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.      

钢液中凝聚态夹杂物碰撞聚合能力分析

钢液中夹杂物间的物理碰撞是微细夹杂物凝聚长大并上浮去除的基础。基于模糊聚类法对夹杂物尺寸分组,并计算凝聚态夹杂物的碰撞聚合能力。研究结果表明:在一定温度、时间内,粒径小于1μm球形夹杂物组成的凝聚体其布朗碰撞聚合能力与其粒径成反比;粒径为1~100μm球形夹杂物组成的凝聚体,其斯托克斯和湍流碰撞聚合能力均与凝聚体致密度成反比,与发生碰撞的2个凝聚体的尺寸差、钢液搅拌能成正比;斯托克斯碰撞主要发生在粒径为1.00~1.25和10~25μm、1.00~1.85和25~30μm、1~5和30~50μm、1.0~16.5和50~1 000μm的球形夹杂物组成的凝聚体之间;湍流碰撞主要发生在粒径为1~100和1~10μm球形夹杂物组成的凝聚体之间;二者共同作用的区域是粒径为50.8~100.0μm和小于1μm球形夹杂组成的凝聚体之间。     

板坯凝固过程夹杂物运动行为

 本文使用离散相模型,利用数值模拟的方法对结晶器中的钢液流动、传热、凝固以及夹杂物的运动进行了耦合计算。通过追踪夹杂物的运动轨迹,并在钢渣界面处对夹杂物进行采样分析,最终计算出夹杂物在结晶器中的上浮率。研究表明,夹杂物在结晶器中的上浮率与其尺寸及拉速的大小均有关系,但受夹杂物密度的影响很小。夹杂物越大、拉速越小,越有利于夹杂物上浮至自由液面。小颗粒夹杂在结晶器中并不能被有效去除。对于粒径为50μm的夹杂物,当拉速为1m/min时其上浮率仅为46%,有37%的夹杂物被凝固坯壳捕捉,主要分布在铸坯表皮下10~25mm处。夹杂物被宽面坯壳捕捉的位置多集中在宽面靠近窄面处,在水口下方被捕捉的夹杂物较少。以往的研究认为只要夹杂物上浮至钢渣界面就能够被保护渣吸收,J.Strandh等的研究表明,夹杂物能否被吸收还取决于保护渣的粘度和润湿性等因素。因此,对于粒径较小的夹杂物,必须在精炼后的软吹氩过程中适当增大钢液的静置时间,尽量减少钢液中小颗粒夹杂的数量。另外,结晶器保护渣的选用对钢液中夹杂物的去除也很重要,不仅要满足其对钢液的保温润滑作用,还要考虑其对夹杂物吸附的影响。     

钢液中球状夹杂物颗粒受力情况的数值模拟

通过理论分析和数值模拟的方法,研究了1873 K钢液中球状夹杂物颗粒运动过程中的受力情况.静止钢液和湍流场中,夹杂物颗粒所受的压力梯度力、虚拟质量力、Saffman力及Magnus力较小,可以忽略不计.静止钢液和均匀湍流场中,随着夹杂物颗粒尺寸的变大,颗粒所受Brown力逐渐衰减,当夹杂物颗粒直径大于20μm时颗粒所受Brown力基本不会对其运动造成影响,可以忽略不计.小于10μm的夹杂物颗粒布朗运动较为剧烈,单位质量夹杂物颗粒所受Basset力和Brown力较大,成为主导夹杂物颗粒运动的主要作用力;尺寸较大的夹杂物颗粒(直径D>50μm),Basset力、质量力和Stokes力共同作用影响夹杂物颗粒的运动、碰撞和去除.      

极值统计法在齿轮钢夹杂物评价中的应用

随着炼钢工艺的发展,钢中绝大部分的夹杂物都能通过工艺控制上浮去除,但仍存在部分大尺寸的夹杂物,会严重影响钢材质量,而采用常规的检测方法很难对钢水中的夹杂物情况进行评价。基于此,采用极值统计方法对钢水中的最大尺寸夹杂物进行推测。结果表明,对于齿轮钢,99.9%的概率认为,最大夹杂物尺寸（直径）不超过19.96μm;99.99%的概率认为,最大夹杂物不超过24.1μm。     

