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·