刘威等：钢-渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 1649 程.受力分析模型从开始建立就考虑了夹杂物迫 体流动的经验公式.后续对于曳力、附加质量力、 近界面时，夹杂物与界面之间钢液膜形成及排空 界面张力（反弹力）等各种力都不断地更新改进，使 破裂的过程，采用了流体力学中关于球体周围流 模拟的结果更为准确，更贴近实际的钢冶炼过程 表1夹杂物受力分析模型及其特征 Table 1 Inclusions'dynamic force analysis model and their features Year and Reference Model features Inclusion type Slag type Temperature/ K Rigid sphere Al2O3 1992,Nakajima et al. Basic model with consideration of Al2O:-SiOz-TiOz and SiO2-Al2O3-CaF2-MgO-Cao- steel film drainage Al2O3-SiO2-FeO-TiO NaO and so on three types 1823 19 Bouris and Bergeles Considering the steel film drainage Rigid sphere Al2O, and re-entrainment of inclusion Al2O:-SiO2-TiOz and SiOz-Al2O:-CaFz-MgO-Cao- Al2O:-SiOz-FeO-TiOz NazO and so on three types 2005,Shannon and Sridharm Study the separation of different LF refining slag,tundish flux and inclusion shapes Sphere,octahedron and plate shape mold flux 2006,Valdez et al.周 Considering the separation and Rigid sphere AlO3 MgO,ZrO2 LF refining slag,tundish flux and dissolution of inclusion separately and Mg Al2O mold flux 1773 2005,Strandh et al. First study focusing on the liquid inclusion separation Rigid liquid sphere LF refining slag 1773,1873 2005,Strandh et al.0 Application of the model to optimizing tundish flux content Rigid sphere Al,O; Tundish flux 1823 2008,Shannon et al. Study on the contact velocity of inclusion with the interface Rigid sphere Al2O3 Tundish flux 一 Revise the drag force and terminal 2014,Yang et al. velocity equations according to Re Rigid sphere Al2O3 LF refining slag 1873 number Coupling the separation and 2019,Liu et al.4 dynamic dissolution model of Rigid sphere Al2O3 LF refining slag 1873 inclusion Considering the interfacial 2019,Xuan et al.月 deformation at the stage of thin- Rigid liquid sphere VD refining slag 1873 film drainage 但必须明确的是，由于经典的受力分析模型 身的局限性，迫切需要从流体力学原理出发来研 基于单一质点分析法和一系列的理想化假设，因 究钢-渣界面夹杂物的分离问题，对涉及夹杂物去 此在判断夹杂物去除方面，仅可进行定性和半定 除的三相运动行为进行准确计算，从而揭示夹杂 量的研究，而定量研究还存在一定难度.虽然多年 物高效去除机理 来尝试从各个角度对模型进行改进，但是最基本 的流体运动与夹杂物受力仍是基于经验公式，无 Zaxis 法应对复杂多变的界面情形l-]Xuan等围在研 Thin film 究中发现钢-渣界面的变形过程对夹杂物分离去 Slag phase 除有显著影响，认为模型的建立应该考虑界面的 变形性，引入了钢液膜排空和界面弯月面至模型 中，如图2所示.该模型虽然认识到界面变形性的 重要性，但在受力分析模型中对界面变形进行相 Inclusion 关计算时，依然是基于经验公式，无法准确预测界 -Distance from point D to inte Steel phase 面的动态变形和液膜破裂过程.在运动模型的基 Z-Distance from point C to interface -Meniscus curve radius 础上，一些研究]考虑了夹杂物在界面呈静态停 -Inclusion radius -Angle ABC=Angle COD 留的情形，建立了计算夹杂物静止于界面时钢-渣 图2考虑界面变形及钢液膜破裂的夹杂物受力分析模型示意图 弯月面形状的模型，进一步补充了对夹杂物去除 Fig.2 Schematic of the force analysis model considering interface 全过程中各种情形的模拟.鉴于受力分析模型自 deformation and steel film rupture程. 受力分析模型从开始建立就考虑了夹杂物迫 近界面时，夹杂物与界面之间钢液膜形成及排空 破裂的过程，采用了流体力学中关于球体周围流 体流动的经验公式. 