大，上浮速度较慢.图4 右边箭头2所示固粒（以下称“固粒2”）被液滴尾流捕 是液滴尾流捕获固粒的聚合过程.通过软件处理拍摄 获的完整过程，从图中可以看到，固粒2在上浮的过程 的液滴与固粒聚合行为的照片，球形液滴的长轴和短 中，进入到了液滴的尾流中，在尾流的作用下靠近液 (a)-0.025s (b)0s (c0.010s (d0.020s (e)0.030s f)0.040s g0.050s h)0.60s 00.070s (j)0.080s k)0.090s 00.100s (m)0.110s (m0.120s (o)0.130s (p0.140s (q0.150s (d0.160s (s0.170s d)0.190s (u0.210s (w0.230s (w)0.310s (x)0.390s 图4液滴尾流捕获固粒的细致图片 Fig.4 Detailed pictures of solid particles trapped by wake flow
倪 冰等: 液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 0郾 05 m·s - 1和 0郾 1 m·s - 1 ,见图 3. 联合体的运动距离约 65 mm,时间 0郾 70 s,速度 0郾 1 m·s - 1 ,白色虚线标明了其 运动轨迹. 方框内是另外 2 个液滴分别捕获固粒的 情形. 图 3 液滴直接拦截固粒的现象 Fig. 3 Phenomenon of solid particles directly intercepted by droplet 图 4 液滴尾流捕获固粒的细致图片 Fig. 4 Detailed pictures of solid particles trapped by wake flow 2郾 4 液滴与固粒之间的尾流捕获 除了惯性碰撞和拦截捕获以外,也观察到了液滴 尾流捕获固粒的聚合方式,但是与气泡的尾流捕获不 同,这种情况在液滴的情况下极少发生,这是因为液滴 与溶液的密度差别没有那么大,上浮速度较慢. 图 4 是液滴尾流捕获固粒的聚合过程. 通过软件处理拍摄 的液滴与固粒聚合行为的照片,球形液滴的长轴和短 轴为 4郾 18 mm 和 3郾 88 mm,截面积为 12郾 72 mm 2 . 图 4 (a)左边箭头 1 所示固粒(以下称“固粒 1冶)在上浮的 过程中,由于尾流的作用逐渐靠近液滴,定义固粒 1 刚 好接触到液滴的时刻为 0 s(图( b)). 图( a) ~ ( x)是 右边箭头 2 所示固粒(以下称“固粒 2冶)被液滴尾流捕 获的完整过程,从图中可以看到,固粒 2 在上浮的过程 中,进入到了液滴的尾流中,在尾流的作用下靠近液 ·199·
·200· 工程科学学报，第39卷，第2期 滴，最终在0.1s时与液滴接触，此后固粒2与液滴成 液滴直径取4mm,惯性碰撞捕获效率理论值为25%. 为一个整体，发生了聚合行为.同时圆圈所示固粒3 0.9m 在液滴尾流的作用下，逐渐靠近液滴，但是在0.1s时， 0.8 发生了轨迹的偏离，脱离的液滴尾流的控制，最后远离 ◆曲线1 0.7 4一曲线2 液滴。 0.6 尾流捕获也可分解为：(1)夹杂物上浮时进人到 液滴的尾流中；(2)夹杂物受尾流影响逐渐靠近液滴 0.4 与之接触：(3)固粒在液滴表面上滑移，与液滴一起上 0.3 浮3个单元过程.但是有些颗粒会在进人尾流后，最 0.2 终又脱离液滴，如图中圆圈所示的固粒3 0.1 3液滴去除夹杂的效率 4 6 8 10 依靠液滴捕获固粒，实际上是依靠无数个液滴构 液滴直径mm 成的液滴群来捕获.由于邻近液滴的相互作用、固粒 图5理论计算的捕获效率和液滴直径的关系 的相互作用以及固粒在液滴表面的滑移、反弹和反流 Fig.5 Relationship of capture efficiency and droplet diameter by theoretical calculation 等因素影响，捕获过程非常复杂，捕获效率的计算更加 复杂. 3.1.2截留捕获 3.1理论公式计算捕获效率 本研究考虑拦截效应，对于围绕球体势流的截留 3.1.1惯性碰撞 捕获效率可按下式计算： 对于单个液滴而言，惯性碰撞捕获的颗粒数与其 :=1+-+发 (2) 掠过区域内颗粒总数之比可称为惯性碰撞捕获效率， 单个液滴颗粒运动特征的参数可以采用斯托克斯数S 对于围绕球体黏性流的截留捕获效率可按下式 (也称为惯性碰撞参数)描述.Wong等[2提出喷淋塔 计算： 内气体中单个液滴除尘的效率公式，本研究借鉴了这 =(0+2-1+)+2d+时 1 (3) 一公式. =(7广 k=d/D,本研究实测的流体速度小于0.1m·s1, (1) 因此用黏性流假设下的截留效率计算式较合理. 