Numerical Simulation of Inclusion Capture by Argon Bubbles in Bottom-Blowing Ladle

Li Zhiqi; Hao Zhibo; Li Shangping; Luo Heli

doi:10.20057/j.1003-8620.N260111

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Numerical Simulation of Inclusion Capture by Argon Bubbles in Bottom-Blowing Ladle

Smelting and Solidification | 更新时间：2026-10-28

- Numerical Simulation of Inclusion Capture by Argon Bubbles in Bottom-Blowing Ladle
- Special Steel Pages: 1-13(2026)
- 作者机构：
  
  北京钢研高纳科技股份有限公司，北京 100081
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.N260111
  CLC： TF769
- Received：23 July 2026，
  
  Revised：2026-09-02，
  
  Accepted：04 September 2026，
  
  Online First：14 October 2026，
- 稿件说明：
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李知旂,郝志博,李尚平等.底吹氩钢包中气泡捕获夹杂物的数值模拟[J].特殊钢,

Li Zhiqi,Hao Zhibo,Li Shangping,et al.Numerical Simulation of Inclusion Capture by Argon Bubbles in Bottom-Blowing Ladle[J].Special Steel,
李知旂,郝志博,李尚平等.底吹氩钢包中气泡捕获夹杂物的数值模拟[J].特殊钢, DOI：.

Li Zhiqi,Hao Zhibo,Li Shangping,et al.Numerical Simulation of Inclusion Capture by Argon Bubbles in Bottom-Blowing Ladle[J].Special Steel, DOI：.

摘要

钢包底吹氩精炼是去除钢中非金属夹杂物、改善钢材洁净度的关键手段。然而在实际生产中发现，夹杂物的去除存在明显的“尺寸选择性”：大于150 μm的夹杂物基本能被有效去除，而小于50 μm的微细颗粒却总有一部分残留。为了探究该现象，利用VOF-DPM耦合方法搭建了底吹氩钢包的三维模型，并加入了粒径分组差异化捕获概率模型。通过借鉴气泡-颗粒相互作用理论，推导出了有效黏附因子与粒径之间的标度律，并将其写入UDF嵌入Fluent，从而实现了对50~300 μm六组粒径颗粒的差异化捕获判定。模拟结果显示，气泡捕获和表面滞留共同决定了去除效率，但两者的主导地位随粒径改变较大。对50 μm小颗粒而言，模拟结束时气泡捕获率为39.0%，液面捕获率为44.02%；若将时间外推至2 h，综合去除率可达72.93%。对于≥200 μm的大颗粒，主要依靠上浮后的表面滞留去除（占比超60%），综合去除率在150~200 μm趋于稳定，200 μm时可达82.1%。此外，无法在液面稳定停留是微细颗粒难以去除的主因：50 μm颗粒在液面的平均停留时间仅49.3 s，而≥150 μm颗粒则超过578 s。实验结果清晰揭示了捕获机制随粒径的转换规律，对底吹氩工艺的精细化调整具有实际参考价值。

Abstract

Ladle bottom-blowing argon refining is essential for removing non-metallic inclusions from molten steel and improving steel cleanliness. However， in actual production， a size-selective issue still exists： inclusions larger than 150 μm can be removed quite effectively， while a portion of fine particles smaller than 50 μm always remains. To investigate this problem， 3D ladle model was built using the VOF-DPM coupled method and a size-grouped capture probability model was implemented. By referring to bubble-particle interaction theory， a scaling law that links the effective attachment factor to particle size was derived and incorporated into Fluent via UDFs. This allowed the capture behavior of six particle groups （50 μm to 300 μm） to be judged differently. The simulation shows that both bubble capture and surface retention control the removal efficiency， but their dominance varies significantly with particle size. For 50 μm particles， the bubble capture rate is 39.0% by theend of the simulation， and the surface capture rate is 44.02%； if the time is extrapolated to 2 h， the overall removal rate would reach 72.93%. For particles ≥200 μm， the removal is mainly attributed to surface retention after flotation， which accounts for over 60% of the removal， and the overall removal rate levels off within the 150 μm–200 μm size range， reaching 82.1% at 200 μm. It was also found that the inability to remain stably at the surface is the main reason why fine particles are difficult to remove： 50 μm particles can only stay at the surface for about 49.3 s on average， while particles ≥150 μm can remain for over 578 s. These results clearly reveal the transition of capture mechanisms with particle size， and they are considered to be of practical reference value for the precise adjustment of the bottom-blowing argon refining process.