后续对于曳力、附加质量力、 界面张力（反弹力）等各种力都不断地更新改进，使 模拟的结果更为准确，更贴近实际的钢冶炼过程. 表 1 夹杂物受力分析模型及其特征 Table 1   Inclusions’ dynamic force analysis model and their features Year and Reference Model features Inclusion type Slag type Temperature/ K 1992, Nakajima et al.[1] Basic model with consideration of steel film drainage Rigid sphere Al2O3 , Al2O3−SiO2−TiO2 and Al2O3−SiO2−FeO−TiO2 SiO2−Al2O3−CaF2−MgO−CaO− Na2O and so on three types 1823 1998, Bouris and Bergeles [6] Considering the steel film drainage and re-entrainment of inclusion Rigid sphere Al2O3 , Al2O3−SiO2−TiO2 and Al2O3−SiO2−FeO−TiO2 SiO2−Al2O3−CaF2−MgO−CaO− Na2O and so on three types — 2005, Shannon and Sridhar [7] Study the separation of different inclusion shapes Sphere, octahedron and plate shape LF refining slag, tundish flux and mold flux — 2006, Valdez et al. [8] Considering the separation and dissolution of inclusion separately Rigid sphere Al2O3 , MgO, ZrO2 and Mg Al2O4 LF refining slag, tundish flux and mold flux 1773 2005, Strandh et al. [9] First study focusing on the liquid inclusion separation Rigid liquid sphere LF refining slag 1773, 1873 2005, Strandh et al. [10] Application of the model to optimizing tundish flux content Rigid sphere Al2O3 Tundish flux 1823 2008, Shannon et al. [11] Study on the contact velocity of inclusion with the interface Rigid sphere Al2O3 Tundish flux — 2014, Yang et al. [12] Revise the drag force and terminal velocity equations according to Re number Rigid sphere Al2O3 LF refining slag 1873 2019, Liu et al. [4] Coupling the separation and dynamic dissolution model of inclusion Rigid sphere Al2O3 LF refining slag 1873 2019, Xuan et al.[3] Considering the interfacial deformation at the stage of thin￾film drainage Rigid liquid sphere VD refining slag 1873 但必须明确的是，由于经典的受力分析模型 基于单一质点分析法和一系列的理想化假设，因 此在判断夹杂物去除方面，仅可进行定性和半定 量的研究，而定量研究还存在一定难度. 虽然多年 来尝试从各个角度对模型进行改进，但是最基本 的流体运动与夹杂物受力仍是基于经验公式，无 法应对复杂多变的界面情形[1−12] . Xuan 等[3] 在研 究中发现钢−渣界面的变形过程对夹杂物分离去 除有显著影响，认为模型的建立应该考虑界面的 变形性，引入了钢液膜排空和界面弯月面至模型 中，如图 2 所示. 该模型虽然认识到界面变形性的 重要性，但在受力分析模型中对界面变形进行相 关计算时，依然是基于经验公式，无法准确预测界 面的动态变形和液膜破裂过程. 在运动模型的基 础上，一些研究[13] 考虑了夹杂物在界面呈静态停 留的情形，建立了计算夹杂物静止于界面时钢−渣 弯月面形状的模型，进一步补充了对夹杂物去除 全过程中各种情形的模拟. 鉴于受力分析模型自 身的局限性，迫切需要从流体力学原理出发来研 究钢−渣界面夹杂物的分离问题，对涉及夹杂物去 除的三相运动行为进行准确计算，从而揭示夹杂 物高效去除机理. ZD—Distance from point D to interface ZC—Distance from point C to interface r0—Meniscus curve radius R0—Inclusion radius θ—Angle ABC=Angle COD Slag phase Steel phase Inclusion Thin film Z axis D B C E F O R0 r Z 0 D A ZC θ θ 图 2    考虑界面变形及钢液膜破裂的夹杂物受力分析模型示意图[3] Fig.2     Schematic  of  the  force  analysis  model  considering  interface deformation and steel film rupture[3] 刘    威等： 钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 · 1649 ·