王敏等：钢中非金属夹杂物形态对其去除行为的影响 ·35 质量分数可达到4×106以下，超低氧情况下夹杂物 1实验方法及原理 数量已经控制到极低水平，同时要求钢中单颗粒的 D类球状不变形氧化物和Ds类单颗粒球状夹杂物 根据脱氧条件的不同钢液中非金属夹杂物形状差 尽可能少，无TN夹杂等才能满足其高疲劳性能☒ 异性非常大.简单粒子既有球形也有非球形，如图1 不同钢种对非金属夹杂物的控制要求存在差异性， (a)~(c)是原貌分析得到的不同脱氧条件下的典型 不同钢液脱氧条件下夹杂物形貌差异性也非常大. 夹杂物粒子问：同时脱氧夹杂物的聚合、长大过程会形 要最大化地去除钢中高危害夹杂物，首先需要明确 成很多复杂粒子，如图1(d)和图(e).不同类型夹杂 不同非金属夹杂物的形态特征与其上浮去除行为的 物上浮去除能力的差异性需要通过判断不同形貌粒子 关系国 在溶液中的阻力系数进行比较.传统的关于颗粒阻力 本文采用石蜡粒子模拟钢液中不同形态特征的夹 和阻力系数的理论是基于理想的球形颗粒建立的，对 杂物，通过物理模拟的手段研究粒子形状、表面形貌和 于非球形颗粒需要修正.形状修正系数C,是指非球 运动取向对粒子形状修正系数的影响，从而判断不同 形粒子的实际阻力对等体积的理想球形粒子阻力系数 形态特征粒子的上浮去除能力，为钢中非金属夹杂物 的修正系数；通过研究不同粒子形状修正系数可以间 的去除提供指导 接判断各种类型粒子的上浮去除能力. (e) 5 um 5 jm 5 um 图1钢中不同特征的非金属夹杂物 Fig.I Non-metallic inclusions with different characteristics in molten steel 粒子在流体中运动受到的阻力F,可以表示为 m4为流体的运动黏度，m2。,4水=1.006m2s1 F.=CupUA (1) 由式(3)和式(4)可知，C为粒子相对运动速度 U的函数. 式中：C为阻力系数：U,为粒子相对流体的运动速度， 将C和Re代入式(1)，可得到粒子运动阻力的表 ms;A,为粒子的迎风面积，m2;p为粒子的密度， 达式： kg'm-3. 2μ，CC,UA 24CC: = (5) Co=R (2) D 粒子上浮的过程中，初期有一个加速过程，当粒子 式中，C,为粒子的形状修正系数，R。为颗粒雷诺数， 的净浮力与上浮过程中液体的阻力相等时，达到匀速 C为雷诺数修正系数. 2μCR（U1）U,A ke =PDU (Pr-p)Vg = (6) D (3) 12μC,(U2)U2A Ce=1+0.15Re8m+0.0175(1+4.25×10e6)-.的 (p-P）Vg= (7) D (4) 式中：V为粒子体积，m3:g为重力加速度，ms2:用U 式中P为流体的密度，kg"m3:D为粒子的当量直径， 表示球形粒子上浮达到匀速后的速度，C,是U,的函王 敏等: 钢中非金属夹杂物形态对其去除行为的影响 质量分数可达到 4 × 10 － 6以下，超低氧情况下夹杂物 数量已经控制到极低水平，同时要求钢中单颗粒的 D 类球状不变形氧化物和 Ds 类单颗粒球状夹杂物 尽可能少，无 TiN 夹杂等才能满足其高疲劳性能［2］． 不同钢种对非金属夹杂物的控制要求存在差异性， 不同钢液脱氧条件下夹杂物形貌差异性也非常大． 要最大化地去除钢中高危害夹杂物，首先需要明确 不同非金属夹杂物的形态特征与其上浮去除行为的 关系［3］． 本文采用石蜡粒子模拟钢液中不同形态特征的夹 杂物，通过物理模拟的手段研究粒子形状、表面形貌和 运动取向对粒子形状修正系数的影响，从而判断不同 形态特征粒子的上浮去除能力，为钢中非金属夹杂物 的去除提供指导． 1 实验方法及原理 根据脱氧条件的不同钢液中非金属夹杂物形状差 异性非常大［4］． 简单粒子既有球形也有非球形，如图 1 ( a) ～ ( c) 是原貌分析得到的不同脱氧条件下的典型 夹杂物粒子［5］; 同时脱氧夹杂物的聚合、长大过程会形 成很多复杂粒子，如图 1( d) 和图( e) ． 不同类型夹杂 物上浮去除能力的差异性需要通过判断不同形貌粒子 在溶液中的阻力系数进行比较． 传统的关于颗粒阻力 和阻力系数的理论是基于理想的球形颗粒建立的，对 于非球形颗粒需要修正． 形状修正系数 Cs，是指非球 形粒子的实际阻力对等体积的理想球形粒子阻力系数 的修正系数; 通过研究不同粒子形状修正系数可以间 接判断各种类型粒子的上浮去除能力． 图 1 钢中不同特征的非金属夹杂物 Fig． 1 Non-metallic inclusions with different characteristics in molten steel 粒子在流体中运动受到的阻力 Fd可以表示为 Fd = 1 2 CD ρpU2 pAs． ( 1) 式中: CD为阻力系数; Up为粒子相对流体的运动速度， m·s － 1 ; As 为粒子的迎风面积，m2 ; ρp 为粒子 的 密 度， kg·m － 3 ． CD = 24 Ｒep CＲeCs． ( 2) 式中，Cs为粒子的形状修正系数，Ｒep 为颗粒雷诺数， CＲe为雷诺数修正系数． Ｒep = ρfDUP μf ． ( 3) CＲe = 1 + 0. 15Ｒe0. 678 p + 0. 0175 ( 1 + 4. 25 × 104 Ｒe － 1. 16 p ) － 1 ． ［6］ ( 4) 式中: ρf为流体的密度，kg·m － 3 ; D 为粒子的当量直径， m; μf为流体的运动黏度，m2 ·s － 1，μ水 = 1. 006 m2 ·s － 1 ． 由式( 3) 和式( 4) 可知，CＲe为粒子相对运动速度 Up的函数． 将 CD和 Ｒep代入式( 1) ，可得到粒子运动阻力的表 达式: Fd = 12μfCＲeCsUpAs D ． ( 5) 粒子上浮的过程中，初期有一个加速过程，当粒子 的净浮力与上浮过程中液体的阻力相等时，达到匀速． ( ρf － ρp ) Vg = 12μfCＲe1 ( U1 ) U1As1 D ． ( 6) ( ρf － ρp ) Vg = 12μfCＲe2 ( U2 ) U2As2 D ． ( 7) 式中: V 为粒子体积，m3 ; g 为重力加速度，m·s － 2 ; 用 U1 表示球形粒子上浮达到匀速后的速度，CＲe 是 U1 的函 · 53 ·