超重力場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)網(wǎng)格與流-固耦合理論，建立了不同重力場(chǎng)下固態(tài)夾雜物在鋼液中上浮的流體動(dòng)力學(xué)模型。該模型模擬了夾雜物在不同系數(shù)的重力場(chǎng)中上浮的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究了超重力場(chǎng)中的重力系數(shù)與夾雜物尺寸等因素對(duì)顆粒上浮和流場(chǎng)分布的影響。模擬結(jié)果表明，在重力場(chǎng)系數(shù)恒定時(shí)，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(dòng)將趨于勻速，夾雜物的上浮速度會(huì)隨著施加重力場(chǎng)的增大而增長，夾雜物附近的鋼液也會(huì)被更快地“推開”，從而出現(xiàn)改變流動(dòng)狀態(tài)的趨勢(shì)。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(chǎng)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(chǎng)作用下符合Stokes上浮模型，當(dāng)施加更大的重力場(chǎng)時(shí)，夾雜物附近的流場(chǎng)會(huì)由層流流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧髁鲃?dòng)，不再滿足Stokes定律。在研究不同系數(shù)重力場(chǎng)中夾雜物上浮的模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重力場(chǎng)的系數(shù)大小隨時(shí)間變化時(shí)，尺寸為1 μm量級(jí)的小尺寸夾雜上浮速度的變化幅度與重力場(chǎng)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(chǎng)后，上浮速度與重力場(chǎng)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(duì)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(duì)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(shí)間長、對(duì)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(chǎng)對(duì)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(duì)鋼液進(jìn)行處理，重力場(chǎng)作用下的Al2O3夾雜呈向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，短時(shí)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(duì)合金基體中1 μm尺寸量級(jí)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(chǎng)中的上浮行為無法被直接觀測(cè)，這一過程的理論基礎(chǔ)仍然基于常重力場(chǎng)模型，并未考慮施加超重力場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)下鋁熔體的流動(dòng)狀態(tài)，并估算了超重力場(chǎng)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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的流體流動(dòng)問題，建立流-固耦合(FSI)模型是改進(jìn)夾雜物運(yùn)動(dòng)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(chǎng)下夾雜物的尺寸效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)的影響。FSI模型對(duì)于超重力環(huán)境同樣匹配，更適合模擬超重力場(chǎng)中的夾雜物運(yùn)動(dòng)問題。
在本研究中，首次提出了基于動(dòng)網(wǎng)格與流-固耦合理論多種重力場(chǎng)下的鋼液中固態(tài)夾雜物運(yùn)動(dòng)的CFD模型。該模型模擬了不同重力場(chǎng)中的夾雜物運(yùn)動(dòng)過程，用于討論不同重力場(chǎng)影響下夾雜物與流場(chǎng)的相互作用規(guī)律。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)超重力場(chǎng)作用下的夾雜物上浮時(shí)，夾雜顆粒會(huì)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(huì)隨著重力場(chǎng)的增大而增長。
(2)在G 為 1~1 000時(shí)，d為1 μm夾雜物始終滿足Stokes流動(dòng)，d 為 10 μm和100 μm夾雜物在較大的重力場(chǎng)作用時(shí)不再滿足Stokes流動(dòng)，夾雜物附近的流場(chǎng)會(huì)由層流流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧髁鲃?dòng)，平衡速度約為Stokes理論值的15%。
(3)當(dāng)重力場(chǎng)的大小隨時(shí)間變化時(shí)，d 為1 μm夾雜物上浮速度的變化幅度與重力場(chǎng)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(chǎng)后速度的變化幅度小于重力場(chǎng)的變化幅度。
