非金属夹杂物是炼钢过程中的必然产物且无法完全去除。残留在钢基体中的夹杂物会对钢材的质量与性能产生不利影响,而夹杂物的成分和尺寸影响最大。炼钢过程中,夹杂物会在钢液的流动作用下发生碰撞、聚合、长大,不同成分的夹杂物所表现出的聚合趋势有显著差异。为了揭示夹杂物在钢液中聚并/分散的影响因素及其内在机理,本文借助物理模拟与数值模拟的方法对钢液中夹杂物的碰撞、聚合、上浮去除等一系列行为开展了系统的研究。采用静滴法测定了典型夹杂物与钢液间的表观接触角及界面张力,并基于碰撞聚合理论计算得到了不同夹杂物在钢液中的聚并系数,同时开展脱氧试验对计算结果进行了验证,研究结论为钢中夹杂物尺寸控制指明了方向。得到如下主要结论:(1)物理模拟中采用邻苯二甲酸二辛酯、苯乙醚、硅油三种有机试剂模拟钢中液态夹杂物。研究表明,模拟夹杂物的碰撞聚并行为受其自身黏度及与水界面张力影响显著,吹气条件下三者的最终去除率分别为74.5%、81.1%、65.0%。向钢液中导入一定能量的超声波后,夹杂物会在声辐射力的作用下迅速碰撞长大并大量上浮,但部分液滴乳化并均匀稳定地分布于溶液中难以继续分离。(2)数学物理模拟结果均表明,底吹气体搅拌对于夹杂物上浮去除有明显促进作用。气泡浮力带动钢液流动增大了夹杂物湍流碰撞概率,形成的较大尺寸夹杂物与上浮的细小夹杂物发生stokes碰撞,进一步聚合长大。与不吹气相比,三种模拟的液态夹杂物去除率分别增长了 15.8%、17.2%和10.7%。(3)单对液滴对聚并过程的数值计算结果表明,液滴相互靠近时,液滴与连续相之间的界面张力对聚并过程影响显著。随着界面张力的增大,液滴对受到的附加压力增加,界面收缩速率升高,总体聚并进程被加快。增加液滴的动力学黏度会减缓聚并进行过程中液滴间的相互传质,降低了界面的收缩速度,阻碍液滴对的聚并过程。(4)1823/1873K惰性气氛下,A1203、MgO和MgO·Al2O3三种氧化物基板与五种不同成分钢液间接触角的测量结果显示,在任意成分钢液中,夹杂物不润湿性排序均为A12O3>MgO>MgO·Al2O3。再基于碰撞聚合理论,建立了钢液中夹杂物聚并能力与钢液-夹杂物界面性质的定量关系,夹杂物聚并系数与接触角间的定量关系为:αt=4.923 × 1 0-5[μrI3(pMε//μ)1/2/(σI-σMcosθ))-0.242用此关系式计算得到夹杂物在钢液中的聚并能力排序为A12O3>MgO>MgO·A12O3。(5)脱氧实验及夹杂物定量分析表明,钢中夹杂物聚合长大能力与理论计算的聚并系数值呈现高度的相关性,验证了数学物理模拟结果与理论计算评估结果的正确性。因此,若要有针对性地对钢中夹杂物尺寸进行调控,可以改变夹杂物的成分以增大或减小两相间界面张力以促进夹杂物的团聚或分散,从而实现夹杂物无害化的控制目标。