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钢中非金属夹杂物界面去除过程微观模型研究

刘威  
【摘要】:钢中夹杂物会破坏钢材组织的统一性,多数夹杂物是有害的。去除夹杂物是炼钢的主要任务之一。围绕固、液态夹杂物在钢液中上浮、与界面相互作用、渣中溶解去除等微观过程,建立了一系列微观模型,获得如下结论:完善了基于受力分析的夹杂物穿越界面行为模型,模型考虑了夹杂物溶解和静态停留;预测了夹杂物被界面截停后的位置及溶解过程;利用模型在统一的时间线上分析了夹杂物从上浮至最终消失所经历的物理、化学全过程,确定了夹杂物的运动时间相对于溶解过程极其短暂;对于小尺寸夹杂物,物理穿越界面的过程是其限制性环节;对于大尺寸的夹杂物,动态运动阶段溶解半径减小只有2.5%,最终消失还需要通过在界面上侧的静态溶解来完成。建立了固态夹杂物穿越钢-渣界面的流体动力学模型,高精度地实现了固态夹杂物在钢-渣两相中运动行为的模拟并通过水模型实验进行了验证;模拟分析了固态夹杂物在钢液中上浮、穿越钢-渣界面的行为,揭示夹杂物去除过程的机理及规律;在所模拟三相物性条件下,半径10-100μm夹杂物符合斯托克斯上浮,1000μm的夹杂物上浮速度只有斯托克斯速度的1/10;夹杂物存在能否穿越界面的临界尺寸,大尺寸夹杂物穿过界面的概率更大,夹杂物与界面不接触的时间非常短暂,最终都会静止在钢-渣界面处;三相的物性参数对固态夹杂物的界面运动行为有不同程度的影响,夹杂物密度、渣相润湿角对夹杂物停留界面的位置以及界面形状影响显著,渣相粘度和钢-渣界面张力系数则影响不大。建立了液态夹杂物在钢液和渣相中运动的流体动力学三相流模型并通过水模型实验进行了验证,利用模型模拟了夹杂物在钢液中上浮和达到钢-渣界面与界面相互作用的过程;在模拟的三相体系中,液态夹杂物尺寸越大,在钢液中上浮时越容易变形甚至破碎;液态夹杂物在界面附附近的运动模式为靠近界面减速-界面作用加速-界面吸附静止;液态夹杂物-钢-渣三相间的界面张力系数对夹杂物停留在界面处的形状影响较为明显,最有利于夹杂物的张力系数关系应为:σIMσMSσIS。建立了固液两相夹杂物在钢液中上浮时碰撞、包裹过程模型;固、液态夹杂物上浮靠近时两者流场会相互作用使夹杂物相互远离;距离足够近的固态和液态夹杂物会发生润湿包裹现象,润湿过程耗时约为10ms;结合后的复合相夹杂物上浮时,液态夹杂物以“口袋状”黏附在固态夹杂物尾部;半包裹状态是复合相夹杂物上浮时的稳定状态。


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