·1650 工程科学学报，第43卷，第12期 1.2流体力学（CFD)模型 微观模型是指模拟区域大小与夹杂物尺度相 夹杂物穿越钢-渣界面的过程，是夹杂物一熔 近的模型.在钢液的冶炼温度下，根据夹杂物的相 渣一钢液三相相互作用的过程，该过程涉及液- 态，通常可分为固态和液态夹杂物两类：固态夹杂 液和固-液的相互作用，其本身是一个以流体动力 物，如氧化铝、镁铝尖晶石夹杂等：液态夹杂物，如 学为主的过程，因此很多研究尝试利用流体动力 低熔点的钙铝酸盐类夹杂和硫化锰夹杂等.不同 学原理来研究这个过程 相态的夹杂物不仅是熔点高低的差异，其在钢-渣 虽然夹杂物通过钢-渣界面分离去除是一个 体系中的运动行为也有着显著差异.液态夹杂物 微观过程，但受限于早期模型完成度与计算能力， 在钢-渣体系中的运动行为是一个只涉及流体的 夹杂物去除的宏观尺度模型早于微观模型得到了 三相流问题，而固态夹杂物则是钢一渣两相流与固 发展.夹杂物的宏观模型是指利用C℉D建模方法 体间相互作用的问题.研究多相流的方法有拉格 模拟研究宏观尺度的冶金容器中夹杂物的不同运 朗日法和欧拉法两类，DPM模型即为典型的朗格 动状态，如LF精炼炉-、RH精炼炉、连铸中 朗日法，流体体积模型(VOF)则为典型的欧拉法 间包7-1和结品器1等各类冶金容器中夹杂物的 Duan等2)利用DPM法研究了钢液中固态夹杂物 运动轨迹和去除过程的模型.相对于宏观的冶金 与气泡碰撞的微观过程，认为该过程是一个两相 容器，夹杂物尺寸较小，在宏观的流场模拟中，如 流中异相粒子运动的过程，但研究中为了简化计 何模拟处理夹杂物的运动，一直是宏观模型研究 算，将气泡-钢液界面假设为固定边界，无法准确 的重点.通常有离散相模型(DPM)P0和群体平衡 还原夹杂物运动轨迹.陈开来等24]利用VOF模型 模型(PBM)2四]两种处理方法，前者将每个夹杂物 模拟了钢液中两个液态夹杂物润湿、聚合的过程 视为流体中的分散相，采用与受力模型中相同的 由于液-液界面厚度与网格密度直接相关，VOF 经验公式来预测夹杂物运动轨迹，并非从原理出 方法在微观层面精确追踪液一液界面计算负担巨 发进行运动追踪，计算结果如图3所示；而PBM 大，一般较少应用，目前普遍采用相场多相流法来 方法则关注夹杂物群体行为，对于夹杂物间的碰 模拟微观的多相流行为.Xuan等2利用相场法模 撞、聚合等行为能够较好地拟合，但完全忽略了个 拟了钢液中液态夹杂物对固态夹杂物润湿的两相 体的运动行为，宏观模型中关于夹杂物的模拟结 流过程，但此研究中固态夹杂物设置为气泡一钢液 果更依赖于微观经验公式的正确与否四，虽然受 两相流的固定边界条件，因此模型并未包含流体 力分析模型已经周全考虑各种力及其动态变化， 与固体间的相互作用行为.Liu等27利用相场模 但目前大部分C℉D模拟研究所用的经验公式及模 型研究了钢-渣体系中气泡的上浮-穿越行为，较 型并未做相应更新.相反地，宏观的流动也会受到 高精度地实现了对微观三相流过程的模拟，模拟 流体中异相粒子的反作用，尤其是微小气泡这类 效果如图4所示，后又在相场多相流的基础上，添 异相粒子，对钢液流动有较大影响.因此，更需要 加流体-固体相互作用模块，成功模拟了固态夹杂 进一步研究细化流体与异相粒子间的相互作用规 物在钢-渣体系中的运动行为P,但该模型目前能 律，为宏观模型的改进提供新的依据 模拟的夹杂物尺寸下限为10um,而实际的钢液中 1m左右的小尺寸夹杂物行为模拟还难以实现. 钢-渣两相体系中的微观现象C℉D模型研究并 不多，很多研究只是进行了初步的尝试.但随着相场 Size/um ■10 多相流、流体-固体相互作用等模型的开发应用，钢- ■20 ■50 渣体系中的微观现象会得到更为精准的模拟计算， ■100 ■200 能够为揭示微观现象机理提供更多的理论依据. ■300 ■00 ■1000 2夹杂物界面去除的实验研究 2.1水模拟实验研究 -0.6 -0.4-0.200.20.4 0.6 与流体力学模型CD相似，水模型实验也是 Distance from outside radius center/m 可以较好揭示高温钢液流动行为的方法之一，在 图3板坯结品器内夹杂物运动DPM方法模拟结果四 Fig.3 Simulation of the inclusion motion in a slab mold using the DPM 夹杂物去除领域，同样分为宏观水模型和微观水 method 模型实验两种.宏观模型是指利用水一油等两相体1.2    流体力学（CFD）模型 夹杂物穿越钢−渣界面的过程，是夹杂物−熔 渣−钢液三相相互作用的过程，该过程涉及液− 液和固−液的相互作用，其本身是一个以流体动力 学为主的过程，因此很多研究尝试利用流体动力 学原理来研究这个过程. 