2019年度高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖公示

2019年度高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖公示

项目名称：高温冶金熔体多相传输与反应调控理论及应用 推荐单位：东北大学

项目简介：

金属的冶炼是在高温熔融状态下进行的，反应体系中金属熔体、熔渣和气体始终处于流动、传热和传质状态。各相之间相互耦合、相互影响，很难通过测试或者实验手段对高温冶金熔体内部各种物理量进行在线测量。因此，数值模型理论和方法就凸显极为重要了。与传统流体力学问题相比，高温冶金熔体多相传输与反应过程的突出特点是物性变化大，本构关系复杂，相界面影响因素多，以及边界物理量梯度大等。面对冶金产品的洁净化、均匀化和精细化的严格要求，我们将现代流体力学中的新理论和新方法应用于冶炼过程中高温熔体的传输与反应中，获得成果如下：

（1）发展了惰性气体/金属溶体/高温熔渣三相流调控理论和数学模型。 本课题组于上世纪90年代在国内率先开展高温熔体多相传输与反应调控理论与应用模型的研究，利用高温熔体的输运特性，可以控制冶金反应器内的质量、动量和能量的分配，也可控制反应和相变的进程。针对高品质钢精炼工艺中惰性气体/金属溶体/高温熔渣三相非稳态流动问题，区别连续相、弥散相，层流态和湍流态，通过掌握界面流动状态，确定反应界面更新速率和传质速率，从而明确了钢精炼脱硫和去除夹杂物效率。在真空精炼工艺中，基于气液两相最大相间接触面积的气泡幕特征，提出气泡幕精炼方法。同时发现反应器内旋流钢液中形成气泡幕，气泡幕条件下气泡与钢液中夹杂物碰撞合并的机率最大，钢的精炼效率达到最高。

（2）基于钢液的磁流体流动和气体/液体两相流特性，提出连铸结晶器流场的多目标控制方法。

结晶器是目前炼钢工业中连铸系统的心脏，是提升钢洁净度和成分均匀度的核心环节。高品质钢对结晶器内钢液流场具有多方面的要求，对结晶器内各处流场控制目标也不相同，有的位置流动需要加强，有的位置需要抑制，还有的位置需要保持适当流动状态，要防止凝结发生。本课题组利用静磁场制动、交变磁场驱动结合惰性气体搅拌的组合操作，提出对结晶器流场进行多目标控制的方法。

（3）发现了结晶器内渣金界面涡流卷渣现象，揭示连铸结晶器内多种卷渣机理。

着眼于渣/金界面涡流作用。连铸结晶器内钢液通常处于非稳定流动状态，特别是高拉速条件下。水口偏流浇注或水口结瘤等因素均可引起钢液偏流。而非

稳态的液面涡流将产生促使上表面钢液向下运动的吸力，从而可将结晶器保护渣卷入钢液。这一发现纠正了传统的连铸结晶器内钢液流动仅有剪切卷渣的观点。

（4）建立了表征铁水无氟脱磷、脱锰等特殊精炼渣精炼能力的热力学关系 针对铁水预处理过程中需要的无氟脱磷渣，解决了氧化镁饱和情况下高碱度脱磷渣中磷容量的测定难题，并发现少量氧化钠可提高脱磷能力，而氧化铝则使脱磷能力下降。精确测定了无氟的CaO-FetO-SiO2-MnO-P2O5-(Al2O3)渣系与碳饱和铁液之间锰的分配比，建立了铁水预处理脱锰的工艺基础。