其中：η，为惯性碰撞捕获效率：k为液滴捕获效率修正 只考虑惯性碰撞效率作曲线1，考虑惯性碰撞效 因子：=9pd1m-ul,为斯托克斯数：C为库宁汉修 率和截留效率应用叠加原理作图5的曲线2.从图中 9guD 可以看出，叠加了截留捕获后，效率值有所增长，但是 正系数，本例取1；p为固粒密度，kg·m3;d为固粒直 增长并不明显，尤其当液滴的直径较大时.因此，可以 径，m;为液滴速率，ms;u为固粒速率，ms;g为 得到惯性捕获在液滴和固粒聚合中占据主导地位的 重力加速度，ms2;μ为流体黏度，Pa·s;D为收集单 结论 元体液滴的特征长度，m. 3.1.3尾流捕获 斯托克斯数S与流体密度、流体动力黏度、固粒 对于液滴通过尾流捕获固粒的机理，是参考气泡 和液滴的直径、固粒和液滴的相对运动速度有关.对 去除夹杂机理，同时考虑到液滴在流体内与气泡具有 于一定的溶液而言，流体密度、流体动力黏度都是固定 类似的性质从而得到的结论.在实验现象的观察中， 的.在这两者一定的条件下，固粒直径越大，液滴的尺 确实也发现了有类似液滴尾流捕获固粒的现象.但是 寸越小，固粒和液滴的相对运动速度越快，斯托克斯数 在本实验的条件下，这种情况极少出现.所以在本研 越大.斯托克斯数越大，惯性碰撞捕获效率η也就越 究中暂时不考虑尾流捕获的因素，这方面的研究会成 大.文献[13]表明，实验测得的捕获效率比理论值要 为下一步的重点工作，通过实验回归出尾流捕获效率 低，修正因子k取0.8.本实验中，流体密度取1100kg· 公式. m3,流体动力黏度取1.12×104kgs·m2,固粒的直3.2实验结果计算捕获效率 径取0.5mm,固粒和液滴的相对运动速度为0.01~ 本实验观测表明，在图3圆圈内4mm液滴捕获3 0.1ms,取0.05ms,将数据代入可得到惯性碰撞 个固粒，其掠过区域内颗粒数为6个，捕获效率50%； 捕获效率和液滴直径的关系，见图5.图5中曲线1描 而方框内另外2个4mm液滴的捕获效率分别为3/9 述了只考虑惯性碰撞时不同直径液滴的捕获效率.如 和1/8，取捕获数与掠过区域内颗粒总数之比作为平
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 滴,最终在 0郾 1 s 时与液滴接触,此后固粒 2 与液滴成 为一个整体,发生了聚合行为. 同时圆圈所示固粒 3 在液滴尾流的作用下,逐渐靠近液滴,但是在 0郾 1 s 时, 发生了轨迹的偏离,脱离的液滴尾流的控制,最后远离 液滴. 尾流捕获也可分解为:(1) 夹杂物上浮时进入到 液滴的尾流中;(2) 夹杂物受尾流影响逐渐靠近液滴 与之接触;(3) 固粒在液滴表面上滑移,与液滴一起上 浮 3 个单元过程. 但是有些颗粒会在进入尾流后,最 终又脱离液滴,如图中圆圈所示的固粒 3. 3 液滴去除夹杂的效率 依靠液滴捕获固粒,实际上是依靠无数个液滴构 成的液滴群来捕获. 由于邻近液滴的相互作用、固粒 的相互作用以及固粒在液滴表面的滑移、反弹和反流 等因素影响,捕获过程非常复杂,捕获效率的计算更加 复杂. 3郾 1 理论公式计算捕获效率 3郾 1郾 1 惯性碰撞 对于单个液滴而言,惯性碰撞捕获的颗粒数与其 掠过区域内颗粒总数之比可称为惯性碰撞捕获效率, 单个液滴颗粒运动特征的参数可以采用斯托克斯数 St (也称为惯性碰撞参数)描述. Wong 等[12] 提出喷淋塔 内气体中单个液滴除尘的效率公式,本研究借鉴了这 一公式. 浊1 = k ( St St ) + 0郾 7 2 . (1) 其中:浊1为惯性碰撞捕获效率;k 为液滴捕获效率修正 因子;St = C籽d 2 |v - u | 9g滋D ,St 为斯托克斯数;C 为库宁汉修 正系数,本例取 1;籽 为固粒密度,kg·m - 3 ;d 为固粒直 径,m;v 为液滴速率,m·s - 1 ;u 为固粒速率,m·s - 1 ;g 为 重力加速度,m·s - 2 ;滋 为流体黏度,Pa·s;D 为收集单 元体液滴的特征长度,m. 斯托克斯数 St 与流体密度、流体动力黏度、固粒 和液滴的直径、固粒和液滴的相对运动速度有关. 