【佳文推荐】湍流中钢渣界面捕获夹杂物的边界层模型
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引用本文 ：
Yi-peng Sun, Hao-jian Duan & Li-feng Zhang. A boundary layer model for capture of inclusions by steel–slag interface in a turbulent flow. J. Iron Steel Res. Int. (2023).
https://doi.org/10.1007/s42243-023-00957-x
文 章 信 息
A boundary layer model for capture of inclusions by steel-slag interface in a turbulent flow
湍流中钢渣界面捕获夹杂物的边界层模型
孙奕鹏 1 , 段豪剑 1 , 张立峰 2
1 北京科技大学，冶金与生态工程学院
2 北方工业大学，机械与材料工程学院
内 容 简 介
非金属夹杂物是造成钢铁材料质量缺陷和服役失效是主要因素之一，是炼钢过程中尚未根本解决的问题，严重制约着钢产品的质量稳定和性能提升。在钢液的二次精炼过程中，夹杂物的形核、生长、运动和去除等行为是一个复杂的过程，而数学模型是研究该过程的有效手段。在过去的几十年里，冶金工作者们开发了各种数学模型来描述钢液中夹杂物的形核、生长和去除过程。近些年来，随着计算流体动力学以及相关软件的发展和完善，通过数值模拟将夹杂物微观行为和冶金容器中宏观尺度流动相耦合，已成为预测精炼和连铸过程中夹杂物演变行为的主要研究方法。
图1. 钢-渣界面捕获夹杂物的有效边界层示意图
图2. 预测钢-渣界面捕获夹杂物有效边界层厚度的图形用户界面
精炼渣吸附溶解是去除夹杂物的主要方式，其过程涉及夹杂物由钢液内部运动到钢-渣界面，夹杂物被钢-渣界面捕获与分离以及夹杂物在精炼渣中溶解三个步骤。夹杂物在钢-渣界面的捕获过程一直是研究精炼渣去除夹杂物的重点课题。尽管目前已有很多模型来描述夹杂物在钢-渣界面附近的运动行为，但依然没有合适的模型能够与计算流体动力学模拟得到的宏观尺度流动相耦合。在现有的耦合计算中，夹杂物在钢-渣界面的去除通常是从夹杂物上浮的斯托克斯速度进行考虑，很少会考虑到钢-渣界面附近流动条件对夹杂物去除的影响。
本文在分析钢-渣界面附近夹杂物运动行为的基础上，提出了钢-渣界面捕获夹杂物的有效边界层概念，并且采用统计的方法计算了夹杂物去除的有效边界层厚度。研究结果表明，钢-渣界面对夹杂物的捕获不仅取决于夹杂物的尺寸，而且还与钢-渣界面处的湍流状态密切有关。在强湍流流动中，夹杂物的运动主要受湍流流动的控制，因此有效边界层厚度主要是湍动能的函数，几乎与夹杂物直径无关；而随着湍动能的降低，夹杂物的惯性作用逐渐取代湍流的随机效应，夹杂物直径对有效边界层厚度的影响逐渐增强。夹杂物尺寸越大，其惯性也越大，因此有效边界层厚度更容易受到夹杂物尺寸的影响；而对于小尺寸夹杂物，其运动主要由湍流状态决定，因此有效边界层厚度更容易受到湍流状态的影响。钢-渣界面处的特征流速越快，夹杂物与钢-渣界面相互作用的时间越短，从而使得有效边界层厚度减薄。此外，为了方便将当前边界层模型与冶金容器中的宏观流动相耦合，本研究还通过三次样条插值开发了图形用户界面，实现了对不同湍流条件下钢-渣界面捕获夹杂物有效边界层厚度的预测。
作 者 简 介
张立峰 教授
北方工业大学 校长
张立峰，1971年8月生，现任北方工业大学校长、教授，曾在日本东北大学、德国克劳斯塔尔工业大学、美国伊利诺大学香槟分校、挪威科技大学、美国密苏里科技大学、北京科技大学、燕山大学从事教学、科研和管理工作。入选多项国家级高层次人才计划、教育部首批 “全国高校黄大年式教师团队”负责人。从事洁净钢研究，出版专著8部，发表学术论文 500 余篇，获得省部级一等奖多项。
段豪剑 副教授
北京科技大学冶金与生态工程学院
段豪剑，分别于2013年和2019年在北京科技大学获得冶金工程本科学位和博士学位。2019年起任职于北京科技大学冶金与生态工程学院。主要从事于冶金过程数值模拟仿真和精炼过程界面现象的相关研究。发表学术论文50余篇，获得人社部和博管会博士后创新人才支持计划，主持国家自然科学基金青年基金一项，中央高校基础科研业务费一项，参与企业产学研合作项目多项。
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《 钢 铁研究学报（英文版） 》（ Journal of Iron and Steel Research International ）创刊于1994年，由中国钢铁工业协会主管、中国钢研科技集团有限公司主办的学术期刊，主要刊载 冶金与金属加工工艺及金属基材料科学与技术 ，包括钢铁冶金工艺流程优化、冶金资源综合利用、节能环保；金属基材料的制备、表征、组织结构和性能等。科睿唯安JCR2021影响因子： 1.619， 2022即时影响因子 2.238 ， 中科院期刊分区进入 材料科学2区， 由Springer出版集团全球独家出版，被 SCI、EI 等数据库收录。连续 11 年入选“ 最具国际影响力期 刊 ”。
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