倪冰等：液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 ·201· 均值，为30.43%.用图像分析方法处理本实验的捕获 本实验的捕获效率远低于钢液中液态夹杂的捕获 现象，得到捕获效率.在运动过程中的捕获效率等于 效率. 捕获的固粒个数除以液滴掠过区域内颗粒总数.以4 mm的液滴为例，选取3个平均样本数过少从不同实 参考文献 验组数中随机选取100个液滴作为样本，在不同的液 [I]Miki Y,Thomas B G.Modeling of inclusion removal in a tundish. 滴直径下，算出液滴捕获固粒的效率，见图6，捕获效 Metall Mater Trans B,1999,30(4):639 率平均值为28.02%. [2]Zheng X F,Hayes P C,Lee H G.Particle removal from liquid 0.9 phase using fine gas bubbles./S//Int,1997,37(11):1091 0.8 一本研究 [3]Xue Z L,Wang Y F,Wang L T,et al.Inclusion removal from ·一曲线】 0.7 molten steel by attachment small bubbles.Acta Metall Sin,2003, 39(4):431 0.6 (薛正良，王义芳，王立涛，等.用小气泡从钢液中去除夹杂 0.5 物颗粒.金属学报，2003,39(4)：431) [4]Zhang L F,Aoki J,Thomas B G.Inclusion removal by bubble 0.3 flotation in a continuous casting mold.Metall Mater Trans B, 2006,37(3):361 0.2 [5]Arai H,Matsumoto K,Shimazaki S,et al.Model experiment on 01 inclusion removal by bubble flotation accompanied by particle co- agulation in turbulent flow.IS/J Int,2009,49(7):965 4 6 10 液滴直径mm [6] Ni B,Luo Z G,Di Z X,et al.Mechanism on inclusion removal by bubble.J fron Steel Res,2010,22(5):15 图6实验得到的捕获效率和液滴直径的关系 (倪冰，罗志国，狄瞻霞，等.气泡去除夹杂物的机理.钢铁 Fig.6 Relationship of capture efficiency and droplet diameter by ex- 研究学报，2010,22(5)：15) periment [7]Guo J,Cheng S S,Cheng Z J,et al.Effects of collision behavior 从图中可以看出，实验结果的曲线与只考虑惯性 on Al,O:based inclusion modification after calcium treatment for aluminium-killed steel./ron Steel,2013,48(9):37 碰撞的曲线的趋势是一致的，说明实验结果是可靠的， (郭靖，程树森，程子建，等.铝镇静钢钙处理后碰撞行为对 而且液滴与固粒的聚合行为的确是惯性碰撞占主导地 A山203夹杂物变性的作用.钢铁2013,48(9)：37) 位.只是实际钢液的湍动能的范围多在103~10-2m2· [8]Ni B.He Q,Wu W.Thermal simulation of inclusion removal by s2之间，本实验的湍动能的范围在107~105m2·s2 fine heterophases.Iron Steel,2015,50(10):14 之间，因为湍动程度较低，不同直径的捕集效率相对较 (倪冰，贺庆，吴巍.微小相去除夹杂物的热模拟试验.钢铁， 为均匀，没有理论计算曲线那样陡峭.同样也可以判 2015,50(10)：14) 断出本实验的捕获效率远低于钢液中液态夹杂的捕获 [9]Ni B.Yang Y,He Q,et al.Experiment in inclusion removal by 效率 fine heterophases in water model.J Iron Steel Res,2015,27(8): 24 4结论 (倪冰，杨勇，贺庆，等.微小相去除夹杂物的水模型实验 钢铁研究学报，2015,27(8)：24) (1)水模拟实验中存在液滴与固粒聚合的现象， [10]Song Y B,Zhang MC.Zhou Y C.et al.Modeling research on 通过观察和高速摄影仪的拍摄发现液滴与固粒聚合有 impaction between high-Ca0 ash and droplets for humidification 三种方式：惯性碰撞、截留捕获和尾流捕获.其中，惯 desulfurization.Power Eng,2004,24(1):114 性碰撞占主导地位. (宋玉宝，章明川，周月桂，等.高钙煤灰颗粒与液滴碰撞增 湿脱硫过程的模型研究.动力工程，2004,24(1)：114) (2)根据理论计算出只考虑惯性碰撞的捕获效 [11]Lindborg U,Tossell K.A collision model for the growth and sep- 率与同时考虑惯性碰撞和截留的捕获效率，并作曲 aration of deoxidation products.Trans Metall Soc AlME,1968, 线，发现二者区别不大，尤其当液滴的直径较大时. 242(1):94 因此，可以得到惯性捕获在液滴和固粒聚合中占据 [12]Wong J B,Ranz W E,Johnstone H F.Inertial impaction of 主导地位. acrosol particles on cylinders.J Appl Phys,1955,26(2):244 (3)通过统计实验结果，作实验测得的捕获效率 [13]Shi J,Wang JD.Yu GZ,et al.Handbook of Chemical Engi- neering.2nd Ed.Beijing:Chemical Industry Press,1996 的曲线，与只考虑惯性碰撞的曲线的趋势是一致的， (时钧，汪家鼎，余国踪，等化学工程手册.第2版.北 说明实验结果是可靠的.其中的区别是因为实验中 京：化学工业出版社，1996) 的湍动程度较低，不同直径的捕获效率相对较为均 [14]Ranz W E.Wall flows in a cyclone separator:a description of in 匀，设没有理论计算曲线那样陡峭.同样也可以判断出 temal phenomena.Aerosol Sci Technol,1985,4(4):417倪 冰等: 液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究 均值,为 30郾 43% . 