对 于一定的溶液而言,流体密度、流体动力黏度都是固定 的. 在这两者一定的条件下,固粒直径越大,液滴的尺 寸越小,固粒和液滴的相对运动速度越快,斯托克斯数 越大. 斯托克斯数越大,惯性碰撞捕获效率 浊 也就越 大. 文献[13]表明,实验测得的捕获效率比理论值要 低,修正因子 k 取 0郾 8. 本实验中,流体密度取 1100 kg· m - 3 ,流体动力黏度取 1郾 12 伊 10 - 4 kg·s·m - 2 ,固粒的直 径取 0郾 5 mm,固粒和液滴的相对运动速度为 0郾 01 ~ 0郾 1 m·s - 1 ,取 0郾 05 m·s - 1 ,将数据代入可得到惯性碰撞 捕获效率和液滴直径的关系,见图 5. 图 5 中曲线 1 描 述了只考虑惯性碰撞时不同直径液滴的捕获效率. 如 液滴直径取 4 mm,惯性碰撞捕获效率理论值为 25% . 图 5 理论计算的捕获效率和液滴直径的关系 Fig. 5 Relationship of capture efficiency and droplet diameter by theoretical calculation 3郾 1郾 2 截留捕获 本研究考虑拦截效应,对于围绕球体势流的截留 捕获效率可按下式计算[14] : 浊2 = (1 + k) 2 - 1 1 + k . (2) 对于围绕球体黏性流的截留捕获效率可按下式 计算: 浊3 = (1 + k) 2 - 3 2 (1 + k) + 1 2(1 + k) . (3) k = d / D,本研究实测的流体速度小于 0郾 1 m·s - 1 , 因此用黏性流假设下的截留效率计算式较合理. 只考虑惯性碰撞效率作曲线 1,考虑惯性碰撞效 率和截留效率应用叠加原理作图 5 的曲线 2. 从图中 可以看出,叠加了截留捕获后,效率值有所增长,但是 增长并不明显,尤其当液滴的直径较大时. 因此,可以 得到惯性捕获在液滴和固粒聚合中占据主导地位的 结论. 3郾 1郾 3 尾流捕获 对于液滴通过尾流捕获固粒的机理,是参考气泡 去除夹杂机理,同时考虑到液滴在流体内与气泡具有 类似的性质从而得到的结论. 在实验现象的观察中, 确实也发现了有类似液滴尾流捕获固粒的现象. 但是 在本实验的条件下,这种情况极少出现. 所以在本研 究中暂时不考虑尾流捕获的因素,这方面的研究会成 为下一步的重点工作,通过实验回归出尾流捕获效率 公式. 3郾 2 实验结果计算捕获效率 本实验观测表明,在图 3 圆圈内 4 mm 液滴捕获 3 个固粒,其掠过区域内颗粒数为 6 个,捕获效率 50% ; 而方框内另外 2 个 4 mm 液滴的捕获效率分别为 3 / 9 和 1 / 8,取捕获数与掠过区域内颗粒总数之比作为平 ·200·
倪冰等：液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 ·201· 均值，为30.43%.用图像分析方法处理本实验的捕获 本实验的捕获效率远低于钢液中液态夹杂的捕获 现象，得到捕获效率.在运动过程中的捕获效率等于 效率. 捕获的固粒个数除以液滴掠过区域内颗粒总数.以4 mm的液滴为例，选取3个平均样本数过少从不同实 参考文献 验组数中随机选取100个液滴作为样本，在不同的液 [I]Miki Y,Thomas B G.Modeling of inclusion removal in a tundish. 滴直径下，算出液滴捕获固粒的效率，见图6，捕获效 Metall Mater Trans B,1999,30(4):639 率平均值为28.02%. [2]Zheng X F,Hayes P C,Lee H G.Particle removal from liquid 0.9 phase using fine gas bubbles./S//Int,1997,37(11):1091 0.8 一本研究 [3]Xue Z L,Wang Y F,Wang L T,et al.Inclusion removal from ·一曲线】 0.7 molten steel by attachment small bubbles.Acta Metall Sin,2003, 39(4):431 0.6 (薛正良，王义芳，王立涛，等.用小气泡从钢液中去除夹杂 0.5 物颗粒.