随着现代科技的进步与工业的发展,建筑、桥梁及铁路等行业对钢产品质量的要求愈加严格。钢中非金属夹杂物直接影响着钢材的性能和质量,多数夹杂物的存在会破坏钢基体的连续性,降低钢的塑韧性,甚至导致钢的加工性能和疲劳性能恶化等。夹杂物去除和控制是生产高品质洁净钢的首要任务和关键问题。钢液中非金属夹杂物的上浮去除过程可分为碰撞长大、上浮以及在钢-渣界面分离三个阶段。其中,上浮过程作为靠近界面前的动量累积阶段,而界面分离作为夹杂物进入渣层的最终步骤,二者直接影响着夹杂物的进一步吸附去除。因此,分析夹杂物在钢液中和在钢-渣界面处的运动行为,建立夹杂物上浮过程中速度计算模型,阐明夹杂物在上浮过程中的影响因素,进一步讨论夹杂物穿越界面时的限制环节,对改善钢液的洁净度继而提高钢材质量具有深远的意义。目前,已有部分学者基于规则的球形颗粒陆续提出夹杂物在钢液和界面处运动的数学模型,并进一步采用物理模拟对其进行了验证。虽然这些模型在一定程度上丰富了球形夹杂物上浮和去除的理论机制,但钢中大多数夹杂物均为不规则的团簇状,球形夹杂物在钢液中的上浮和界面运动行为相关理论对团簇状夹杂物均不适用。为进一步促进钢中夹杂物的去除,有必要对不规则夹杂物在钢液中上浮和在界面处分离的行为进行系统分析。基于钢液中含量较多的簇群状夹杂物,采用物理模拟和数值模拟相结合的方法,对不规则夹杂物在钢液中的上浮以及在钢-渣界面的运动行为进行了系统研究。基于相似原理,使用水和硅油分别代替钢液和钢渣,采用3D打印技术设计并制取不规则形状的团簇,展开夹杂物团簇上浮行为和两相界面行为研究。基于FLUENT用户自定义函数中的CG Motion模块,自主开发用于求解流体中夹杂物团簇的力和力矩的计算程序,并结合重叠网格、动网格技术开展夹杂物团簇的三维动态数值模拟。建立了不规则夹杂物上浮和界面分离行为的数值模型,对夹杂物上浮和界面分离过程中的运动行为和影响因素进行了系统分析。为进一步探究夹杂物在钢-渣界面分离进而被渣液吸附去除的影响因素,本文基于FLUENT中的6DOF模块建立了夹杂物在钢-渣界面分离行为的数值模型,系统分析了夹杂物、钢渣和界面特性参数对夹杂物在钢-渣界面分离去除的影响。针对不规则夹杂物团簇的上浮行为,建立了夹杂物上浮运动行为研究的物理和数值模型,确定了不规则夹杂物团簇在水中的终端上浮速度计算模型,阐明了夹杂物的尺寸和分形维数对夹杂物上浮的影响规律。根据物理和数值模拟中获得的上浮速度值修正了夹杂物的终端上浮速度公式,其中,终端上浮速度随夹杂物的分形维数和尺寸变化的规律一致。结果表明:当夹杂物的分形维数固定时,夹杂物的尺寸越大,夹杂物的终端上浮速度越大;当夹杂物的尺寸固定时,夹杂物的终端上浮速度随分形维数的增大而减小。针对不规则夹杂物团簇在两相界面处的运动行为,建立了夹杂物在两相界面处运动行为研究的物理和数值模型,分析了夹杂物在界面处的运动行为和运动现象,明确了夹杂物的尺寸和分形维数对夹杂物脱离界面的概率和界面穿越时间的影响规律。结果表明:夹杂物团簇在界面处会产生液膜、翻转和滑移等现象。夹杂物在两相界面的运动行为分为停留在两相界面和穿越界面到达油层顶端两种。通过对不同尺寸和形态的夹杂物穿越界面的概率和穿越界面的平均时间分析可得,团簇的尺寸一定时,随着分形维数的增加,团簇脱离界面的概率增大,穿越界面的平均时间会相对减少,即分形维数越大,团簇越容易穿越界面。而在团簇分形维数一定的情况下,随着尺寸的增加,团簇脱离界面的概率增大,但团簇穿越界面所需的时间也更长。尺寸较大的夹杂物团簇在穿越两相界面时,脱离界面的概率高达80%,但穿越界面的时间也变长,约为2.7 s。由此可看出,夹杂物的分形维数和尺寸共同制约着夹杂物团簇在界面处的运动行为。针对不规则夹杂物团簇在钢-渣界面处的分离行为,基于FLUENT建立夹杂物在钢-渣界面处运动行为模型,系统分析了夹杂物密度、钢渣粘度和界面张力等参数对夹杂物靠近渣层的速度和进入渣层位移的影响规律。结果表明,密度越大的夹杂物,靠近界面时的速度越小,进入渣层的位移也越小,因此越难在界面处被去除。钢渣粘度越大,夹杂物靠近界面时的速度越小,但夹杂物进入渣层的位移不完全与钢渣粘度呈线性减小关系。在0.06 Pa·s、0.6 Pa·s和2.8 Pa·s的钢渣粘度条件下,钢渣粘度为0.6 Pa·s时的夹杂物进入渣层的位移最大。说明过小或过大的钢渣粘度均不利于夹杂物穿越钢-渣界面,适当的钢渣粘度有利于夹杂物在界面的分离和去除。界面张力越大,夹杂物靠近界面时的速度越小,进入界面的位移越小,即界面张力越大,越不利于夹杂物穿越界面,夹杂物的去除也越困难。最终得出不同条件下对夹杂物去除程度的影响为:界面张力＞钢渣粘度＞夹杂物密度。综上所述,本文针对不规则夹杂物在钢液中的上浮和在界面处的分离环节,考虑夹杂物的形貌因素,建立了夹杂物上浮行为和界面行为的物理模型和数值模型,对夹杂物在钢液中的上浮和界面处的分离行为进行了系统研究。分析了不规则夹杂物在上浮和界面分离过程中的运动规律和影响因素,建立不规则夹杂物的终端上浮速度计算模型,并从夹杂物、钢渣和界面三个方面阐述了对夹杂物去除的影响规律。在一定程度上弥补了传统研究在不规则形貌夹杂物团簇在钢液和界面运动行为研究的不足之处,对促进夹杂物在钢液中的上浮和在界面进一步的分离去除具有重要意义。