应用分形理论模拟钢中夹杂物凝聚规律与夹杂物控制研究

具有高强度和高深冲性能的洁净钢和超洁净钢是未来钢铁发展的主要方向，但对钢中夹杂物的控制研究一直是迫切需要解决的关键技术难题。本项目就是在以前冶金学者专家对夹杂物控制研究的基础上，应用分形理论取长补短来研究钢中夹杂物颗粒的凝聚规律以及对其控制方法。具体研究内容主要包括：应用分形理论的DLA模型求解三维条件下钢水中夹杂物粒子群扩散系数的变化范围；建立实际钢水的界面张力、粘度和温度等数据的数据库，来研究夹杂物颗粒的运动特性和扩散性质；基于DLA模型中的种群平衡方程，同时考虑碰撞、二次氧化和上浮排除等因素对夹杂物去除的影响，从而建立起对应于钢包和中间包不同的夹杂物去除数学模型；从生产现场取样，对夹杂物颗粒尺寸进行统计分析来验证是否与所建立的夹杂物去除数学模型相吻合。本项目旨在从新的角度即分形理论来研究钢中夹杂物颗粒的凝聚规律及提出一种适用的夹杂物控制预测方法。

具有高强度和高深冲性能的洁净钢是未来钢铁发展的主要方向，其中钢中不同尺寸形貌夹杂物的研究是提高钢材洁净度的基础和关键所在。在本课题中，我们将分形理论引入到钢中复杂形貌夹杂物结构的定量描述及碰撞凝聚长大动力学行为的研究上，项目实施三年来，按照既定的研究计划完成了预期的研究目标，取得了一系列理论研究成果。.首先针对钢中复杂形貌夹杂物几何结构难以描述的问题，依据分形理论建立了分形维数和其形貌结构的定量关系，分形维数Df越大，夹杂物的三维结构越致密。同时使用计算机编程和图像处理的方法，研究了铝镇静钢中常见大尺寸凝聚态夹杂物的分形维数Df，结果表明其值位于1.80-1.98之间。在此基础上建立了凝聚态夹杂物三维形貌结构的分形模型，使用理论分析和水模拟实验的方法研究了钢液中凝聚态夹杂物的运动特性，结果表明：凝聚态夹杂物的上浮速度不仅与夹杂物的尺寸有关，与其自身的分形维数也有关系；采用分形维数和动力直径计算的凝聚体上浮速度与实验值基本一致，表明采用分形维数和动力直径定量描述凝聚态（或不规则形貌）夹杂物形貌特征是准确可行的。然后依据建立的凝聚态夹杂物的分形模型，研究了钢液中微观区域内不同尺寸形貌夹杂物的碰撞凝聚过程，分析了布朗碰撞条件下夹杂物尺寸、形貌的演变规律，并对其影响因素进行了探讨。最后，首次建立了Al2O3夹杂物粒子分形碰撞凝聚长大的数学模型，并将此数学模型初步应用于连铸中间包，探讨了凝聚态Al2O3夹杂物粒子的形成规律和分布