超重力场下钢液中夹杂物上浮行为的数值模拟
杜依诺，郭磊，杨洋，张帅，于含樟，郭占成
(北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室， 北京 100083)
摘要：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。
关键词：超重力技术； 非金属夹杂物； 数值模拟； 流固耦合； 洁净钢
1 引言
随着洁净钢定义越来越严格，人们对钢中非金属夹杂物的去除问题日益关注。夹杂物是钢材冶炼过程中产生于基体间的异相，夹杂物破坏了材料的连续性与均匀性，对钢材各项性能均产生影响。在钢铁生产过程中，由于钢液与夹杂物之间存在着密度差，可以通过镇静的方式处理钢液使夹杂物自然上浮，达到净化钢液的目的。这种工艺虽然能有效去除大尺寸夹杂，但仍存在着上浮处理时间长、对细小夹杂去除效率低等特点。
近些年，随着超重力技术在金属熔体去除夹杂物领域研究的深入，超重力场对细小夹杂物的去除能力强、效率高等特点得到了充分的体现。LI C等利用超重力技术，在80倍重力条件下对钢液进行处理，重力场作用下的Al2O3夹杂呈向上的运动趋势，短时间处理后夹杂物的平均尺寸及数量沿超重力方向梯度分布。SHI A J等通过改良超重力处理工艺，使718高温合金中的Al2O3、TiN等夹杂物定向上浮，且对合金基体中1 μm尺寸量级的夹杂物有较好的去除效果。超重力促进颗粒上浮的基础研究虽然已有较为优异的试验效果,但受试验过程等因素的限制，颗粒在超重力场中的上浮行为无法被直接观测，这一过程的理论基础仍然基于常重力场模型，并未考虑施加超重力场后的影响。
Strandh J等基于Stokes上浮理论，尝试用经典的力学分析方法模拟夹杂物的上浮与分离过程，该模型考虑了夹杂颗粒的各种动力作用，确定了夹杂物通过钢渣界面的临界尺寸。宋高阳使用离散相模型(DPM)模拟超重力场下铝熔体的流动状态，并估算了超重力场下夹杂物的去除率，但该模型仅考虑了夹杂颗粒的受力情况，没有考虑夹杂物与钢液之间的相互作用。固态颗粒在流场中的运动是一个复杂的流体流动问题，建立流-固耦合(FSI)模型是改进夹杂物运动模型的最佳途径。刘威等使用流-固耦合(FSI)理论模拟了夹杂物的上浮与去除过程，分析了常重力场下夹杂物的尺寸效应对流场与运动的影响。FSI模型对于超重力环境同样匹配，更适合模拟超重力场中的夹杂物运动问题。
在本研究中，首次提出了基于动网格与流-固耦合理论多种重力场下的钢液中固态夹杂物运动的CFD模型。该模型模拟了不同重力场中的夹杂物运动过程，用于讨论不同重力场影响下夹杂物与流场的相互作用规律。
2 精选图表
3 结论
(1)超重力场作用下的夹杂物上浮时，夹杂颗粒会在短暂的加速后达到匀速上浮，夹杂物的上浮平衡速度会随着重力场的增大而增长。
(2)在G 为 1~1 000时，d为1 μm夹杂物始终满足Stokes流动，d 为 10 μm和100 μm夹杂物在较大的重力场作用时不再满足Stokes流动，夹杂物附近的流场会由层流流动转变为湍流流动，平衡速度约为Stokes理论值的15%。
(3)当重力场的大小随时间变化时，d 为1 μm夹杂物上浮速度的变化幅度与重力场的变化幅度相同；d 为10 μm和100 μm夹杂物则在离开层流流场后速度的变化幅度小于重力场的变化幅度。
