·36 工程科学学报，第38卷，第1期 数；U,表示非球形颗粒上浮达到匀速后的速度，C是 铁，且形貌越复杂内部带入的金属铁含量越高，复合脱 U2的函数 氧产物的实际密度要大于纯A山，0，的密度，其表观密 式(6)和式(7)中左边为净浮力，右边为液体所受 度为(4.0~4.5)×103kg·m3,因此夹杂物粒子与钢 到的阻力 液的密度比值范围为0.56~0.66.实验中石蜡粒子与 显然，U2≠U.实验过程中保证不同粒子的密度 去离子水溶液的密度比略高于夹杂物与钢液的密度 和体积相等，则形状修正系数可以用下式计算得到： 比，但密度比的差异只影响粒子上浮达到最大速度的 C (U)U,A. 时间，不影响区分粒子去除的难易程度和形状系数的 C.=C (U U3A. (8) 差异性 针对夹杂物的上浮去除方面许多学者进行了研 粒子上浮模拟的实验装置如图2.实验开始前，首 究，采用的模拟夹杂物的粒子多为液态硅油或者 先称量相同质量的石蜡用于浇注不同形状的粒子（部 塑料发泡粒子，其形状主要以球形或者近球形为主，忽 分浇注成型的粒子形状如图3)，调整摄像机与容器之 略了夹杂物形状对上浮去除的影响.真实治炼过程中 间的距离并固定高速摄像机位置，使其监控范围可以 固相夹杂物大都形状不规则，形状对其上浮去除的影 完全覆盖粒子匀速运动段：粒子槽内部存在三个彼此 响不能忽略.本研究选择固体石蜡/去离子水的实验 分隔的用于放置模拟粒子的矩形区间，实验前将待测 体系来模拟夹杂物/钢液体系，固态石蜡与水不润湿 粒子和对比粒子分别放置在粒子槽内的不同区间， (润湿角105)，AL,03与钢液不润湿（润湿角为140）， 粒子槽上方用一个T型的有机玻璃板与螺栓卡片相 粒子在溶液体系中界面行为相似，且石蜡通过液态浇 连，起到隔离粒子与溶液的作用，放置好粒子后将抽 注更容易精确控制其形状，便于根据夹杂物形状对其 屉推入模拟容器内并固定和密封后，将去离子水注 进行形状设计，对于观察粒子形状对其上浮去除的影 入到容器中，待到液位稳定后，打开摄像机，并同时 响非常有帮助.模拟体系中，固体石蜡的密度P石罐= 松开螺栓卡片，将T型有机玻璃板缓缓拉出，则槽内 (0.81~0.90)×103kgm3,去离子水的密度p水= 的粒子在浮力作用下开始加速运动，直到达到匀速， 1.0×103kgm3,粒子与溶液的密度比值范围0.81~ 最后抵达搁板处：摄像机通过容器上的标尺记录粒 0.90:钢液体系中，钢液的密度范围P液=(6.8~7.1)× 子的运动轨迹，根据粒子移动的距离和时间计算粒 102kgm30,纯山，0，氧化物的密度为3.8×103kg· 子达到匀速后的速度.采用垂直投影法计算不同形 m3,但实验脱氧后得到的夹杂物主要成分为A山，0，、 状粒子的迎风面积，通过式(8)计算各种粒子的形状 一部分钛氧化物(p0,=4.6×10kgm)和少量金属 修正系数 搁板 摄像机 粒子放置槽 蝶栓卡片 开口 100 (用于放置抽屉) 图2实验装置示意图（单位：mm) Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment (unit:mm) 每种粒子的设计质量均为0.5g(即体积相等)， (半径5.1mm的光滑球，半径5.1mm的粗糙表面球 保证粒子在溶液中受到的重力和浮力相等，通过对比 形，边长8.3mm的立方体，半径4.0mm×高11.1mm 复杂粒子与标准球形粒子的上浮差异性，可以判断不 的圆柱，半径6mm×高4.9mm的圆柱)和两种复杂粒 同形状粒子上浮过程中受到阻力的差异性，进而判断 子（树枝状，团簇状），每组形状粒子的实验方案测定4 不同粒子的形状修正系数.实验设计5种简单粒子 次.其中，粗糙小球在加工过程中采用不同粗糙度的工程科学学报，第 38 卷，第 1 期 数; U2表示非球形颗粒上浮达到匀速后的速度，CＲe是 U2的函数． 式( 6) 和式( 7) 中左边为净浮力，右边为液体所受 到的阻力． 