鋼中非金屬夾雜物是影響鋼材質(zhì)量最重要的因素之一,因此國內(nèi)外眾多冶金學(xué)者針對鋼中夾雜物的碰撞凝聚及上浮等去除動力學(xué)過程進(jìn)行了大量的研究。煉鋼過程中由于脫氧劑選擇的不同,鋼水中會生成大量高熔點固相夾雜物。一般情況下,固相夾雜物顆粒和鋼水之間的界面張力較大,在發(fā)生多種形式的碰撞后容易凝聚形成大尺寸簇群狀夾雜物(inclusion cluster)。目前大多數(shù)研究人員都將這些簇群狀夾雜物簡化成理想球形夾雜物,但是簇群狀夾雜物的形貌結(jié)構(gòu)和球形夾雜物存在很大的區(qū)別,將其簡化為球形夾雜物,難以全面真實的反應(yīng)其在鋼水中的上浮和碰撞凝聚行為。本文以鋁脫氧鋼中生成的簇群狀氧化鋁夾雜物為研究對象,在應(yīng)用分形理論建立其幾何結(jié)構(gòu)模型,并定量描述的基礎(chǔ)上,對其在鋼水中的上浮及碰撞凝聚過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,最后以板坯連鑄結(jié)晶器為例,考慮夾雜物的形貌結(jié)構(gòu)對其上浮及碰撞凝聚過程的影響,對板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)簇群狀夾雜物的空間分布和運動軌跡等性質(zhì)進(jìn)行了討論。具體研究內(nèi)容如下：針對傳統(tǒng)歐式(歐幾里得)幾何難以描述簇群狀夾雜物形貌結(jié)構(gòu)的問題,引入分形理論,以簇群狀氧化鋁夾雜物為例,分析了采用該理論研究簇群狀夾雜物形貌結(jié)構(gòu)的可行性。結(jié)果表明：簇群狀夾雜物具有顯著的分形特征,基于圖像處理的盒維數(shù)法能夠準(zhǔn)確計算其分形維數(shù)：簇群狀夾雜物的分形維數(shù)是定量描述其形貌結(jié)構(gòu)的重要參數(shù),分形維數(shù)越大,簇群狀夾雜物的三維結(jié)構(gòu)越致密；依據(jù)分形理論和簇群狀夾雜物的分形結(jié)構(gòu)特點,建立了其三維分形結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,從而實現(xiàn)了其形貌結(jié)構(gòu)的定量描述。依據(jù)簇群狀夾雜物的分形結(jié)構(gòu)模型,可以構(gòu)建不同尺寸形貌分形凝聚體來模擬實際簇群狀夾雜物。為了探索鋼水中簇群狀夾雜物的上浮行為,引入格子Boltzmann方法,對該方法直接模擬研究鋼水中分形凝聚體上浮行為的可行性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：格子Boltzamnn方法能夠準(zhǔn)確的對分形維數(shù)等于3以及分形維小于3的分形凝聚體在鋼水中的上浮行為進(jìn)行直接數(shù)值模擬研究�；诖厝籂願A雜物的分型結(jié)構(gòu)模型,構(gòu)建了不同尺寸形貌分形凝聚體來模擬實際簇群狀夾雜物,使用格子Boltzmann方法對其在鋼水中的上浮過程進(jìn)行了直接模擬研究,結(jié)果表明：分形維數(shù)是影響鋼水中簇群狀夾雜物上浮速度的重要因素,簇群狀夾雜物的結(jié)構(gòu)疏松開放分形維數(shù)較小,其上浮速度小于等體積球形夾雜物的上浮速度。傳統(tǒng)研究將鋼水中細(xì)小夾雜物顆粒碰撞凝聚形成的分形維數(shù)較小的簇群狀夾雜物處理成等體積球形夾雜物,高估了其上浮速度。分形凝聚體上浮速度數(shù)學(xué)模型可以表示為：V=N0.9468-0.9197)r2g(ρm-ρs)r2/9μm Re2。該式可以較為準(zhǔn)確的反映出,簇群狀夾雜物在鋼水中的上浮速度與其形貌結(jié)構(gòu)的關(guān)系。鋼水中夾雜物顆粒上浮碰撞凝聚過程的模擬研究表明：鋼水中不同尺寸的固相夾雜物顆粒,由于上浮速度差,大尺寸的夾雜物顆粒會小斷追趕接近小尺寸的夾雜物顆粒,進(jìn)而發(fā)生碰撞形成凝聚態(tài)夾雜物一起上浮。上浮碰撞凝聚過程能顯著增加小尺寸夾雜物顆粒的上浮速度。固相夾雜物碰撞凝聚后形成的凝聚體的結(jié)構(gòu)變的疏松開放,分形維數(shù)降低。