超重力場下鋼液中夾雜物上浮行為的數(shù)值模擬
杜依諾，郭磊，楊洋，張帥，于含樟，郭占成
(北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)
摘要：超重力技術(shù)可以有效提高固液兩相間的重力差，在冶金領(lǐng)域，超重力場的引入可以大幅度增加金屬熔體中夾雜物的去除效率?；诔亓σ苯鹧b置模型，根據(jù)動網(wǎng)格與流-固耦合理論，建立了不同重力場下固態(tài)夾雜物在鋼液中上浮的流體動力學(xué)模型。該模型模擬了夾雜物在不同系數(shù)的重力場中上浮的運(yùn)動狀態(tài)，研究了超重力場中的重力系數(shù)與夾雜物尺寸等因素對顆粒上浮和流場分布的影響。模擬結(jié)果表明，在重力場系數(shù)恒定時，夾雜顆粒經(jīng)短暫的加速上浮過程后，后續(xù)的上浮運(yùn)動將趨于勻速，夾雜物的上浮速度會隨著施加重力場的增大而增長，夾雜物附近的鋼液也會被更快地“推開”，從而出現(xiàn)改變流動狀態(tài)的趨勢。尺寸d為1、10 μm的夾雜物顆粒由于其尺寸較小，在施加一定的超重力場后仍滿足Stokes上浮模型；尺寸d為100 μm的大尺寸夾雜物則僅在約10倍重力場作用下符合Stokes上浮模型，當(dāng)施加更大的重力場時，夾雜物附近的流場會由層流流動轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧髁鲃?，不再滿足Stokes定律。在研究不同系數(shù)重力場中夾雜物上浮的模型時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重力場的系數(shù)大小隨時間變化時，尺寸為1 μm量級的小尺寸夾雜上浮速度的變化幅度與重力場的變化幅度呈正比；而尺寸為10、100 μm的夾雜物在脫離層流流場后，上浮速度與重力場不再呈線性關(guān)系。
關(guān)鍵詞：超重力技術(shù)； 非金屬夾雜物； 數(shù)值模擬； 流固耦合； 潔凈鋼
1 引言
隨著潔凈鋼定義越來越嚴(yán)格，人們對鋼中非金屬夾雜物的去除問題日益關(guān)注。夾雜物是鋼材冶煉過程中產(chǎn)生于基體間的異相，夾雜物破壞了材料的連續(xù)性與均勻性，對鋼材各項(xiàng)性能均產(chǎn)生影響。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，由于鋼液與夾雜物之間存在著密度差，可以通過鎮(zhèn)靜的方式處理鋼液使夾雜物自然上浮，達(dá)到凈化鋼液的目的。這種工藝雖然能有效去除大尺寸夾雜，但仍存在著上浮處理時間長、對細(xì)小夾雜去除效率低等特點(diǎn)。
近些年，隨著超重力技術(shù)在金屬熔體去除夾雜物領(lǐng)域研究的深入，超重力場對細(xì)小夾雜物的去除能力強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)得到了充分的體現(xiàn)。LI C等利用超重力技術(shù)，在80倍重力條件下對鋼液進(jìn)行處理，重力場作用下的Al2O3夾雜呈向上的運(yùn)動趨勢，短時間處理后夾雜物的平均尺寸及數(shù)量沿超重力方向梯度分布。SHI A J等通過改良超重力處理工藝，使718高溫合金中的Al2O3、TiN等夾雜物定向上浮，且對合金基體中1 μm尺寸量級的夾雜物有較好的去除效果。超重力促進(jìn)顆粒上浮的基礎(chǔ)研究雖然已有較為優(yōu)異的試驗(yàn)效果,但受試驗(yàn)過程等因素的限制，顆粒在超重力場中的上浮行為無法被直接觀測，這一過程的理論基礎(chǔ)仍然基于常重力場模型，并未考慮施加超重力場后的影響。
Strandh J等基于Stokes上浮理論，嘗試用經(jīng)典的力學(xué)分析方法模擬夾雜物的上浮與分離過程，該模型考慮了夾雜顆粒的各種動力作用，確定了夾雜物通過鋼渣界面的臨界尺寸。宋高陽使用離散相模型(DPM)模擬超重力場下鋁熔體的流動狀態(tài)，并估算了超重力場下夾雜物的去除率，但該模型僅考慮了夾雜顆粒的受力情況，沒有考慮夾雜物與鋼液之間的相互作用。固態(tài)顆粒在流場中的運(yùn)動是一個復(fù)雜的流體流動問題，建立流-固耦合(FSI)模型是改進(jìn)夾雜物運(yùn)動模型的最佳途徑。劉威等使用流-固耦合(FSI)理論模擬了夾雜物的上浮與去除過程，分析了常重力場下夾雜物的尺寸效應(yīng)對流場與運(yùn)動的影響。FSI模型對于超重力環(huán)境同樣匹配，更適合模擬超重力場中的夾雜物運(yùn)動問題。
在本研究中，首次提出了基于動網(wǎng)格與流-固耦合理論多種重力場下的鋼液中固態(tài)夾雜物運(yùn)動的CFD模型。該模型模擬了不同重力場中的夾雜物運(yùn)動過程，用于討論不同重力場影響下夾雜物與流場的相互作用規(guī)律。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)超重力場作用下的夾雜物上浮時，夾雜顆粒會在短暫的加速后達(dá)到勻速上浮，夾雜物的上浮平衡速度會隨著重力場的增大而增長。
(2)在G 為 1~1 000時，d為1 μm夾雜物始終滿足Stokes流動，d 為 10 μm和100 μm夾雜物在較大的重力場作用時不再滿足Stokes流動，夾雜物附近的流場會由層流流動轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧髁鲃?，平衡速度約為Stokes理論值的15%。
(3)當(dāng)重力場的大小隨時間變化時，d 為1 μm夾雜物上浮速度的變化幅度與重力場的變化幅度相同；d 為10 μm和100 μm夾雜物則在離開層流流場后速度的變化幅度小于重力場的變化幅度。
