刘威等：钢-渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 1651· 水模拟实验能够帮助理解、研究夹杂物通过 钢-渣界面的去除过程，宏观水模型通常认为夹杂 物的去除和宏观钢液流场有关，而微观水模型进 一步探究了夹杂物上浮至钢-渣界面处的分离去 除过程，揭示了界面对夹杂物去除的重要性.但由 于实验条件的限制，即使是微观的水模型，其尺度 依然在1mm以上，远大于实际钢液中1m的尺 度，虽然有利于直观地复现夹杂物穿越界面过程， 但由于尺度的差异，模拟与实际过程仍有出入.因 此微观模型通常只能作为多相流数值模型的一种 验证手段，却很难单独作为一种夹杂物界面去除 的研究手段 2.2高温共聚焦原位观察 高温共聚焦激光扫描显微镜(HT-CSLM),使 得原位观察钢-渣体系的界面现象成为可能8川， 图4相场多相流模拟与水模实验结果对比P 为界面行为的研究提供了便利.Misra等在实验 Fig.4 Comparison of the phase field model simulation and water model experimenten 中使用50%Ca0-50%Al203(质量百分数)的炉渣， 采用高温共聚焦显微镜原位观察了1530℃下的 系，模拟大型冶金容器内的钢一渣两相流动，并利 Si-Mn脱氧钢中夹杂物在钢-渣界面的运动情况， 用高分子颗粒等物质模拟流动过程中大量的夹杂 如图6所示.Coletti等)在高温共聚焦显微镜下 物，研究其运动与上浮行为29圳，通常对出口处夹 观察时发现，钙铝酸盐类夹杂物在钢渣界面的分 杂物残余量进行统计，从而确定夹杂物上浮去除 离过程中，随着夹杂物与渣相间化学反应的进行， 率.微观水模型则聚焦在界面处局部，研究单个或 液态夹杂物逐渐变为不规则的高氧化铝夹杂物 者多个夹杂物在两相体系中的运动行为，通常采 Wikstrom等-利用高温共聚焦显微镜，观察了 用空心氧化铝圆球来模拟夹杂物，图5为微观 钙铝酸盐类液态夹杂物在钢渣界面的聚合碰撞行 水模型实验中利用高速摄像仪拍下的典型界面现 为，如图7所示，球形夹杂物S和P向O移动，并 象.宏观与微观水模型实验研究都是基于相似原 理)，但宏观模型通常以钢液的流动为研究主体， 结合成为新的大尺寸夹杂物.此外，高温共聚焦还 用来研究高温下夹杂物在渣中的溶解啊和钢中夹 而微观模型更关注界面的波动变形以及夹杂物的 杂物在钢液-氩气界面上的运动行为7 穿越行为，除常见的几何相似、动力相似之外，还 要求界面相似（毛细长度相等或相近）Bs-河在流 体力学中，毛细长度是液-液界面的特征长度，由 重力加速度和界面张力决定，定义式为公式(1). a=吸 (1) 其中，σ表示液-液界面的界面张力，Nm;p表示 133.1m 流体密度，kgm3;g表示重力加速度，N-kg 图6高温共聚焦显微镜原位观察钢-渣界面处的夹杂物四 Fig.6 In-situ observation of the inclusion at the steel-slag interface with HT-CSLMH 通过使用高温共聚焦显微镜，首次实现了对 夹杂物在钢-渣界面动、静态现象的原位观察，推 动了对于钢液-渣相-夹杂物-气相四相体系相互 =0.12s =0.15s =043s 作用行为的认识，为揭示夹杂物穿过钢-渣界面的 图5水模型中空心氧化铝小球与水-油界面相互作用过程两 Fig.5 Interaction between the water-oil interface and hollow alumina 行为规律提供了真实、准确的依据.但由于显微 sphere of the water modell4 镜本身的俯拍特性，只能由自上而下的视角观察系，模拟大型冶金容器内的钢−渣两相流动，并利 用高分子颗粒等物质模拟流动过程中大量的夹杂 物，研究其运动与上浮行为[29–33] ，通常对出口处夹 杂物残余量进行统计，从而确定夹杂物上浮去除 率. 