RH铝脱氧后夹杂物碰撞聚合去除的数学模型

在夹杂物碰撞经典聚合模型的基础上,使用了指数级增长的夹杂物分组方式,建立RH铝氧反应生成夹杂物、夹杂物碰撞聚合和夹杂物去除过程的数学模型,从而对RH冶炼过程夹杂物的质量分数及分布进行预测。得到结论如下：模拟结果与文献给出数据有很好的吻合度,模型真实可靠。夹杂物质量分数随着金属铝的加入而快速增加,循环300 s后,夹杂物的总质量分数从最开始的0升至0.065%左右,夹杂物质量分数达到最大值,继而在上浮、壁面吸附和顶渣吸附的作用下去除。经过900 s左右的钢液循环后,夹杂物的总质量分数降至0.01%左右,其整体去除率在84.6%左右,说明RH循环对夹杂物有很好的去除作用。加铝后900 s,2μm和50.8μm的夹杂物质量分数的最大值分别为0.000 02%和0.007 8%。     

超声波钢包精炼水模夹杂物行为

针对钢液中微小非金属夹杂物难以去除的问题,采用高速摄像机和速度分析软件对超声波钢包精炼水模内夹杂物粒子与空化气泡的相互作用行为进行了研究,结果表明:变幅杆式超声波产生的空化气泡形成时,在传振杆底端呈圆锥状分布,空化泡直径在1μm左右,远小于底吹气产生的气泡直径；随着超声功率增大,空化强度增大,生成空化气泡数量增多,气泡分散度增加,有利于去除微小夹杂物；瞬态空化气泡崩溃后,形成的小空化气泡吸附面积增大,与夹杂物碰撞概率增加,可促进夹杂物尤其是微小夹杂物的上浮排出；稳态与瞬态空化气泡均可促进夹杂物的上浮排出.     

中包扩容提升钢液纯净度生产实践

影响钢洁净度因素之一为钢中非金属夹杂物的数量、尺寸、成分和形貌.夹杂物的形核、长大和去除与钢液的流动、夹杂物颗粒间的碰撞密切相关.研究发现,在整个中间包浇注过程中,夹杂物颗粒间碰撞长大和去除过程一直处于非稳态,达到平衡所需时间为2440s,目前中间包平均停留时间仅为514s,随着碰撞过程的进行,小尺寸夹杂物颗粒逐渐碰撞...     

低氧特殊钢中大尺寸DS类夹杂物生成机理

为了探讨低氧特殊钢中大尺寸DS类夹杂物的生成机理,通过ASPEX PSEM explorer自动扫描电镜对比分析国内外低氧特殊钢试样中夹杂物特征（国内、外试样各两个）,发现国内试样中夹杂物平均尺寸大于国外试样,夹杂物的最大尺寸则数倍于国外试样:国内试样中夹杂物的最大尺寸分别为24.9和13.1μm,国外试样分别为7.6和7.5μm.对比国内外特钢试样中大尺寸与小尺寸夹杂物可发现二者成分基本相同,推断大尺寸DS类夹杂物可能是细小夹杂物碰撞长大而形成.通过分析大尺寸夹杂物的可能来源,在实验室通过高温共聚焦激光扫描显微镜观察夹杂物在钢中固/液相界面处的行为.结果发现,总氧降低至7×10-6时,尺寸5μm以下的微细夹杂物可被固/液相界面所捕捉,并在固/液相界面处发生碰撞、聚集、长大而生成大尺寸（>12μm）DS类夹杂物.      

管线钢夹杂物控制技术的改进

对宝钢管线钢精炼和连铸过程钢中夹杂物的变化规律进行了系统评估,得出了LF、RH、中间包和连铸坯过程中夹杂物的特点及变化规律。在此基础上,通过工艺技术的改进,使钢中夹杂物的尺寸、形貌和化学成分等得到了有效控制。10μm以上尺寸的稍大颗粒的夹杂物去除效果较好,铸坯中夹杂物的平均尺寸达到2μm以下;夹杂物的数量明显降低;夹杂物成分更集中于Ca系夹杂;高等级管线钢中间包成品氧含量平均达到11×10-4%。     

