陈开来等：钢中液态夹杂物聚并行为的数学物理模拟 ·1281· 钢的精炼过程中，钢包内包含复杂的物理化学 本文基于相似理论，采用水模拟钢液，有机试剂模拟 过程.既有钢液脱氧、钢-渣界面反应、耐材侵蚀、 钢中特定液态夹杂物，通过测定界面张力等参数，在 夹杂物变质等化学反应，又包含夹夹杂物迁移、聚 钢包模型中研究并探讨不同液滴的聚合能力和上浮 合、长大、上浮等物理过程，上述过程共同决定了夹 去除率，再辅以数值计算手段进一步探究油水间界 杂物在钢中的最终存在状态.近年来，大颗粒夹杂 面参数对液滴对聚并长大过程的影响规律，为钢中 物(>50m)引起钢的质量和缺陷（如疲劳失效、冲 夹杂物尺寸控制提供理论与试验依据. 击断裂等)问题越来越多2-)，而夹杂物尺寸控制也 1 研究方法与方案 成为夹杂物问题研究的热点.液态钢中颗粒间碰 撞、聚合、长大直接影响夹杂物的尺寸与上浮去除速 1.1物理模拟方法 率，进而影响钢液的洁净度乃至最终钢产品质量. 1.1.1几何相似与动力相似 国内外学者采用物理模拟6-0]与数值模拟-3]等 物理模拟实验要求模型与原型的几何相似及动 方法研究了钢中夹杂物的聚合长大过程.结果表 力相似.本实验以某钢厂250t精炼钢包为原型，确 明，夹杂物的去除率与钢液湍流条件、夹杂物自身物 定几何相似比为1：15.对于钢包吹气精炼体系，引 性（密度、黏度、表面张力）、夹杂物与钢液间的界面 起体系内流动的动力主要是气泡浮力，保证模型与 性质（界面张力、润湿性等）参数有关大，但结果不 原型的修正Froude准数相等即可，进而可以确定模 一·为了深入揭示钢液中夹杂物的聚合、长大机理， 型中的吹气量.模型与原型的主要参数如表1所示 表1原型和模型及其介质的主要参数 Table 1 Main parameters of prototype ladle,model,and the medium 项目 钢包上口 钢包下口 熔池深度/ 喷嘴直径/ 密度/(kgm3) 吹气量/ 直径/mm 直径/mm mm mm 液体 夹杂物 气体) (L.min-!) 原型 3660 3364 4095 100 7.1×103 3.9×103 1.784(Ar) 800 模型 245 215 273 2.62) 1×103 0.98×103(二辛酯) 1.977(C02) 0.5 注：1)温度T=273K,压强p=1.013×103Pa.2)实际吹气孔为狭缝型，长5.3mm,宽1mm,按同等面积折合成圆形喷嘴直径为2.6mm. 1.1.2模拟介质的确定 二甲基硅油（以下简称硅油）三种有机试剂模拟 为消除模拟夹杂与水之间密度差对于其上 钢中的液态夹杂物，其物理性质如表2所示，相 浮去除结果的影响，本实验分别选择密度接近的 对密度为20℃下该溶剂密度与4℃下水密度的 邻苯二甲酸二辛酯（以下简称二辛酯）、苯乙醚和 比值 表2液态夹杂模拟试剂部分物理性质 Table 2 Partial physical properties of reagents chosen to simulate liquid inclusion 序号 名称 相对密度/(gcm3) 黏度/(mPas) 表面张力/(mNml) 与水界面张力/(mNml) 1 邻苯二甲酸二辛酯 0.98 9.70 27.70) 苯乙醚 0.97 1.16 29.80 29.40l4 二甲基硅油 0.97 500 21.20 35.2615] 注：1)由DCAT21动态接触角测量仪测得 根据Sahai和Emi的模拟原则16)，模型与原型 杂，st代表钢液，w代表水 中夹杂物的尺寸与夹杂物密度及熔体密度存在以下 在本钢包模拟实验中，原型与模型介质的密度 定量关系，即： 如表1所示.将入=1/15及表1中的数据带入式 (1),即可得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系. 实验中采集破碎后投入模型钢包前的模拟夹杂样本 =λ025 (1) 1、5 并利用Axio Vert.Al倒置式显微镜(Carl Zeiss公司 提供)对其形貌进行拍摄，得到1号乳状液滴的初 式中，R为半径，m;入为几何相似比；p为密度，kg· 始形貌如图1(a)所示，导入image pro plus6.0软件 m-3;下标m和p分别代表模型和原型，inc代表夹 进行液滴轮廓拟合和尺寸统计，得到拟合图像和粒陈开来等: 钢中液态夹杂物聚并行为的数学物理模拟 钢的精炼过程中,钢包内包含复杂的物理化学 过程[1] . 既有钢液脱氧、钢鄄鄄渣界面反应、耐材侵蚀、 夹杂物变质等化学反应,又包含夹夹杂物迁移、聚 合、长大、上浮等物理过程,上述过程共同决定了夹 杂物在钢中的最终存在状态. 