1.背景介紹
冶金中的非金屬夾雜物對金屬材料的性能有很大的影響，會使金屬材料的塑性、韌性和強度等性能降低，甚至使材料出現空隙或形成裂紋。只有在極少數情況下，夾雜物可以起到改善金屬材料性能的作用。因此，為了避免非金屬夾雜物對金屬材料的組織和性能等方面產生嚴重的影響，在熔煉、精煉和連鑄等過程中，需要對非金屬夾雜物進行有效地去除。
圖1 冶金工廠
2.研究內容
太原理工大學陳超教授研究團隊為研究夾雜物在去除過程中，在鋼–渣界面的運動，基于相似原理，用Al2O3和聚丙烯PP 粒子模擬夾雜物，水模擬鋼液，硅油模擬鋼渣，建立了一個水模型。通過改變粒子尺寸、種類，以及油層黏度等因素，觀察粒子在不同條件下在水–油界面上浮的運動過程，從而分析實際煉鋼生產過程中各種因素對夾雜物去除的影響。 研究基于相似理論建立水模型， 模擬鋼–渣界面非金屬夾雜物的分離過程，從而研究夾雜物上浮速度和尺寸以及渣的性質等因素對分離過程的影響。
圖2 高速攝像觀測系統組成示意圖
實驗所用的設備主要有容器、千眼狼5KF20高速攝像機(1920×1080@3000fps，相機自帶運動分析軟件)。實驗容器為由亞克力制成的Φ445×600 mm 的圓柱形容器，底部圓心處開一個Ф10 mm 的口，為消除折射，圓柱外圍圍上棱長 600 mm 的正方體容器。
3.研究結論
實驗基于相似原理建立了非金屬夾雜物在渣層運動上浮的水模型，通過比較不同粒子在不同水–油界面的運動情況，分析各因素對粒子在水–油界面運動過程的影響，得出結論如下： （1）在靜止的水中，粒子釋放后，立即加速運動上浮，并在較短時間內達到終端速度，隨后勻速到達水–油界面。當粒子到達水–油界面時，其動能逐漸轉化為水–油界面的界面變形勢能。 （2）在同種硅油的情況下，粒子所受浮力對其在界面的運動過程的影響較小，主要的影響因素是粒子與界面間的總潤濕性，且密度較大的更容易在界面上浮。 （3）油層黏度越大，對粒子在水–油界面運動的阻力越大，從而延緩粒子穿越過程。但油層黏度對粒子最終位置的影響不大。 （4）在粒子種類及界面性質一定的情況下，當粒子由于動能過小而無法順利穿過水–油界面時，主要受到的是界面張力的影響，其最終在界面處的停留位置與粒子尺寸無關。 4.行業應用總結 冶金研究的根本目的是通過各種加工方法達到脫碳、脫磷、脫硫、去雜物→著眼于研究過程中復雜的氣-液-金-渣多相流行為和反應動力學→最重要的手段是數值模擬→建立各種多相流模型→直接的研究對象就是氣泡的分布、氣泡的破碎、聚合現象→需要高速相機捕捉并測量氣泡的位移、運動速度等。（此文源自太原理工大學陳超教授研究團隊）
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