微观水模型则聚焦在界面处局部，研究单个或 者多个夹杂物在两相体系中的运动行为，通常采 用空心氧化铝圆球来模拟夹杂物[34] ，图 5 为微观 水模型实验中利用高速摄像仪拍下的典型界面现 象. 宏观与微观水模型实验研究都是基于相似原 理[35] ，但宏观模型通常以钢液的流动为研究主体， 而微观模型更关注界面的波动变形以及夹杂物的 穿越行为，除常见的几何相似、动力相似之外，还 要求界面相似（毛细长度相等或相近）[35–37] . 在流 体力学中，毛细长度是液−液界面的特征长度，由 重力加速度和界面张力决定，定义式为公式（1）. λ = √ σ ρg （1） 其中， σ表示液−液界面的界面张力，N·m ρ −1 ； 表示 流体密度，kg·m−3 ；g 表示重力加速度， N·kg−1 . t=0 s t=0.12 s t=0.15 s t=0.43 s 图 5    水模型中空心氧化铝小球与水−油界面相互作用过程[34] Fig.5    Interaction between the water –oil interface and hollow alumina sphere of the water model[34] 水模拟实验能够帮助理解、研究夹杂物通过 钢−渣界面的去除过程，宏观水模型通常认为夹杂 物的去除和宏观钢液流场有关，而微观水模型进 一步探究了夹杂物上浮至钢−渣界面处的分离去 除过程，揭示了界面对夹杂物去除的重要性. 但由 于实验条件的限制，即使是微观的水模型，其尺度 依然在 1 mm 以上，远大于实际钢液中 1 μm 的尺 度，虽然有利于直观地复现夹杂物穿越界面过程， 但由于尺度的差异，模拟与实际过程仍有出入. 因 此微观模型通常只能作为多相流数值模型的一种 验证手段，却很难单独作为一种夹杂物界面去除 的研究手段. 2.2    高温共聚焦原位观察 高温共聚焦激光扫描显微镜（HT−CSLM），使 得原位观察钢−渣体系的界面现象成为可能[38–41] ， 为界面行为的研究提供了便利. Misra 等[42] 在实验 中使用 50%CaO−50%Al2O3 （质量百分数）的炉渣， 采用高温共聚焦显微镜原位观察了 1530 ℃ 下的 Si−Mn 脱氧钢中夹杂物在钢−渣界面的运动情况， 如图 6 所示. Coletti 等[43] 在高温共聚焦显微镜下 观察时发现，钙铝酸盐类夹杂物在钢渣界面的分 离过程中，随着夹杂物与渣相间化学反应的进行， 液态夹杂物逐渐变为不规则的高氧化铝夹杂物. Wikström 等[44−45] 利用高温共聚焦显微镜，观察了 钙铝酸盐类液态夹杂物在钢渣界面的聚合碰撞行 为，如图 7 所示，球形夹杂物 S 和 P 向 O 移动，并 结合成为新的大尺寸夹杂物. 此外，高温共聚焦还 用来研究高温下夹杂物在渣中的溶解[46] 和钢中夹 杂物在钢液−氩气界面上的运动行为[47] . 133.1 μm 图 6    高温共聚焦显微镜原位观察钢−渣界面处的夹杂物[42] Fig.6     In-situ observation  of  the  inclusion  at  the  steel−slag  interface with HT−CSLM[42] 通过使用高温共聚焦显微镜，首次实现了对 夹杂物在钢−渣界面动、静态现象的原位观察，推 动了对于钢液−渣相−夹杂物−气相四相体系相互 作用行为的认识，为揭示夹杂物穿过钢−渣界面的 行为规律提供了真实、准确的依据. 但由于显微 镜本身的俯拍特性，只能由自上而下的视角观察 图 4    相场多相流模拟与水模实验结果对比[27] Fig.4    Comparison of the phase field model simulation and water model experiment[27] 刘    威等： 钢−渣界面非金属夹杂物运动行为研究进展 · 1651 ·