近年来,大颗粒夹杂 物( > 50 滋m)引起钢的质量和缺陷(如疲劳失效、冲 击断裂等)问题越来越多[2鄄鄄5] ,而夹杂物尺寸控制也 成为夹杂物问题研究的热点. 液态钢中颗粒间碰 撞、聚合、长大直接影响夹杂物的尺寸与上浮去除速 率,进而影响钢液的洁净度乃至最终钢产品质量. 国内外学者采用物理模拟[6鄄鄄10] 与数值模拟[11鄄鄄13] 等 方法研究了钢中夹杂物的聚合长大过程. 结果表 明,夹杂物的去除率与钢液湍流条件、夹杂物自身物 性(密度、黏度、表面张力)、夹杂物与钢液间的界面 性质(界面张力、润湿性等)参数有关大,但结果不 一. 为了深入揭示钢液中夹杂物的聚合、长大机理, 本文基于相似理论,采用水模拟钢液,有机试剂模拟 钢中特定液态夹杂物,通过测定界面张力等参数,在 钢包模型中研究并探讨不同液滴的聚合能力和上浮 去除率,再辅以数值计算手段进一步探究油水间界 面参数对液滴对聚并长大过程的影响规律,为钢中 夹杂物尺寸控制提供理论与试验依据. 1 研究方法与方案 1郾 1 物理模拟方法 1郾 1郾 1 几何相似与动力相似 物理模拟实验要求模型与原型的几何相似及动 力相似. 本实验以某钢厂 250 t 精炼钢包为原型,确 定几何相似比为 1颐 15. 对于钢包吹气精炼体系,引 起体系内流动的动力主要是气泡浮力,保证模型与 原型的修正 Froude 准数相等即可,进而可以确定模 型中的吹气量. 模型与原型的主要参数如表1 所示. 表 1 原型和模型及其介质的主要参数 Table 1 Main parameters of prototype ladle, model, and the medium 项目 钢包上口 直径/ mm 钢包下口 直径/ mm 熔池深度/ mm 喷嘴直径/ mm 密度/ (kg·m - 3 ) 液体 夹杂物 气体1) 吹气量/ (L·min - 1 ) 原型 3660 3364 4095 100 7郾 1 伊 10 3 3郾 9 伊 10 3 1郾 784(Ar) 800 模型 245 215 273 2郾 6 2) 1 伊 10 3 0郾 98 伊 10 3 (二辛酯) 1郾 977(CO2 ) 0郾 5 注:1)温度 T = 273 K,压强 p = 1郾 013 伊 10 5 Pa. 2)实际吹气孔为狭缝型,长 5郾 3 mm,宽 1 mm,按同等面积折合成圆形喷嘴直径为 2郾 6 mm. 1郾 1郾 2 模拟介质的确定 为消除模拟夹杂与水之间密度差对于其上 浮去除结果的影响,本实验分别选择密度接近的 邻苯二甲酸二辛酯(以下简称二辛酯) 、苯乙醚和 二甲基硅油( 以下简称硅油) 三种有机试剂模拟 钢中的液态夹杂物,其物理性质如表 2 所示,相 对密度为 20 益 下该溶剂密度与 4 益 下水密度的 比值. 表 2 液态夹杂模拟试剂部分物理性质 Table 2 Partial physical properties of reagents chosen to simulate liquid inclusion 序号 名称 相对密度/ (g·cm - 3 ) 黏度/ (mPa·s) 表面张力/ (mN·m - 1 ) 与水界面张力/ (mN·m - 1 ) 1 邻苯二甲酸二辛酯 0郾 98 9郾 70 — 27郾 70 1) 2 苯乙醚 0郾 97 1郾 16 29郾 80 29郾 40 [14] 3 二甲基硅油 0郾 97 500 21郾 20 35郾 26 [15] 注:1)由 DCAT21 动态接触角测量仪测得. 根据 Sahai 和 Emi 的模拟原则[16] ,模型与原型 中夹杂物的尺寸与夹杂物密度及熔体密度存在以下 定量关系,即: Rinc,m Rinc,p = 姿 é ë ê ê ê ( 0郾 25 1 - 籽inc,p 籽 ) ( st 1 - 籽inc,m 籽 ) ù û ú ú ú w 0郾 5 (1) 式中,R 为半径,m;姿 为几何相似比;籽 为密度,kg· m - 3 ;下标 m 和 p 分别代表模型和原型,inc 代表夹 杂,st 代表钢液,w 代表水. 在本钢包模拟实验中,原型与模型介质的密度 如表 1 所示. 将 姿 = 1 / 15 及表 1 中的数据带入式 (1),即可得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系. 实验中采集破碎后投入模型钢包前的模拟夹杂样本 并利用 Axio Vert. A1 倒置式显微镜(Carl Zeiss 公司 提供)对其形貌进行拍摄,得到 1 号乳状液滴的初 始形貌如图 1(a)所示,导入 image pro plus6郾 0 软件 进行液滴轮廓拟合和尺寸统计,得到拟合图像和粒 ·1281·