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 ·