《Powder Technology》：Numerical investigation of the transport and entrapment of bubbles and bubble–alumina composites in a continuous casting mold and their distribution in slabs
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•该模型将气泡聚并与破碎与氧化铝附着至气泡的过程耦合在一起。•颗粒尺寸主导了平流、上浮与截留之间的竞争关系。•低速回流增加了颗粒停留时间，有利于稳定的捕获。•携带已收集氧化铝的气泡被截留在凝固前沿。引言在连铸模中通常注入氩气以缓解水口堵塞。注入的氩气泡在钢液中的输运及其最终命
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该模型将气泡聚并与破碎与氧化铝附着至气泡的过程耦合在一起。
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颗粒尺寸主导了平流、上浮与截留之间的竞争关系。
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低速回流增加了颗粒停留时间，有利于稳定的捕获。
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携带已收集氧化铝的气泡被截留在凝固前沿。
引言
在连铸模中通常注入氩气以缓解水口堵塞。注入的氩气泡在钢液中的输运及其最终命运与板坯洁净度密切相关。气泡在输运过程中的聚并与破碎会产生不同的气泡尺寸和空间分布。大气泡通常具有更强的上浮倾向，而小气泡则更容易被流体携带；它们是否会被凝固壳截留还取决于局部流动条件以及与凝固前沿的相互作用。
在被凝固壳截留并保留在板坯中的气泡中，携带氧化铝的气泡带来的质量风险最为显著。Miki等人[1]报告称，单个气泡形成的气孔在热轧过程中可以闭合，但气泡表面或内部附着的氧化铝颗粒会阻碍钢基体的重新结合，使气孔闭合更加困难。如果近表面气泡上方的金属层逐渐变薄并在轧制下断裂，则可能形成表面疤痕或剥离缺陷；如果不发生断裂，则可能残留拉长的管状空腔，并在后续退火过程中因氩气膨胀而扩大，产生长条疱状缺陷，如气泡剥离或铅笔管。此类缺陷通常宽度约为1 mm，长度为150–300 mm，在极端情况下可达1 m。气泡表面累积的氧化铝夹杂物的体积通常大于钢中孤立的夹杂物聚集区，而孤立的小颗粒或聚集区相对危害较小[1]。气泡表面氧化铝颗粒的聚集体以及直径大于100 μm的少数孤立夹杂物聚集区变形能力较差，在轧制过程中容易引发应力集中并断裂成条带状结构[2]。经过进一步拉伸、碎裂并在表面暴露后，这些结构可形成细长的不规则缺陷，如夹子线或黑线，长度可达0.1–1 m[3]。夹杂物相关缺陷可导致产品降级、返工或报废，降低收得率并增加额外加工和能耗。钢铁制造供应链的研究表明，减少工序废钢有潜力降低能耗和CO?排放[4]。因此，评估这些颗粒所带来的风险需要考虑其氧化铝负载及其在板坯中的残余位置。
由于在实际运行的铸模中直接测量气泡、流场和氧化铝夹杂物非常困难，数值模拟已成为研究气泡及其复合体的空间和尺寸分布的重要手段。弥散相输运通常采用欧拉-拉格朗日或欧拉-欧拉框架来描述：前者追踪离散颗粒并提供单个轨迹，后者通过群体水平场和统计量来表示弥散相，并可与群体平衡模型（PBM）耦合以描述颗粒尺寸分布的演变。输运过程的研究涉及了气泡聚并与破碎[5]、界面力[6]、气泡直径和湍流模型对气相分布预测的影响[7]以及复杂流动中的传热传质[8]。对于气泡-固体颗粒相互作用，研究中采用了不同的弥散相表征方法。Lakghomi等人[9]在溶解空气浮选模拟中将气泡和颗粒作为单一的欧拉相处理，并对不同类型的碰撞使用了相同的碰撞模型。Gruber等人[10]采用欧拉-拉格朗日-拉格朗日方法比较了多种气-固相互作用模型，其引入内聚力的软球模型为颗粒相互作用提供了更详细的描述。Sarhan等人[11]采用欧拉-欧拉-欧拉方法来考虑由颗粒附着引起的质量传递和表观气相密度变化，并利用气泡Sauter平均直径和固定颗粒直径计算总附着率。
