·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 interfacelsphenomena 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