金属学报，2003,39(4)：431) [4]Zhang L F,Aoki J,Thomas B G.Inclusion removal by bubble 0.3 flotation in a continuous casting mold.Metall Mater Trans B, 2006,37(3):361 0.2 [5]Arai H,Matsumoto K,Shimazaki S,et al.Model experiment on 01 inclusion removal by bubble flotation accompanied by particle co- agulation in turbulent flow.IS/J Int,2009,49(7):965 4 6 10 液滴直径mm [6] Ni B,Luo Z G,Di Z X,et al.Mechanism on inclusion removal by bubble.J fron Steel Res,2010,22(5):15 图6实验得到的捕获效率和液滴直径的关系 (倪冰，罗志国，狄瞻霞，等.气泡去除夹杂物的机理.钢铁 Fig.6 Relationship of capture efficiency and droplet diameter by ex- 研究学报，2010,22(5)：15) periment [7]Guo J,Cheng S S,Cheng Z J,et al.Effects of collision behavior 从图中可以看出，实验结果的曲线与只考虑惯性 on Al,O:based inclusion modification after calcium treatment for aluminium-killed steel./ron Steel,2013,48(9):37 碰撞的曲线的趋势是一致的，说明实验结果是可靠的， (郭靖，程树森，程子建，等.铝镇静钢钙处理后碰撞行为对 而且液滴与固粒的聚合行为的确是惯性碰撞占主导地 A山203夹杂物变性的作用.钢铁2013,48(9)：37) 位.只是实际钢液的湍动能的范围多在103~10-2m2· [8]Ni B.He Q,Wu W.Thermal simulation of inclusion removal by s2之间，本实验的湍动能的范围在107~105m2·s2 fine heterophases.Iron Steel,2015,50(10):14 之间，因为湍动程度较低，不同直径的捕集效率相对较 (倪冰，贺庆，吴巍.微小相去除夹杂物的热模拟试验.钢铁， 为均匀，没有理论计算曲线那样陡峭.同样也可以判 2015,50(10)：14) 断出本实验的捕获效率远低于钢液中液态夹杂的捕获 [9]Ni B.Yang Y,He Q,et al.Experiment in inclusion removal by 效率 fine heterophases in water model.J Iron Steel Res,2015,27(8): 24 4结论 (倪冰，杨勇，贺庆，等.微小相去除夹杂物的水模型实验 钢铁研究学报，2015,27(8)：24) (1)水模拟实验中存在液滴与固粒聚合的现象， [10]Song Y B,Zhang MC.Zhou Y C.et al.Modeling research on 通过观察和高速摄影仪的拍摄发现液滴与固粒聚合有 impaction between high-Ca0 ash and droplets for humidification 三种方式：惯性碰撞、截留捕获和尾流捕获.其中，惯 desulfurization.Power Eng,2004,24(1):114 性碰撞占主导地位. (宋玉宝，章明川，周月桂，等.高钙煤灰颗粒与液滴碰撞增 湿脱硫过程的模型研究.动力工程，2004,24(1)：114) (2)根据理论计算出只考虑惯性碰撞的捕获效 [11]Lindborg U,Tossell K.A collision model for the growth and sep- 率与同时考虑惯性碰撞和截留的捕获效率，并作曲 aration of deoxidation products.Trans Metall Soc AlME,1968, 线，发现二者区别不大，尤其当液滴的直径较大时. 