显然，U2≠U1 ． 实验过程中保证不同粒子的密度 和体积相等，则形状修正系数可以用下式计算得到: Cs = CＲe1 ( U1 ) U1As1 CＲe2 ( U2 ) U2As2 ． ( 8) 针对夹杂物的上浮去除方面许多学者进行了研 究［7--9］，采用的模拟夹杂物的粒子多为液态硅油或者 塑料发泡粒子，其形状主要以球形或者近球形为主，忽 略了夹杂物形状对上浮去除的影响． 真实冶炼过程中 固相夹杂物大都形状不规则，形状对其上浮去除的影 响不能忽略． 本研究选择固体石蜡/去离子水的实验 体系来模拟夹杂物/钢液体系，固态石蜡与水不润湿 ( 润湿角 105°) ，Al2O3与钢液不润湿( 润湿角为 140°) ， 粒子在溶液体系中界面行为相似，且石蜡通过液态浇 注更容易精确控制其形状，便于根据夹杂物形状对其 进行形状设计，对于观察粒子形状对其上浮去除的影 响非常有帮助． 模拟体系中，固体石蜡的密度 ρ石蜡 = ( 0. 81 ～ 0. 90) × 103 kg·m － 3［10］，去离子水的密度 ρ水 = 1. 0 × 103 kg·m － 3，粒子与溶液的密度比值范围 0. 81 ～ 0. 90; 钢液体系中，钢液的密度范围 ρ钢液 = ( 6. 8 ～ 7. 1) × 103 kg·m － 3［11］，纯 Al2O3氧化物的密度为 3. 8 × 103 kg· m － 3，但实验脱氧后得到的夹杂物主要成分为 Al2 O3、 一部分钛氧化物( ρTi2O3 = 4. 6 × 103 kg·m － 3 ) 和少量金属 铁，且形貌越复杂内部带入的金属铁含量越高，复合脱 氧产物的实际密度要大于纯 Al2 O3 的密度，其表观密 度为( 4. 0 ～ 4. 5) × 103 kg·m － 3，因此夹杂物粒子与钢 液的密度比值范围为 0. 56 ～ 0. 66． 实验中石蜡粒子与 去离子水溶液的密度比略高于夹杂物与钢液的密度 比，但密度比的差异只影响粒子上浮达到最大速度的 时间，不影响区分粒子去除的难易程度和形状系数的 差异性． 粒子上浮模拟的实验装置如图 2． 实验开始前，首 先称量相同质量的石蜡用于浇注不同形状的粒子( 部 分浇注成型的粒子形状如图 3) ，调整摄像机与容器之 间的距离并固定高速摄像机位置，使其监控范围可以 完全覆盖粒子匀速运动段; 粒子槽内部存在三个彼此 分隔的用于放置模拟粒子的矩形区间，实验前将待测 粒子和对比粒子分别放置在粒子槽内的不同区间， 粒子槽上方用一个 T 型的有机玻璃板与螺栓卡片相 连，起到隔离粒子与溶液的作用，放置好粒子后将抽 屉推入模拟容器内并固定和密封后，将去离子水注 入到容器中，待到液位稳定后，打开摄像机，并同时 松开螺栓卡片，将 T 型有机玻璃板缓缓拉出，则槽内 的粒子在浮力作用下开始加速运动，直到达到匀速， 最后抵达搁板处; 摄像机通过容器上的标尺记录粒 子的运动轨迹，根据粒子移动的距离和时间计算粒 子达到匀速后的速度． 采用垂直投影法计算不同形 状粒子的迎风面积，通过式( 8) 计算各种粒子的形状 修正系数． 图 2 实验装置示意图( 单位: mm) Fig． 2 Schematic diagram of experimental equipment ( unit: mm) 每种粒子的设计质量均为 0. 5 g ( 即体积相等) ， 保证粒子在溶液中受到的重力和浮力相等，通过对比 复杂粒子与标准球形粒子的上浮差异性，可以判断不 同形状粒子上浮过程中受到阻力的差异性，进而判断 不同粒子的形状修正系数． 实验设计 5 种简单粒子 ( 半径 5. 1 mm 的光滑球，半径 5. 1 mm 的粗糙表面球 形，边长 8. 3 mm 的立方体，半径 4. 0 mm × 高 11. 1 mm 的圆柱，半径 6 mm × 高 4. 9 mm 的圆柱) 和两种复杂粒 子( 树枝状，团簇状) ，每组形状粒子的实验方案测定 4 次． 其中，粗糙小球在加工过程中采用不同粗糙度的 · 63 ·