虽然夹杂物通过钢−渣界面分离去除是一个 微观过程，但受限于早期模型完成度与计算能力， 夹杂物去除的宏观尺度模型早于微观模型得到了 发展. 夹杂物的宏观模型是指利用 CFD 建模方法 模拟研究宏观尺度的冶金容器中夹杂物的不同运 动状态，如 LF 精炼炉[14−15]、RH 精炼炉[16]、连铸中 间包[17−18] 和结晶器[19] 等各类冶金容器中夹杂物的 运动轨迹和去除过程的模型. 相对于宏观的冶金 容器，夹杂物尺寸较小，在宏观的流场模拟中，如 何模拟处理夹杂物的运动，一直是宏观模型研究 的重点. 通常有离散相模型（DPM） [20] 和群体平衡 模型（PBM） [21] 两种处理方法，前者将每个夹杂物 视为流体中的分散相，采用与受力模型中相同的 经验公式来预测夹杂物运动轨迹，并非从原理出 发进行运动追踪，计算结果如图 3 所示；而 PBM 方法则关注夹杂物群体行为，对于夹杂物间的碰 撞、聚合等行为能够较好地拟合，但完全忽略了个 体的运动行为. 宏观模型中关于夹杂物的模拟结 果更依赖于微观经验公式的正确与否[22] ，虽然受 力分析模型已经周全考虑各种力及其动态变化， 但目前大部分 CFD 模拟研究所用的经验公式及模 型并未做相应更新. 相反地，宏观的流动也会受到 流体中异相粒子的反作用，尤其是微小气泡这类 异相粒子，对钢液流动有较大影响. 因此，更需要 进一步研究细化流体与异相粒子间的相互作用规 律，为宏观模型的改进提供新的依据. Distance from outside radius center/m Size/μm 10 20 50 100 200 300 500 Distance below meniscus/m 1000 0 −1 −2 −3 −4 −5 −6 −7 −8 −9 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 图 3    板坯结晶器内夹杂物运动 DPM 方法模拟结果[20] Fig.3    Simulation of the inclusion motion in a slab mold using the DPM method[20] 微观模型是指模拟区域大小与夹杂物尺度相 近的模型. 在钢液的冶炼温度下，根据夹杂物的相 态，通常可分为固态和液态夹杂物两类：固态夹杂 物，如氧化铝、镁铝尖晶石夹杂等；液态夹杂物，如 低熔点的钙铝酸盐类夹杂和硫化锰夹杂等. 不同 相态的夹杂物不仅是熔点高低的差异，其在钢−渣 体系中的运动行为也有着显著差异. 液态夹杂物 在钢−渣体系中的运动行为是一个只涉及流体的 三相流问题，而固态夹杂物则是钢−渣两相流与固 体间相互作用的问题. 研究多相流的方法有拉格 朗日法和欧拉法两类，DPM 模型即为典型的朗格 朗日法，流体体积模型（VOF）则为典型的欧拉法. Duan 等[23] 利用 DPM 法研究了钢液中固态夹杂物 与气泡碰撞的微观过程，认为该过程是一个两相 流中异相粒子运动的过程，但研究中为了简化计 算，将气泡−钢液界面假设为固定边界，无法准确 还原夹杂物运动轨迹. 陈开来等[24] 利用 VOF 模型 模拟了钢液中两个液态夹杂物润湿、聚合的过程. 由于液−液界面厚度与网格密度直接相关[25] ，VOF 方法在微观层面精确追踪液−液界面计算负担巨 大，一般较少应用，目前普遍采用相场多相流法来 模拟微观的多相流行为. Xuan 等[26] 利用相场法模 拟了钢液中液态夹杂物对固态夹杂物润湿的两相 流过程，但此研究中固态夹杂物设置为气泡−钢液 两相流的固定边界条件，因此模型并未包含流体 与固体间的相互作用行为. Liu 等[27] 利用相场模 型研究了钢−渣体系中气泡的上浮−穿越行为，较 高精度地实现了对微观三相流过程的模拟，模拟 效果如图 4 所示，后又在相场多相流的基础上，添 加流体−固体相互作用模块，成功模拟了固态夹杂 物在钢−渣体系中的运动行为[28] ，但该模型目前能 模拟的夹杂物尺寸下限为 10 μm，而实际的钢液中 1 μm 左右的小尺寸夹杂物行为模拟还难以实现. 钢−渣两相体系中的微观现象 CFD 模型研究并 不多，很多研究只是进行了初步的尝试. 但随着相场 多相流、流体−固体相互作用等模型的开发应用，钢− 渣体系中的微观现象会得到更为精准的模拟计算， 能够为揭示微观现象机理提供更多的理论依据. 2    夹杂物界面去除的实验研究 2.1    水模拟实验研究 与流体力学模型 CFD 相似，水模型实验也是 可以较好揭示高温钢液流动行为的方法之一，在 夹杂物去除领域，同样分为宏观水模型和微观水 模型实验两种. 宏观模型是指利用水−油等两相体 · 1650 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期