应用格子 Boltzmann方法直接数值模拟研究钢中夹杂物上浮及碰撞行为

采用格子Boltzmann方法对钢液中夹杂物上浮及上浮过程中的碰撞行为进行直接数值模拟研究.结果表明,不同尺寸夹杂物颗粒上浮速度的模拟结果和理论值基本一致,表明本文所采用的数值算法能够精确有效地对钢液中固相夹杂物颗粒运动行为进行研究.当钢液中直径为80μm的夹杂物颗粒位于直径为40μm的下方并一起上浮时,直径为80μm的夹杂物颗粒会逐渐追赶上直径为40μm的夹杂物颗粒并发生碰撞形成大尺寸凝聚体,凝聚体的上浮速度显著大于二者单独上浮时的上浮速度.对于直径为40μm的夹杂物来说,形成凝聚体后的上浮速度比单独上浮时的上浮速度增加300%.实际炼钢过程中,采取必要的措施增加夹杂物颗粒之间上浮过程中的碰撞凝聚,对于提高夹杂物颗粒的上浮速度,尤其是小尺寸夹杂上浮去除速度,提高钢液的洁净度具有重要的意义.      

钢中夹杂物的分形维数及其与形貌特征的关系

 利用Matlab图像处理功能计算了钢中夹杂物SEM图像的边缘、二维和三维分形维数,并讨论了边缘分形维数与夹杂物颗粒微观凝聚机制和三维分形维数与其融入顶渣中动力学之间的关系。结果表明：边缘分形维数可定量地表征夹杂物边界轮廓线的曲折复杂程度;对非润湿夹杂物颗粒来说,其边缘分形维数越大,表明气泡易于在其表面生成,从而更加有力于夹杂物的碰撞凝聚长大;夹杂物颗粒的三维分形维数越小,更有利于夹杂物融入渣中而被去除;分形维数是一个影响不规则夹杂物颗粒碰撞、凝聚和去除的重要参数。     

应 力 腐 蚀 断 口 的 分 形 行 为

 分形图像的原始图像一般为灰度图像，针对灰度图像的特点，采用像素点覆盖法，研究了应力腐蚀断口形貌的分形特征。结果表明：像素点覆盖法所采用的测量尺度是构成图像的最小尺寸——像素点的尺寸。因此，用此方法计算得到的维数可较准确地描述断口的分形行为；对该方法进行改进，针对特征部位取边界，可使所计算的分形维数更有针对性；分形维数与应力腐蚀断口形貌有一定的关系，断口分形维数与断口粗糙度和复杂度呈正相关关系。     

轧辊磨损过程中的形貌图像特征及分形

 轧辊表面形貌直接影响板带钢产品的表面质量甚至其织构组成。为了定量研究轧辊磨损过程中其表面形貌特征的变化规律,采集了1个磨辊周期内不同轧制阶段的轧辊表面图像信息,基于MATLAB平台,利用图像处理方法对不同阶段的下机轧辊表面图像进行了预处理,提取样本图像的几何形状及纹理特征等17维图像特征参数和分形维数,经过对这些参数的属性约简建立了用于轧辊磨损形貌状态识别的BP神经网络模型。结果表明：等效面积圆半径﹑圆形度﹑纹理熵及二阶矩等轧辊形貌图像特征参数和分形维数可以作为描述轧辊表面形貌的定量指标,并可用BP网络模型对轧辊磨损形貌进行识别预测。为建立轧辊磨损形貌的定量评价体系提供了新途径。     