液相夾雜物顆粒之間的碰撞凝聚過程和固相夾雜物之間存在很大的區(qū)別,液相夾雜物顆粒碰撞凝聚后,在界面張力的作用下能快速融合成一個較大尺寸液相球形夾雜物。連鑄板坯結(jié)晶器內(nèi)簇群狀夾雜物的空間分布、運動軌跡等模擬結(jié)果表明：碰撞凝聚形成的大尺寸夾雜物易在浸入式水口內(nèi)壁,水口底部及水口出口上部區(qū)域富集,因而在這些區(qū)域較易發(fā)生水口堵塞。結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動存在上下兩個循環(huán)區(qū),在渦心處碰撞凝聚形成的大尺寸復(fù)雜形貌夾雜物顆粒的數(shù)密度較高,呈富集狀態(tài)。板坯結(jié)晶器內(nèi)直徑為10μm,40μm,70μm和100μm的簇群狀(Df=1.83)氧化鋁夾雜物上浮至保護(hù)渣被吸收的去除率相比于同尺寸球形(Df=3)氧化鋁夾雜物,分別分別降低了0.3%,0.5%,1.6%和3.3%。隨著尺寸的變大,簇群狀氧化鋁夾雜物上浮至保護(hù)渣被吸收的去除率相比于同尺寸球形氧化鋁夾雜物降低的就越多。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TF701
【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
1 引言
2 文獻(xiàn)綜述
    2.1 鋼中非金屬夾雜物的研究概況
        2.1.1 鋼中非金屬夾雜物的分類
        2.1.2 鋼中非金屬夾雜物的形貌特征
        2.1.3 夾雜物控制動力學(xué)研究簡述
        2.1.4 夾雜物顆粒之間的碰撞聚合長大
        2.1.5 夾雜物行為的基本數(shù)學(xué)模型
        2.1.6 雜物顆粒上浮動力學(xué)行為研究
        2.1.7 本章小結(jié)
    2.2 分形理論及其應(yīng)用
        2.2.1 分形的定義
        2.2.2 分形維數(shù)
        2.2.3 分形生長模型
        2.2.4 分形理論的應(yīng)用
    2.3 格子Boltzmann方法及應(yīng)用
    2.4 課題背景和研究意義
    2.5 研究方法
    2.6 本課題研究范圍及論文設(shè)計思路
    2.7 創(chuàng)新點
3 簇群狀夾雜物的分形結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型及定量描述
    3.1 本章研究目的
    3.2 鋼中簇群狀氧化鋁夾雜物的形貌結(jié)構(gòu)
        3.2.1 簇群狀氧化鋁夾雜物SEM圖
        3.2.2 應(yīng)用圖像分析法對簇群狀夾雜物三維結(jié)構(gòu)的分析
    3.3 鋼中復(fù)雜形貌簇群狀氧化鋁夾雜物的分形特征
        3.3.1 分形理論研究鋼中簇群狀氧化鋁夾雜物幾何結(jié)構(gòu)的可行性
        3.3.2 利用盒維數(shù)法對簇群狀夾雜物分形維數(shù)的計算
    3.4 簇群狀夾雜物三維分形結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建
    3.5 本章小結(jié)
4 為模擬分形凝聚體上浮引入格子Boltzmann方法的可行性研究
    4.1 本章研究目的
    4.2 模擬流體流動的格子Boltzmann方法
    4.3 流體中固體顆粒運動的數(shù)學(xué)模型
        4.3.1 格子Boltzmann方法中固體顆粒的表示方式
        4.3.2 夾雜物顆粒運動的數(shù)學(xué)模型
    4.4 初始條件和邊界條件
        4.4.1 初始條件的設(shè)定
        4.4.2 邊界條件的設(shè)定
    4.5 格子Boltzamann方法模擬鋼水中分形凝聚體上浮行為的實現(xiàn)
    4.6 格子Boltzmann方法模擬分形凝聚體上浮行為的可行性
f=3分形凝聚體上浮行為'>        4.6.1 格子Boltzmann方法模擬鋼水中D_f=3分形凝聚體上浮行為
