·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