Al2O3夹杂物在钢-渣界面处的运动特性及去除率

通过理论计算和分析,研究了夹杂物颗粒在钢-渣界面处夹杂物去除层内的运动特性及去除率。结果表明:在夹杂物去除层内,Al2O3夹杂物颗粒的布朗扩散上浮临界尺寸为1.33μm,直径小于临界尺寸的夹杂物颗粒很难上浮去除;布朗碰撞的优势区域主要是直径为2.5μm以下的夹杂物颗粒之间以及直径为2.5～5μm夹杂物颗粒与0.5μm以下的微小颗粒之间的碰撞;直径为20～150μm的夹杂物颗粒在钢-渣界面去除层中9min内很容易完全上浮去除,而直径小于10μm的夹杂物颗粒去除率很低且升高缓慢,是提高钢液洁净度的主要控制对象。     

板坯连铸中间包气幕挡墙夹杂物去除的研究

分析了中间包不加气幕挡墙和加气幕挡墙吹氩时夹杂物上浮速度与气泡直径、夹杂物直径和密度的关系。气泡尺寸对夹杂物的上浮速度影响比较明显,夹杂物的密度对上浮速度的影响不大。进行了中间包气幕挡墙的工业试验,试验表明:中间包底吹气对钢液中小夹杂物的去除作用不明显,而对大型的夹杂物去除效果显著。     

模具钢电渣重熔铸坯凝固组织形貌的分形特征

为了更为精细化地表达及控制铸坯质量,以H13模具钢电渣重熔铸坯凝固组织为研究对象,引入分形维数对其主体形貌特征进行定量描述。结果表明,基于数盒子法计算得到的分形维数可定量表征凝固组织形貌的自相似复杂程度,其值从柱状晶向中心等轴晶先减小后增大;凝固组织分形维数可作为衡量铸坯偏析程度(偏析率大小)的指标,且分形维数越大,对应区域偏析率越小,偏析越轻;通过凝固组织分形维数、偏析率和偏析点平均面积与二次枝晶间距关系的研究发现,使用二次枝晶间距表征铸坯凝固组织形貌差异并由此反映偏析程度的方法存在局限性。     

钢中不同形状夹杂物在超重力场中上浮模拟研究

超重力可促使夹杂物快速上浮,缩短其在钢液中的上浮时间.为研究夹杂物形状对其在钢液中的上浮行为的影响,本文使用流固耦合方法跟踪计算流体与固体界面状态,在二维纵切面中构建了三种具有不同形态比的夹杂物并在超重力场中进行上浮行为模拟研究.结果表明,夹杂物的上浮速度与自身形状和上浮角度有关,形态比越趋近1或上浮角度越接近垂直,上浮速度越快.在重力系数G=1000的超重力场中,长度为1μm的夹杂物未发生旋转.长度为10、20μm的夹杂物会自初始角度（45°、90°）旋转至水平后稳定上浮.超重力系数会影响夹杂物的旋转状态,随着重力系数的降低,夹杂物的旋转速度逐渐降低.当G=50时,长度为20μm的夹杂物（初始角度90°）未能完全旋转;同时也证明相较于垂直角度,初始即倾斜的夹杂物更易发生旋转.最后,指出通过模型预估离心处理时间应以水平状态下夹杂物的上浮速度为准,并基于该结论给出了夹杂物上浮去除的大致时间.     

模具钢电渣重熔铸坯凝固组织形貌的分形特征

为了更为精细化地表达及控制铸坯质量，以H13模具钢电渣重熔铸坯凝固组织为研究对象，引入分形维数对其主体形貌特征进行定量描述。结果表明，基于数盒子法计算得到的分形维数可定量表征凝固组织形貌的自相似复杂程度，其值从柱状晶向中心等轴晶先减小后增大；凝固组织分形维数可作为衡量铸坯偏析程度（偏析率大小）的指标，且分形维数越大，对应区域偏析率越小，偏析越轻；通过凝固组织分形维数、偏析率和偏析点平均面积与二次枝晶间距关系的研究发现，使用二次枝晶间距表征铸坯凝固组织形貌差异并由此反映偏析程度的方法存在局限性。     