242(1):94 因此，可以得到惯性捕获在液滴和固粒聚合中占据 [12]Wong J B,Ranz W E,Johnstone H F.Inertial impaction of 主导地位. acrosol particles on cylinders.J Appl Phys,1955,26(2):244 (3)通过统计实验结果，作实验测得的捕获效率 [13]Shi J,Wang JD.Yu GZ,et al.Handbook of Chemical Engi- neering.2nd Ed.Beijing:Chemical Industry Press,1996 的曲线，与只考虑惯性碰撞的曲线的趋势是一致的， (时钧，汪家鼎，余国踪，等化学工程手册.第2版.北 说明实验结果是可靠的.其中的区别是因为实验中 京：化学工业出版社，1996) 的湍动程度较低，不同直径的捕获效率相对较为均 [14]Ranz W E.Wall flows in a cyclone separator:a description of in 匀，设没有理论计算曲线那样陡峭.同样也可以判断出 temal phenomena.Aerosol Sci Technol,1985,4(4):417
倪 冰等: 液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 均值,为 30郾 43% . 用图像分析方法处理本实验的捕获 现象,得到捕获效率. 在运动过程中的捕获效率等于 捕获的固粒个数除以液滴掠过区域内颗粒总数. 以 4 mm 的液滴为例,选取 3 个平均样本数过少. 从不同实 验组数中随机选取 100 个液滴作为样本,在不同的液 滴直径下,算出液滴捕获固粒的效率,见图 6,捕获效 率平均值为 28郾 02% . 图 6 实验得到的捕获效率和液滴直径的关系 Fig. 6 Relationship of capture efficiency and droplet diameter by ex鄄 periment 从图中可以看出,实验结果的曲线与只考虑惯性 碰撞的曲线的趋势是一致的,说明实验结果是可靠的, 而且液滴与固粒的聚合行为的确是惯性碰撞占主导地 位. 只是实际钢液的湍动能的范围多在 10 - 3 ~ 10 - 2 m 2· s - 2之间,本实验的湍动能的范围在 10 - 7 ~ 10 - 5 m 2·s - 2 之间,因为湍动程度较低,不同直径的捕集效率相对较 为均匀,没有理论计算曲线那样陡峭. 同样也可以判 断出本实验的捕获效率远低于钢液中液态夹杂的捕获 效率. 4 结论 (1)水模拟实验中存在液滴与固粒聚合的现象, 通过观察和高速摄影仪的拍摄发现液滴与固粒聚合有 三种方式:惯性碰撞、截留捕获和尾流捕获. 其中,惯 性碰撞占主导地位. (2)根据理论计算出只考虑惯性碰撞的捕获效 率与同时考虑惯性碰撞和截留的捕获效率,并作曲 线,发现二者区别不大,尤其当液滴的直径较大时. 因此,可以得到惯性捕获在液滴和固粒聚合中占据 主导地位. (3)通过统计实验结果,作实验测得的捕获效率 的曲线,与只考虑惯性碰撞的曲线的趋势是一致的, 说明实验结果是可靠的. 其中的区别是因为实验中 的湍动程度较低,不同直径的捕获效率相对较为均 匀,没有理论计算曲线那样陡峭. 同样也可以判断出 本实验的捕获效率远低于钢液中液态夹杂的捕获 效率. 参 考 文 献 [1] Miki Y, Thomas B G. Modeling of inclusion removal in a tundish. Metall Mater Trans B, 1999, 30(4): 639 [2] Zheng X F, Hayes P C, Lee H G. Particle removal from liquid phase using fine gas bubbles. ISIJ Int, 1997, 37(11): 1091 [3] Xue Z L, Wang Y F, Wang L T, et al. Inclusion removal from molten steel by attachment small bubbles. Acta Metall Sin, 2003, 39(4): 431 (薛正良, 王义芳, 王立涛, 等. 用小气泡从钢液中去除夹杂 物颗粒. 