关键词

Keywords

references

Zhang L ， Taniguchi S . Fundamentals of inclusion removal from liquid steel by bubble flotation ［J］. International Materials Reviews ， 2000 ， 45 （ 2 ）： 59 - 82 .

朱苗勇，萧泽强 . 钢的精炼过程数学物理模拟［M］. 北京：冶金工业出版社， 1998 .

熊星强，李长荣，陈龙海，等 . 稀土钇对高碳硬线钢中氧化铝夹杂物的改性研究［J］. 稀有金属， 2024 ， 48 （ 4 ）： 508 - 516 .

赵　博，吴　伟，杨　峰，等 . La元素对Q355钢中夹杂物和微观结构的影响［J］. 稀有金属， 2025 ， 49 （ 5 ）： 657 - 668 .

李　琦，邱国兴，王恭亮，等 . 130 t钢包底吹氩工艺数值模拟［J］. 特殊钢， 2024 ， 45 （ 5 ）： 59 - 65 .

秦绪锋，王凤良，程常桂，等 . 底吹氩钢包内流动及界面传热行为的数值模拟研究［J］. 炼钢， 2024 ， 40 （ 5 ）： 49 - 59 .

冯　巍，张志霄，屈天鹏，等 . 底吹钢包流体流动与壁面侵蚀行为数值模拟［J］. 工业加热， 2026 ， 55 （ 3 ）： 55 - 60+65 .

徐涛，邓安元，李阳，等 . 连铸结晶器内Ar气泡破碎-聚合和捕获行为的数值模拟［J］. 金属学报， 2025 ， 61 （ 12 ）： 1895 - 1910 .

Mazumdar D ， Guthrie R I L . The physical and mathematical modelling of gas stirred ladle systems ［J］. ISIJ International ， 1995 ， 35 （ 1 ）： 1 - 20 .

Sheng D Y ， Söder M ， Jönsson P ， et al . Modeling micro-inclusion growth and separation in gas-stirred ladles ［J］. Scandinavian Journal of Metallurgy ， 2002 ， 31 （ 2 ）： 134 - 147 .

Liu K ， Zhang L ， Cui H N ， et al . Simulation of inclusion removal in bottom-blowing ladle with tracking the collision of inclusions and bubbles in transient time steps ［J］. ISIJ International ， 2023 ， 63 （ 10 ）： 1677 - 1686 .

张利超，方庆，周文浩，等 . 底吹氩钢包内废钢熔化行为的数值模拟［J］. 工程科学学报， 2024 ， 46 （ 5 ）： 822 - 834 .

王宁，秦德越，李宝宽，等 . LF 精炼过程中通电升温阶段底吹氩方式的优化［J］. 东北大学学报（自然科学版）， 2024 ， 45 （ 4 ）： 507 - 513 .

杨风国，王晓英，周明星，等 . 不同钢包底吹氩模式对钢液精炼效果的影响［J］. 特殊钢， 2024 ， 45 （ 1 ）： 54 - 60 .

杨亚迪，赵晶，崔剑征 . 三相氩气搅拌钢包内界面行为及混合现象的数值模拟［J］. 钢铁钒钛， 2021 ， 42 （ 5 ）： 138 - 148 .

黄凯 . 60 t 钢包底吹氩渣金流动及夹杂物运动行为模拟研究［D］. 鞍山：辽宁科技大学， 2023 .

刘玉平 . 120吨LF炉精炼过程钢液流场数值模拟［D］. 鞍山：辽宁科技大学， 2023 .

赵建鹏，唐国章，曾亚南，等 . 100 t 钢包底吹氩搅拌钢液去除夹杂物数值模拟研究［J］. 华北理工大学学报（自然科学版）， 2022 ， 44 （ 3 ）： 31 - 38 .

Ralston J ， Fornasiero D ， Hayes R . Bubble–particle attachment and detachment in flotation ［J］. International Journal of Mineral Processing ， 1999 ， 56 （ 1-4 ）： 133 - 164 .

张志军，黄旭贝 . 湍流环境下颗粒与气泡黏附过程的数值模拟研究［J］. 煤炭学报， 2024 ， 49 （ 4 ）： 2057 - 2066 .

Kumar D ， Ahlborg K C ， Pistorius P C . Development of a reliable kinetic model for ladle refining ［J］. Metallurgical and Materials Transactions B ， 2019 ， 50 （ 5 ）： 2163 - 2174 .

Huang C D ， Duan H J ， Zhang L F . Modeling of motion of inclusions in argon-stirred steel ladles ［J］. Steel Research International ， 2024 ， 95 （ 11 ）： 2300537 .

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