低硅烧结矿表面的多重分形谱计算和分析

通过烧结杯试验制备了不同碱度的低硅烧结矿样品。利用SEM(扫描电子显微镜)对样品的表面形貌进行了表征。利用多重分形软件计算不同碱度烧结矿的多重分形谱。随着碱度提高,多重分形谱的宽度增加,烧结矿的表面形貌变得更加复杂,与SEM图像一致;多重分形谱最大和最小概率子集维数的差别减小,并且由正值变为负值,烧结矿孔隙由以宏观孔隙为主变为以微观孔隙为主,孔隙率提高。多重分形谱的计算结果定量地表征了烧结矿孔隙的分布形态,与扫描电镜图像结果一致。     

Floating Properties of Agglomerated Inclusion in Liquid Steel

 The fractal properties and floating features of agglomerated inclusions are investigated by the analysis of fractal theory and water simulation experiment. The results show that there is an obvious quantitative relationship between the aggregate floating velocity, the number of tiny inclusion granules and fractal dimension. Namely, for the aggregates which contain the same number of micro granules, the greater the fractal dimension, the larger the floating velocity; for the aggregates which have the same fractal dimension, the more the number of tiny inclusion granules contained by an aggregate, the larger the floating velocity. The mathematical model obtained by regression analysis can better reflect the relationship between the aggregate floating velocity, the number of tiny inclusion granules and fractal dimension. So in order to increase the floating velocity of aggregated inclusion with small fractal dimension, some appropriate measures of making it reconstruct to increase its fractal dimension can be taken.     

钢中夹杂物的分形维数

应用分形理论的盒维数法对钢中非金属夹杂物颗粒外缘的分形维数进行了分析计算,得出了各类夹杂物颗粒外缘分形维数的具体范围,并对维数与夹杂物特性的关系进行了分析.     

等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆涂层的分形特征与断裂韧性

采用超音速等离子喷涂和普通大气等离子喷涂制备了微米级氧化钇稳定氧化锆（yttria-stabilized zirconia,YSZ）基热障涂层,使用SprayWatch-2i系统测试喷涂过程中粒子飞行速度及表面温度,通过扫描电镜和图像分析技术表征涂层微观结构,利用压痕法测试了断裂韧性和弹性模量,采用基于分形思想的面积-周长幂率定量表征两种工艺条件下孔隙不规则形态,并研究了分形维数对涂层断裂韧性的影响。结果表明:超音速等离子喷涂和普通大气等离子喷涂YSZ涂层孔隙都具有分形特性;超音速等离子喷涂YSZ涂层分形维数是普通等离子喷涂涂层的1.12倍,孔隙结构更复杂,涂层断裂韧性更高。     

SUS430不锈钢夹杂物的变化规律研究

对采用EAF-AOD-LF-CC工艺路线生产SUS430不锈钢炼钢过程夹杂物的成分组成和形貌、尺寸变化进行了分析,结果表明,SUS430不锈钢中主要形成呈球状或不规则球状分布的硅酸盐复合夹杂物,其变形能力较差。随着LF精炼和连铸过程的进行,SUS430不锈钢钢水中夹杂物的平均直径呈逐渐减小的趋势,铸坯夹杂物的平均直径为3.4μm左右,5μm以上的夹杂物占夹杂物总数的1%以下。变形能力较差的硅酸盐夹杂和镁铝尖晶石夹杂是引起SUS430不锈钢冷轧板表面线鳞缺陷的重要原因,采用钙处理和复合脱氧工艺,对改善SUS430不锈钢冷轧板的表面线鳞缺陷有利。     

Numerical Simulation of Fractal Agglomerating-Growth of Al2O3 Inclusions in Tundish

Based on the Al₂O₃ inclusion analysis of low-carbon aluminum killed steel in tundish of a domestic steel company and fractal theory analysis, a mathematical model of fractal agglomerating-growth of Al₂O₃ inclusions in tundish was established. The results indicated that: large swirl flows exist in both sides of inlet, space between weir and dam, and large zone above outlet, in which monomer and agglomerated inclusion particles accumulate easily; the agglomerated inclusions with hydrodynamic diameter of 6 — 9.8 μm were quickly generated less than 16 s, but those inclusions with hydrodynamic diameter more than 11 μm were difficult to form; the number density of agglomerated inclusion rapidly increased first, then slowly reduced, so the form and quantity distribution of agglomerated inclusions can be controlled by controlling the residence time of inclusion particles in tundish.     