在炼钢系统中，气泡对夹杂物的收集需要与复合体的后续命运一并考虑。Miki等人[1]和张等人[12]通过气泡轨迹间接估计了附着夹杂物的数量，而未显式求解夹杂物的运动和附着。Lou等人[13]和Chen等人[14]在中间包研究中将附着在气泡上的夹杂物直接视为已移除，因此未继续描述由此形成的复合体的输运或其可能在凝固前沿被截留的情况。Lai等人[15]开发了一种混合框架，结合了气泡聚并与破碎、夹杂物聚集、气泡-夹杂物相互作用以及边界截留，记录了气泡上的氧化铝负载，并持续追踪复合体的运动。分析内容包括铸模内气泡分布、尺寸依赖的夹杂物收集以及模型组份对夹杂物去除的影响，工业对比主要考虑了不同尺寸分组的夹杂物含量和总体去除率。他们的模型使用侧边界来表示凝固前沿，并未直接求解传热或凝固过程。因此，还需要进一步分析以建立动态相互作用和氧化铝负载、以及输运和凝固截留如何共同决定板坯中残余颗粒最终空间分布的机制，并在与工业检验一致的统计范围内评估该分布。
为解决上述问题，本研究在现有多相输运框架中将钢液流动、传热和凝固耦合在一起，考虑了气泡聚并与破碎以及氧化铝夹杂物的输运、聚集和附着，并在颗粒被截留后随凝固壳运动的过程中持续记录其位置。这将铸模中的输运过程与板坯中的残余位置联系起来。研究考察了一种工业操作条件，并在与工业检验一致的统计范围内评估了基于气泡的夹杂物在宽度方向、近表面深度和尺寸方面的分布。尺寸依赖的输运和选择性截留被结合流动区域和停留时间进行讨论，纯气泡与气泡-氧化铝复合体的模拟空间分布进行了对比。直接截留和气泡输运对大型氧化铝残余物的贡献也进行了比较，气泡携带的氧化铝负载以单个气泡附着的氧化铝总体积计算的等效直径来表示。对基于气泡的夹杂物在宽度方向、近表面深度和尺寸方面的分布的分析可以为工业取样和近表面检测提供位置和尺寸信息。对气泡携带的氧化铝负载和不同来源残余颗粒的分析有助于识别导致大型氧化铝残余物的路径并支持缺陷溯源。这些空间分布和负载数据还可作为后续研究中比较不同操作条件下残余风险的指标。
章节摘要
数值模型
钢液被视为不可压缩的连续相，材料性能参数见表1。钢液流动、传热和凝固在欧拉框架中描述；未附着的氧化铝夹杂物以尺寸分组的用户自定义标量（UDS）表示，而气泡和气泡-氧化铝复合体则在拉格朗日框架中追踪。气泡以等效直径表征，附着后形成的复合体继续参与运动和截留过程。
多物理场耦合框架与求解过程
铸模中的气-液-固多相流采用瞬态耦合策略求解，如图3所示。钢液流动、传热和凝固在欧拉框架中求解。单个气泡和气泡-氧化铝复合体采用拉格朗日方法追踪，而不同尺寸氧化铝夹杂物的输运和团聚则通过多个用户定义标量计算。
速度、压力、湍流量和液相分数
钢液流动与凝固壳分布
图4展示了铸模中液相分数和钢液流动的分布。钢液在浸入式水口内部向下流动，并从侧孔斜向下流出，形成从水口出口指向窄面的高速主流射流。水口内部速度最高，出口射流区域的速度也明显高于铸模主体区域。主流射流冲击窄面后分为向上和向下
结论
利用所开发的与凝固耦合的多相流模型，研究了连铸模中气泡及气泡-氧化铝复合体的输运、保留以及在凝固前沿的截留过程。主要结论如下：
- 1.
板坯中基于气泡的颗粒残余分布由两个因素共同决定：其尺寸依赖的输运至凝固前沿的过程，以及其在该处的滞留能力。高速主流射流将颗粒输运
作者贡献声明
赖清瑞：撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念构思。罗志国：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。张永杰：验证，资源，调查研究，数据整理。李海峰：监督，项目管理，资金获取。邹宗树：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
赖清瑞|罗志国|张永杰|李海峰|邹宗树