RH精炼真空度对超低碳钢夹杂物去除的影响

 大尺寸非金属夹杂物是引起超低碳钢冷轧钢板表面线状缺陷的重要原因。以IF钢为例,铸坯中大尺寸夹杂物主要有3类,即结晶器保护渣卷入后被凝固坯壳捕获;连铸过程中钢水二次氧化产生且未上浮去除的;钢液中未充分去除的夹杂物在浸入式水口处粘连、堵塞,后续堵塞物脱落被凝固坯壳捕获。钢液一次脱氧生成的夹杂物中,不低于100 μm的夹杂物在RH处理过程中较容易去除,100 μm以下的夹杂物受钢液的流动影响较大,特别是不超过20 μm的夹杂物由于其上浮时间长、钢液流动的跟随性好,去除难度较大。RH是超低碳钢最重要的精炼设备,也是夹杂物去除的关键环节,研究RH去除20 μm夹杂物的新技术具有重要的意义。研究了RH脱碳结束加铝后真空度对夹杂物去除的影响,创新性提出了低真空度去除不超过20 μm夹杂物的新技术。研究结果表明,与高真空度处理工艺(常规工艺)相比,低真空度(压力5 kPa)处理的钢液中夹杂物数量降低更显著,中间包钢液总氧质量分数平均降低0.000 2%,钢液增氮水平相当。冷轧钢板因炼钢原因导致的线状缺陷降级率比常规工艺降低了29%。夹杂物在钢液中的跟随性理论分析表明,低真空度处理工艺下RH内钢液循环流量和钢液流速减小,降低了RH处理过程中夹杂物随钢液的跟随性,提高了不超过20 μm夹杂物的去除效率,有效改善了水口堵塞程度、提高了轧板表面质量。     

板坯连铸中间包内夹杂物去除的数值模拟

以某厂50tT型2流中间包为研究对象,利用大型商业软件ANSYS CFX10.0建立了三维有限体积模型,采用多相流模型对中间包内钢液的流动特性、温度分布与夹杂物去除规律进行了数值模拟,重点研究了不同堰-坝组合方式、湍流抑制器形状、拉速、夹杂物粒径等工艺参数对中间包内钢水平均停留时间、夹杂物上浮率的影响。结果表明:湍流抑制器对夹杂物的上浮去除影响不大;随着夹杂物粒径的增大,夹杂物的上浮率迅速增大;20μm以下的夹杂物则很难在中间包内上浮去除;随着拉速的增大,夹杂物的上浮率是不断减小的;采用堰A=300cm、坝B=400cm、方形瓦楞湍流抑制器、过滤器组合式控流装置时夹杂物的上浮去除效果最好。     

钢液中非金属夹杂物碰撞、长大的研究进展

 随着对钢质量要求的不断提高,对钢液中非金属夹杂物去除也提出了更高的要求。碰撞、长大是去除钢液中小粒径夹杂物的有效方法。针对钢液中非金属夹杂物碰撞、长大的最新研究,分析了不同碰撞机制下,非金属夹杂物的碰撞、长大情况,探讨了钢液中非金属夹杂物碰撞团聚的机制。数值模拟是研究钢液中非金属夹杂物碰撞、长大的一个重要方向。结合相关研究的最新进展,展望了今后的发展趋势。     

Effects of AlMnCa and AlMnFe Alloys on Deoxidization of Low Carbon and Low Silicon Aluminum Killed Steels

 To confirm the effects of AlMnCa and AlMnFe alloys on the deoxidization and modification of Al2O3 inclusions, experiments of 4 heat low carbon and low silicon aluminum killed steels deoxidized by AlMnCa and AlMnFe alloys were done in a MoSi2 furnace at 1 873 K. It is found that the 1# AlMnCa alloy has the best ability of deoxidization and modification of Al2O3 inclusions than 2# AlMnCa and AlMnFe alloys. Steel A deoxidized by 1# AlMnCa alloy has the lowest total oxygen content in the terminal steel, which is 37×10-6. Most of the inclusions in the steel deoxidized by 1# AlMnCa alloy are spherical CaO containing compound inclusions, and 891% of them are smaller than 10 μm. The diameter of the inclusion bigger than 50 μm is not found in the final steels deoxidized by AlMnCa alloys. Whereas, for the steels deoxidized by AlMnFe alloys, most inclusions in the terminal steel are Al2O3 or Al2O3 MnO inclusions, and a few of them are spherical, and only 768% of them are smaller than 10 μm. Some inclusions bigger than 50 μm are found in the steel D deoxidized by AlMnFe alloy.     