CSP 铸 坯 内 的 大 型 夹 杂 物

 利用阳极泥法对CSP流程不同工艺参数下生产的汽车大梁板ZJ510L、集装箱板SPA H、普板ZJ330B三个钢种铸坯中的大型夹杂物进行了研究。发现尺寸350 μm以下的大多为圆球形状的Si Al Ca类夹杂物,常规拉速47~50 m/min夹杂物尺寸一般在390 μm以下。连铸稳态生产情况下铸坯纵向大型夹杂物数量分布差异较大,水模型研究发现其原因是由于结晶器内“液面动态失稳”现象造成的。拉速越大夹杂物容易上浮的临界直径越大。     

SMA490BW耐候钢中析出相和夹杂物的定量统计分析

利用物理化学相分析的方法,结合扫描和透射电镜,研究了SMA490BW耐候钢中析出相和夹杂物的组成、形貌、尺寸信息。相分析结果显示耐候钢中存在富Cu相、M₃C、M(C,N)、非金属夹杂等,其中M₃C在耐候钢中占比为0.868%,M(C,N)占比为0.0396%;析出相平均尺寸为78.2nm,中间尺寸为51.7nm,小于100nm的约占74%,18~36nm的析出相分布最多,占总量的22.1%。扫描电镜结果显示耐候钢中夹杂物主要有3类:A类(硫化物类)夹杂;DS(单颗粒球状)类夹杂,由Al₂O₃和CaO组成的氧化物夹杂;D_Dup(球状复相夹杂)类复相氧硫化物夹杂。采用透射电镜观察了耐候钢中析出相的形貌,统计了析出相尺寸,结果显示析出相主要是碳氮和铌钛钒组成的化合物,呈圆球状、棒状、不规则形状析出;析出相尺寸从纳米级到微米级,在18~36nm范围分布最多。对比透射电镜和相分析这两种方法对析出相的统计结果,相分析能更精确地统计整个样品区域及跨尺寸范围析出相的分布情况。     

非金属夹杂物三维形貌及其包裹的非夹杂物颗粒物来源分析

钢中非金属夹杂物的分离提取过程,需要解决外来因素的干扰问题,准确判断是否来源于钢中,是夹杂物检测与表征方法的重点。分析了在实验室环境下,以U75V重轨钢为代表,采用酸溶法和非水溶液电解法分离提取出钢中非金属夹杂物,利用扫描电镜对夹杂物的基本形貌和成分进行了系统的分析研究。结果表明,利用电磁搅拌装置的酸溶法能有效得到耐酸类的夹杂物形貌和成分,其最佳溶液配比为盐酸(1+1);采用非水溶液电解法能够得到耐酸类和不耐酸类的微米和纳米尺度的非金属夹杂物,电解时间控制在8～10 h。与此同时,U75V重轨钢的酸溶和电解法分析结果表明,夹杂物中存在大尺寸不规则状的颗粒物,经分析判断该类是外来的颗粒物,被定义为非夹杂物,主要来源于空气中、自来水、干燥箱和电解槽内等,其成分为MgO、CaO、SiO₂和Al₂O₃,与钢中的氧化物夹杂物成分接近,从而对生产过程中控制夹杂物的措施易造成不准确的指导。因此,在分离提取钢中夹杂物的过程中,需要严格的保护操作,杜绝不利因素的干扰,准确得到钢中夹杂物的三维形貌、尺寸、化学成分等详细信息,能够为工艺改进或实验研究提供有效的支持。