f=3分形凝聚體（球形顆粒）上浮過程的模擬結(jié)果'>    4.7 D_f=3分形凝聚體（球形顆粒）上浮過程的模擬結(jié)果
        4.7.1 初始時刻模擬區(qū)域的流體速度分布云圖
        4.7.2 上浮達(dá)到穩(wěn)定時模擬區(qū)域的速度分布云圖
        4.7.3 夾雜物顆粒上浮過程受力隨時間的變換關(guān)系
        4.7.4 夾雜物顆粒上浮速度隨時間的變化關(guān)系
f
    4.8 用格子Boltzmann方法模擬Df

    4.9 本章小結(jié)
5 基于分形結(jié)構(gòu)模型用格子Boltzmann方法對簇群狀夾雜物上浮行為模擬
    5.1 本章研究目的
    5.2 鋼水中球形夾雜物和簇群狀夾雜物上浮過程差異的對比分析
    5.3 簇群狀夾雜物上浮速度模型
    5.4 增大鋼水中簇群狀夾雜物上浮速度的可行性
    5.5 本章小結(jié)
6 鋼水中夾雜物顆粒上浮碰撞凝聚過程的直接模擬研究
    6.1 本章研究目的
    6.2 應(yīng)用格子Boltzmann方法模擬研究鋼水中固相夾雜物顆粒上浮碰撞凝聚過程
        6.2.1 固相夾雜物顆粒間碰撞凝聚過程的受力分析
        6.2.2 鋼水中固相夾雜物顆粒上浮碰撞凝聚模型
        6.2.3 夾雜物顆粒上浮碰撞凝聚過程中模擬區(qū)域鋼水速度場
        6.2.4 固相夾雜物顆粒上浮碰撞凝聚過程中上浮速度的變化規(guī)律
    6.3 基于VOF模型模擬對液相夾雜物顆粒之間凝聚過程的研究
        6.3.1 研究方法—VOF（流體體積）模型
        6.3.2 基本假設(shè)和研究區(qū)域
        6.3.3 邊界條件和計算方法
        6.3.4 液相夾雜物顆粒之間凝聚模擬結(jié)果
    6.4 本章小結(jié)
7 簇群狀夾雜物在板坯結(jié)晶器中碰撞凝聚及運動行為的模擬
    7.1 本章研究目的
    7.2 復(fù)雜形貌夾雜物顆粒之間的碰撞凝聚過程
    7.3 板坯結(jié)晶器內(nèi)氧化鋁夾雜物顆粒碰撞凝聚數(shù)值模擬
        7.3.1 板坯連鑄結(jié)晶器模型結(jié)構(gòu)簡圖
        7.3.2 模型假設(shè)條件
        7.3.3 水流動數(shù)學(xué)模型
        7.3.4 復(fù)雜形貌氧化鋁夾雜物數(shù)密度輸運方程
        7.3.5 板坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)簇群狀氧化鋁夾雜物的分形維數(shù)
        7.3.6 初始條件和邊界條件
    7.4 數(shù)值計算方法
    7.5 模擬結(jié)果與討論
        7.5.1 連鑄板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場模擬結(jié)果
        7.5.2 浸入式水口出口中心對稱面上的夾雜物顆粒數(shù)密度分布
        7.5.3 結(jié)晶器內(nèi)不同尺寸夾雜物顆粒的數(shù)密度分布
    7.6 連鑄板坯結(jié)晶器內(nèi)簇群狀夾雜物運動軌跡及上浮去除率的分析
        7.6.1 簇群狀氧化鋁夾雜物運動控制方程
        7.6.2 形貌結(jié)構(gòu)對夾雜物運動軌跡的影響
        7.6.3 簇群狀和球形兩種形貌夾雜物上浮去除率對比
    7.7 本章小結(jié)
8 結(jié)論
參考文獻(xiàn)
簡歷及在學(xué)研究成果
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集

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本文編號：2852080

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