金属学报, 2003, 39(4): 431) [4] Zhang L F, Aoki J, Thomas B G. Inclusion removal by bubble flotation in a continuous casting mold. Metall Mater Trans B, 2006, 37(3): 361 [5] Arai H, Matsumoto K, Shimazaki S, et al. Model experiment on inclusion removal by bubble flotation accompanied by particle co鄄 agulation in turbulent flow. ISIJ Int, 2009, 49(7): 965 [6] Ni B, Luo Z G, Di Z X, et al. Mechanism on inclusion removal by bubble. J Iron Steel Res, 2010, 22(5): 15 (倪冰, 罗志国, 狄瞻霞, 等. 气泡去除夹杂物的机理. 钢铁 研究学报, 2010, 22(5): 15) [7] Guo J, Cheng S S, Cheng Z J, et al. Effects of collision behavior on Al2O3 based inclusion modification after calcium treatment for aluminium鄄killed steel. Iron Steel, 2013, 48(9): 37 (郭靖, 程树森, 程子建, 等. 铝镇静钢钙处理后碰撞行为对 Al2O3 夹杂物变性的作用. 钢铁, 2013, 48(9): 37) [8] Ni B, He Q, Wu W. Thermal simulation of inclusion removal by fine heterophases. Iron Steel, 2015, 50(10): 14 (倪冰, 贺庆, 吴巍. 微小相去除夹杂物的热模拟试验. 钢铁, 2015, 50(10): 14) [9] Ni B, Yang Y, He Q, et al. Experiment in inclusion removal by fine heterophases in water model. J Iron Steel Res, 2015, 27(8): 24 (倪冰, 杨勇, 贺庆, 等. 微小相去除夹杂物的水模型实验. 钢铁研究学报, 2015, 27(8): 24) [10] Song Y B, Zhang M C, Zhou Y G, et al. Modeling research on impaction between high鄄CaO ash and droplets for humidification desulfurization. Power Eng, 2004, 24(1): 114 (宋玉宝, 章明川, 周月桂, 等. 高钙煤灰颗粒与液滴碰撞增 湿脱硫过程的模型研究. 动力工程, 2004, 24(1): 114) [11] Lindborg U, Tossell K. A collision model for the growth and sep鄄 aration of deoxidation products. Trans Metall Soc AIME, 1968, 242(1): 94 [12] Wong J B, Ranz W E, Johnstone H F. Inertial impaction of aerosol particles on cylinders. J Appl Phys, 1955, 26(2): 244 [13] Shi J, Wang J D, Yu G Z, et al. Handbook of Chemical Engi鄄 neering. 2nd Ed. Beijing: Chemical Industry Press, 1996 (时 钧, 汪家鼎, 余国琮, 等. 化学工程手册. 第 2 版. 北 京: 化学工业出版社, 1996) [14] Ranz W E. Wall flows in a cyclone separator: a description of in鄄 ternal phenomena. Aerosol Sci Technol, 1985, 4(4): 417 ·201·