用图像分析方法处理本实验的捕获 现象,得到捕获效率. 在运动过程中的捕获效率等于 捕获的固粒个数除以液滴掠过区域内颗粒总数. 以 4 mm 的液滴为例,选取 3 个平均样本数过少. 从不同实 验组数中随机选取 100 个液滴作为样本,在不同的液 滴直径下,算出液滴捕获固粒的效率,见图 6,捕获效 率平均值为 28郾 02% . 图 6 实验得到的捕获效率和液滴直径的关系 Fig. 6 Relationship of capture efficiency and droplet diameter by ex鄄 periment 从图中可以看出,实验结果的曲线与只考虑惯性 碰撞的曲线的趋势是一致的,说明实验结果是可靠的, 而且液滴与固粒的聚合行为的确是惯性碰撞占主导地 位. 只是实际钢液的湍动能的范围多在 10 - 3 ~ 10 - 2 m 2· s - 2之间,本实验的湍动能的范围在 10 - 7 ~ 10 - 5 m 2·s - 2 之间,因为湍动程度较低,不同直径的捕集效率相对较 为均匀,没有理论计算曲线那样陡峭. 同样也可以判 断出本实验的捕获效率远低于钢液中液态夹杂的捕获 效率. 4 结论 (1)水模拟实验中存在液滴与固粒聚合的现象, 通过观察和高速摄影仪的拍摄发现液滴与固粒聚合有 三种方式:惯性碰撞、截留捕获和尾流捕获. 其中,惯 性碰撞占主导地位. (2)根据理论计算出只考虑惯性碰撞的捕获效 率与同时考虑惯性碰撞和截留的捕获效率,并作曲 线,发现二者区别不大,尤其当液滴的直径较大时. 因此,可以得到惯性捕获在液滴和固粒聚合中占据 主导地位. (3)通过统计实验结果,作实验测得的捕获效率 的曲线,与只考虑惯性碰撞的曲线的趋势是一致的, 说明实验结果是可靠的. 其中的区别是因为实验中 的湍动程度较低,不同直径的捕获效率相对较为均 匀,没有理论计算曲线那样陡峭. 同样也可以判断出 本实验的捕获效率远低于钢液中液态夹杂的捕获 效率. 参 考 文 献 [1] Miki Y, Thomas B G. Modeling of inclusion removal in a tundish. Metall Mater Trans B, 1999, 30(4): 639 [2] Zheng X F, Hayes P C, Lee H G. Particle removal from liquid phase using fine gas bubbles. ISIJ Int, 1997, 37(11): 1091 [3] Xue Z L, Wang Y F, Wang L T, et al. Inclusion removal from molten steel by attachment small bubbles. Acta Metall Sin, 2003, 39(4): 431 (薛正良, 王义芳, 王立涛, 等. 用小气泡从钢液中去除夹杂 物颗粒. 金属学报, 2003, 39(4): 431) [4] Zhang L F, Aoki J, Thomas B G. Inclusion removal by bubble flotation in a continuous casting mold. Metall Mater Trans B, 2006, 37(3): 361 [5] Arai H, Matsumoto K, Shimazaki S, et al. Model experiment on inclusion removal by bubble flotation accompanied by particle co鄄 agulation in turbulent flow. ISIJ Int, 2009, 49(7): 965 [6] Ni B, Luo Z G, Di Z X, et al. Mechanism on inclusion removal by bubble. J Iron Steel Res, 2010, 22(5): 15 (倪冰, 罗志国, 狄瞻霞, 等. 气泡去除夹杂物的机理. 钢铁 研究学报, 2010, 22(5): 15) [7] Guo J, Cheng S S, Cheng Z J, et al. Effects of collision behavior on Al2O3 based inclusion modification after calcium treatment for aluminium鄄killed steel. Iron Steel, 2013, 48(9): 37 (郭靖, 程树森, 程子建, 等. 铝镇静钢钙处理后碰撞行为对 Al2O3 夹杂物变性的作用. 钢铁, 2013, 48(9): 37) [8] Ni B, He Q, Wu W. Thermal simulation of inclusion removal by fine heterophases. Iron Steel, 2015, 50(10): 14 (倪冰, 贺庆, 吴巍. 微小相去除夹杂物的热模拟试验. 钢铁, 2015, 50(10): 14) [9] Ni B, Yang Y, He Q, et al. Experiment in inclusion removal by fine heterophases in water model. J Iron Steel Res, 2015, 27(8): 24 (倪冰, 杨勇, 贺庆, 等. 微小相去除夹杂物的水模型实验. 钢铁研究学报, 2015, 27(8): 24) [10] Song Y B, Zhang M C, Zhou Y G, et al. Modeling research on impaction between high鄄CaO ash and droplets for humidification desulfurization. Power Eng, 2004, 24(1): 114 (宋玉宝, 章明川, 周月桂, 等. 高钙煤灰颗粒与液滴碰撞增 湿脱硫过程的模型研究. 动力工程, 2004, 24(1): 114) [11] Lindborg U, Tossell K. A collision model for the growth and sep鄄 aration of deoxidation products. Trans Metall Soc AIME, 1968, 242(1): 94 [12] Wong J B, Ranz W E, Johnstone H F. Inertial impaction of aerosol particles on cylinders. J Appl Phys, 1955, 26(2): 244 [13] Shi J, Wang J D, Yu G Z, et al. Handbook of Chemical Engi鄄 neering. 2nd Ed. Beijing: Chemical Industry Press, 1996 (时 钧, 汪家鼎, 余国琮, 等. 化学工程手册. 第 2 版. 北 京: 化学工业出版社, 1996) [14] Ranz W E. Wall flows in a cyclone separator: a description of in鄄 ternal phenomena. Aerosol Sci Technol, 1985, 4(4): 417 ·201·