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    鋼中液態夾雜物聚并行為的數學物理模擬

    陳開來 王德永 屈天鵬 田俊 王慧華

    陳開來, 王德永, 屈天鵬, 田俊, 王慧華. 鋼中液態夾雜物聚并行為的數學物理模擬[J]. 工程科學學報, 2019, 41(10): 1280-1287. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.02.001
    引用本文: 陳開來, 王德永, 屈天鵬, 田俊, 王慧華. 鋼中液態夾雜物聚并行為的數學物理模擬[J]. 工程科學學報, 2019, 41(10): 1280-1287. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.02.001
    CHEN Kai-lai, WANG De-yong, QU Tian-peng, TIAN Jun, WANG Hui-hua. Physical and numerical simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in molten steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(10): 1280-1287. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.02.001
    Citation: CHEN Kai-lai, WANG De-yong, QU Tian-peng, TIAN Jun, WANG Hui-hua. Physical and numerical simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in molten steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(10): 1280-1287. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.02.001

    鋼中液態夾雜物聚并行為的數學物理模擬

    doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.02.001
    基金項目: 

    國家自然科學基金資助項目 51674172

    國家自然科學基金資助項目 51874203

    國家自然科學基金資助項目 51774208

    詳細信息
      通訊作者:

      屈天鵬, E-mail: qutianpeng@suda.edu.cn

    • 中圖分類號: TF704.7

    Physical and numerical simulation of the coalescence of liquid inclusion particles in molten steel

    More Information
    • 摘要: 基于相似原理,采用水模擬鋼液,用有機試劑模擬鋼液中液態非金屬夾雜物,同時采用數值仿真方法共同研究了夾雜物種類、兩相間界面張力及黏度對于液滴聚并過程的影響規律.結果表明,夾雜物液滴間的聚合趨勢與其自身的物理性質有緊密聯系,其中液滴相與連續相之間的界面張力會促進其相互聚并,而液滴相的黏度則正相反,在液滴聚并過程中起抑制作用.因此,通過改變液態夾雜物與高溫鋼液之間的界面參數以及黏度參數,有望達到聚合或分散的控制目標,進而實現夾雜物尺寸的靈活控制.

       

    • 圖  1  鄰苯二甲酸二辛酯液滴的初始形貌(a)、輪廓擬合(b)、粒徑分布(c)和所對應的實際液態夾雜粒徑分布(d)

      Figure  1.  Initial morphology (a), fitted contour (b), size distribution of DOP particles (c), and the corresponding size distribution of actual liquid inclusions in molten steel(d)

      圖  2  物理模擬實驗裝置示意圖

      1―鋼包模型; 2―底吹攪拌; 3―頂面環形吹氣; 4―滴定管; 5―頂部注水; 6―錐形瓶收集; 7―靜置分層

      Figure  2.  Schematic diagram of experimental apparatus

      圖  3  液滴對聚并模型示意圖

      Figure  3.  Schematic diagram of coalescence model between two drops

      圖  4  三種模擬夾雜物上浮去除率隨時間的變化

      Figure  4.  Variation curves of the removal rates of different model inclusions over time

      圖  5  液滴對聚并過程體積分數、壓力云圖與速度場分布

      Figure  5.  Volume fraction, total pressure, and velocity field during coalescence process

      圖  6  彎曲液面的附加壓力

      Figure  6.  Additional pressure of curved liquid surface

      圖  7  不同界面張力條件下液滴聚并現象形貌(μ=0.05 Pa ·s)

      Figure  7.  Coalescence phenomena of different interfacial tensions (μ=0.05 Pa ·s)

      圖  8  聚并時間與界面張力關系

      Figure  8.  Relationship between coalescence time and interfacial tension

      圖  9  不同黏度條件下液滴聚并過程(γ=50 mN ·m-1)

      Figure  9.  Coalescence phenomena under different viscosities (γ=50 mN ·m-1)

      圖  10  聚并時間與液滴黏度的關系

      Figure  10.  Relationship between coalescence time and droplet viscosity

      表  1  原型和模型及其介質的主要參數

      Table  1.   Main parameters of prototype ladle, model, and the medium

      項目 鋼包上口直徑/mm 鋼包下口直徑/mm 熔池深度/mm 噴嘴直徑/mm 密度/(kg·m-3) 吹氣量/(L·min-1)
      液體 夾雜物 氣體1)
      原型 3660 3364 4095 100 7.1×103 3.9×103 1.784(Ar) 800
      模型 245 215 273 2.62) 1×103 0.98×103(二辛酯) 1.977(CO2) 0.5
      注:1)溫度T=273 K,壓強p=1.013×105 Pa. 2)實際吹氣孔為狹縫型,長5.3 mm,寬1 mm,按同等面積折合成圓形噴嘴直徑為2.6 mm.
      下載: 導出CSV

      表  2  液態夾雜模擬試劑部分物理性質

      Table  2.   Partial physical properties of reagents chosen to simulate liquid inclusion

      序號 名稱 相對密度/(g·cm-3) 黏度/(mPa·s) 表面張力/(mN·m-1) 與水界面張力/(mN·m-1)
      1 鄰苯二甲酸二辛酯 0.98 9.70 27.701)
      2 苯乙醚 0.97 1.16 29.80 29.40[14]
      3 二甲基硅油 0.97 500 21.20 35.26[15]
      注:1)由DCAT21動態接觸角測量儀測得.
      下載: 導出CSV

      表  3  數值模擬計算條件設置

      Table  3.   Parameter setting for numerical calculation

      序號 密度/(kg·m-3) 黏度/(Pa·s) 界面張力/(mN·m-1)
      液滴 液滴 液滴與水
      1 950 998.2 0.05 0.001003 10
      2 950 998.2 0.05 0.001003 20
      3 950 998.2 0.05 0.001003 50
      4 950 998.2 0.05 0.001003 70
      5 950 998.2 0.05 0.001003 90
      6 950 998.2 0.01 0.001003 50
      7 950 998.2 0.10 0.001003 50
      8 950 998.2 0.15 0.001003 50
      9 950 998.2 0.20 0.001003 50
      10 950 998.2 0.25 0.001003 50
      11 950 998.2 0.30 0.001003 50
      下載: 導出CSV
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    • 加載中
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    出版歷程
    • 收稿日期:  2018-11-02
    • 刊出日期:  2019-10-01

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