（5）基于人口平衡理论和大涡模拟思想，开发新模型揭示多尺度泡状流在时空上的演变规律。

针对结晶器内氩气/钢液/熔渣多相流问题。将人口平衡理论引入双流体模型，构建了“多气泡组质量传递模型”和“平均气泡数密度模型”，改善了单一尺度双流体模型对多尺度泡状流的预测能力，两种模型均能够在较大工况范围内预测气泡的粒径分布。扩展了传统双流体模型的适用范围，为多尺度泡状流研究提供了理论基础和数学框架。并从相间作用力和湍流修正两方面对模型进行了改进，改善了局部湍流、气液运动参数的预测精度，预测了实际结晶器高温熔体内的氩气泡粒径分布。构建了欧拉-欧拉-大涡模拟多相模型，考察了不同亚格子模型的适用性，解决了以往湍流模型无法捕捉气相对液相造成的湍流脉动压力的难题，改善了局部湍流、气液运动参数的预测精度。发明了高效可靠的新型连铸吹氩技术，为调控连铸体系内高温熔体的流动状态提供了重要的理论和技术支撑。

以上研究成果在《Int. J. Multiphase Flow》、《Metall. Mater. Trans. B》、《ISIJ》、《Appl. Therm. Eng.》等国内外学术期刊上已发表SCI论文280余篇，被SCI他引1413篇次，他引总数达2097篇次。入选ESI高被引论文1篇，论著被国内外冶金界同行广泛引用，其中8篇代表性论文SCI他引214次，他引总次数达332次。

上述部分成果在宝钢炼钢厂和首钢京唐炼钢厂厚板连铸中获得应用，将连铸坯的探伤不合格率从3.3%降到1.7%以下。

主要完成人情况表： 姓名 排名 职称 工作单位 完成单位 对本项目主要学术贡献 本项目的负责人和主要完成人，是代表性论文[1-4]的第一兼通讯作者，代表性论文[6-8]的通讯作者，对成果1，2，3做出最主要贡献，对成果5做出主要贡献。创造性地提出了结晶器多目标控制的概念，全面控制连铸结晶器内钢液流场；揭示了连铸结晶器内渣金界面涡流生成及卷渣机理；提出电磁驱动旋流结合氩气侧吹技术提高了钢的真空循环脱气精炼效率；发展了连铸过程钢液非稳态湍流多相多场耦合数学模型。在该项研究中的工作量占本人工作总量的80%。 代表性论文[5]的第一兼通讯作者，对成果4做出最主要贡献。解决了铁水预处理过程氧化镁饱和情况下高碱度脱磷渣中磷容量的测定难题，并发现少量氧化钠可提高脱磷能力，而氧化铝则使脱磷能力下降。精确测定了无氟渣系与碳饱和铁液之间锰的分配比，建立了铁水预处理过程中脱锰的工艺基础。在该项研究中的工作量占本人工作总量的70%。 代表性论文[6]和[8]的第一作者，对成果5做出最主要贡献，对成果2,3做出主要贡献。将先进的大涡模拟方法引入Euler-Euler双流体模型，改善了局部湍流、气液运动参数的预测精度；将人口平衡模型用于描述气液体系的气泡粒径分布，通过提高当地气泡粒径的预测精度改善了单一尺寸双流体模型对于结晶器内的多尺寸泡状流的预测能力。在该项研究中的工作量占本人工作总量的50%。 代表性论文[7]的第一作者，对成果1和5做出主要贡献。建立了电磁场作用下金属熔体/高温熔渣两相中溶质再分配的三维非稳态全耦合数学模型，率先提出了两个无量纲准则数来判断洛伦兹力、热浮力和溶质浮力对金属熔池中溶质分布的影响。将冶金热力学与动力学同计算流体力学与数值传热学相耦合，揭示了电磁场作用下金属熔体/高温熔渣界面乳化对化学传质的影响。投入工作量占本人工作量的50%。 李宝宽 1 教授 东北大学 东北大学 李光强 2 教授 武汉科技大学 武汉科技大学 刘中秋 3 副教授 东北大学 东北大学 王强 4 副教授 武汉科技大学 武汉科技大学 贺铸 5 教授 武汉科技大学 武汉科技大学 代表性论文[7]的第二作者，对成果5做出主要贡献。针对结晶器和钢包炉渣与钢液间的湍流瞬态相互作用建立的数学模型能够很好地再现相间的质量、动量和能量交换，并以此为基础对工艺进行优化。投入工作量占本人工作量的40%。