Numerical Simulation of Nonmetallic Inclusions Behaviour in Gas‐Stirred Ladles

The secondary refining of molten steel in gas‐stirred ladle has played a more and more important role in the production of high quality steel. In the present work, a mathematical model of the fluid flow and inclusions behaviour in a 150t gas‐stirred ladle was presented, and the variations in concentration, size and density for non‐metallic inclusions in the ladle during the refining process were predicted. The results show that during the refining process, the variations in the number density of the inclusions differed depending on size. The inclusions with a diameter less than 25 μm decrease during the whole period, while inclusions with diameter larger than 25 μm increase in the first stage of the treatment and gradually decrease during the later stage. After 15 minutes, all inclusions show a tendency to decrease, but the removal rate for inclusions of smaller size becomes slower. After treatment in the ladle, inclusions with a diameter larger than 50 μm were removed, the number of inclusions with a size between 30‐40 μm was not high, while inclusions that were smaller than 25 μm still remained in the molten steel. Two‐jet bubbling demonstrated an advantage over one‐jet for inclusion removal. The practice of bubbling argon with a higher gas flowrate initially, followed by a lower flowrate in the ladle was found to be beneficial for inclusions removal.     

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。     

50Cr5MoV钢中非金属夹杂物及全氧

 对采用“EBT→LF→VD”工艺路线生产50Cr5MoV锻钢轧辊炼钢过程的全氧质量分数和夹杂物类型与数量进行了分析。结果表明：LF精炼后钢液中[w(T[O])]平均为0.004 7%,VD出站[w(T[O])]为0.001 4%,中间包[w(T[O])]为0.001 55%,铸坯[w(T[O])]为0.001 8%,轧材中[w(T[O])]降低至0.001 0%。LF精炼初期,钢中夹杂物主要是不规则的Al2O3夹杂,其中96.75%的夹杂物尺寸小于10 μm。LF精炼结束后,大量夹杂物转变成以CaO-Al2O3-SiO2为主要成分的0～1 0 μm复合氧化物夹杂。钢水从VD真空精炼炉向中间包转移过程中,由于保护性浇注效果差,二次氧化严重造成钢水夹杂逐渐增多,其中夹杂物主要为球形的[mCaO·nAl2O3]复合夹杂物。铸坯中99.65%的夹杂物尺寸小于10 μm,其中大部分为球形钙铝酸盐夹杂物,还有少量球状硅铝酸钙复合夹杂物。轧材中98.77%的夹杂物尺寸小于10 μm。通过对炼钢过程中各工序的工艺优化,可实现对夹杂物的有效控制, 从而确保50Cr5MoV合金铸钢的产品质量。     

超重力场下钢液中夹杂物上浮行为的数值模拟

 超重力技术可以有效提高固液两相间的重力差,在冶金领域,超重力场的引入可以大幅度增加金属熔体中夹杂物的去除效率。基于超重力冶金装置模型,根据动网格与流-固耦合理论,建立了不同重力场下固态夹杂物在钢液中上浮的流体动力学模型。该模型模拟了夹杂物在不同系数的重力场中上浮的运动状态,研究了超重力场中的重力系数与夹杂物尺寸等因素对颗粒上浮和流场分布的影响。模拟结果表明,在重力场系数恒定时,夹杂颗粒经短暂的加速上浮过程后,后续的上浮运动将趋于匀速,夹杂物的上浮速度会随着施加重力场的增大而增长,夹杂物附近的钢液也会被更快地“推开”,从而出现改变流动状态的趋势。尺寸d为1、10 μm的夹杂物颗粒由于其尺寸较小,在施加一定的超重力场后仍满足Stokes上浮模型;尺寸d为100 μm的大尺寸夹杂物则仅在约10倍重力场作用下符合Stokes上浮模型,当施加更大的重力场时,夹杂物附近的流场会由层流流动转变为湍流流动,不再满足Stokes定律。在研究不同系数重力场中夹杂物上浮的模型时发现,当重力场的系数大小随时间变化时,尺寸为1 μm量级的小尺寸夹杂上浮速度的变化幅度与重力场的变化幅度呈正比;而尺寸为10、100 μm的夹杂物在脱离层流流场后,上浮速度与重力场不再呈线性关系。