·1140· 工程科学学报，第40卷，第10期 界面润湿性对研究两相之间相互作用非常重 泡沫稳定性的主要因素有渣的表面性质和存在的固 要.两相之间的界面润湿效果可以通过控制或改变 体颗粒，并用吸附层和存在的固体粒子详细描述了 两相之间的界面特性来实现.在钢铁冶金生产全流 泡沫化的稳定性.熔渣中的表面活性组分是影响熔 程中存在多个气、液、固两相之间相互作用的界面. 渣润湿性的主要因素.对于熔渣中的表面活性组分 界面在两相之间物质的传递和能量的传递以及界面 对熔渣泡沫化的影响机理，以CaO-SiO,渣系为例， 化学作用中有着的至关重要的地位.润湿性与熔渣 进行具体分析.对于Ca0-Si02渣系，Si0,和P,0,都 的性质以及钢液中气夹杂物的行为等息息相关.对 是表面活性组分，能降低熔渣表面张力.S02和 于实际生产过程的控制，研究相关的界面现象是有 P,O,吸附在表面上.当渣中气泡两表面相互接近 必要的，有助于进一步理解相应的冶炼过程) 时，渣膜较薄的部分的表面趋向于生成新的渣膜，该 目前，关于润湿性的研究大多集中在国外，国内 部分的表面活性组分减少，较厚的部分的表面的表 开展的研究较少，尤其是在关于润湿性在冶金过程 面张力增加，阻止了流体在与表面流动的相反方向 中的应用上.本文作者在《钢铁冶金过程中的界面 上的急刷移动，如图1所示[).Ca0-Si02-P,0,渣系 润湿性的基础》一文中详细介绍了铁液、钢液、熔 中，Si02和P205在炉渣中形成阴离子，如图1所示， 渣、耐火材料和夹杂物相互作用体系的界面张力、表 当黏膜变得稀薄时，这些阴离子被吸附在表面，阴离 面张力和接触角的概念以及测量方法，讨论了成分 子间的斥力增加，所谓的“马朗戈尼效应”阻碍了流 和温度对钢液和熔渣的表面张力和界面张力以及接 动，提高了泡沫的稳定性.因此添加不被渣润湿的 触角的影响，并搜集总结了很多这方面的数据可以 碳质材料可能限制或抑制熔渣泡沫化6刀.同时，由 供同行参考使用.但是，关于界面润湿性在钢铁冶 于气泡周围的膜表面曲率而产生的压力差导致了泡 金中的应用还没有详细讨论.本文详细总结了文献 沫高度的下降[8-].因此，随着熔渣表面张力的降 报道的钢铁冶金过程中典型的界面现象的例子，包 低，泡沫表面的泡沫破裂率减小，熔渣的稳定性 括渣泡沫化过程中的界面现象、铁水和钢液脱硫过 增加. 程的界面现象、钢液、熔渣与耐火材料的相互作用、 界面润湿性对钢中夹杂物形核、长大和去除的影响. 本文的目的是让同行重视和关注界面润湿性对钢铁 冶金过程中物理化学反应的影响，并针对该领域做 深入的理论和实验研究，促进洁净钢的生产和进步. 1渣泡沫化过程中的界面现象 炼铁和炼钢过程中，泡沫渣是和气相与熔渣间 。熔渣 熔渣 的界面现象相关的最重要的问题之一，渣发泡时， 促进作用 抑制作用 钢-渣间的反应界面的面积增大，有利于精炼.在氧 图1吸附层的泡沫渣[5】 气顶吹炼钢、铁水预处理和在熔池熔化铁和铬矿石 Fig.I Slag foaming in the absorbed layer[s] 时，都能观察到熔渣的泡沫化现象.众所周知，渣的 熔渣的泡沫化可以用泡沫化指数()和泡沫化 泡沫化的稳定性不仅受熔渣的表面性质的影响，也 周期来表征[o],泡沫化指数相当于气体的停留或移 受渣中悬浮固体颗粒的影响.泡沫化可以用泡沫的 动时间.目前，关于泡沫化指数的定量表达式见表 产生速度和崩溃速度的差衡量. 11-8].从表1中可以得出，表面张力是影响熔渣泡 许多学者都研究了熔渣中的表面活性组分对熔 沫化指数的重要影响因素之一.Ito和Fruehan[io]得 渣泡沫化的影响，其结果都表明表面活性组分有利 出加入P,0,、S、Mg0、和CaF,均有利于渣的泡沫化. 于提高熔渣泡沫化的稳定性.Cooper和Kitchen-- 图23,5,18-22]总结了部分渣的表面张力与泡沫化指 erl2)研究了Ca0-SiO2-P,0,渣系渣的泡沫化的稳定 数的关系，从图中可以进一步通过试验测量得出，随 性.对于Ca0-SiO,渣系不存在渣的泡沫化，但在加 着渣的表面张力的降低，泡沫化指数总体上呈现增 入少量P,0,后，开始形成泡沫渣.随着P20,含量的 加的趋势 增加和渣的碱度的降低，渣的泡沫化达到稳定· 另一方面，熔渣中的气泡直径也对渣的发泡化 Swisher和McCabelt)发现加入Cr,O3也有相似的规 有影响.随着熔渣和钢液之间的接触角的增加，熔 律.Kozakevitch与Johm4指出除了炉渣黏度，影响 渣中的气泡的最大体积增加.接触角主要决定了可工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 界面润湿性对研究两相之间相互作用非常重 要. 两相之间的界面润湿效果可以通过控制或改变 两相之间的界面特性来实现. 在钢铁冶金生产全流 程中存在多个气、液、固两相之间相互作用的界面. 界面在两相之间物质的传递和能量的传递以及界面 化学作用中有着的至关重要的地位. 润湿性与熔渣 的性质以及钢液中气夹杂物的行为等息息相关. 对 于实际生产过程的控制,研究相关的界面现象是有 必要的,有助于进一步理解相应的冶炼过程[1] . 目前,关于润湿性的研究大多集中在国外,国内 开展的研究较少,尤其是在关于润湿性在冶金过程 中的应用上. 本文作者在《钢铁冶金过程中的界面 润湿性的基础》 一文中详细介绍了铁液、钢液、熔 渣、耐火材料和夹杂物相互作用体系的界面张力、表 面张力和接触角的概念以及测量方法,讨论了成分 和温度对钢液和熔渣的表面张力和界面张力以及接 触角的影响,并搜集总结了很多这方面的数据可以 供同行参考使用. 但是,关于界面润湿性在钢铁冶 金中的应用还没有详细讨论. 本文详细总结了文献 报道的钢铁冶金过程中典型的界面现象的例子,包 括渣泡沫化过程中的界面现象、铁水和钢液脱硫过 程的界面现象、钢液、熔渣与耐火材料的相互作用、 界面润湿性对钢中夹杂物形核、长大和去除的影响. 本文的目的是让同行重视和关注界面润湿性对钢铁 冶金过程中物理化学反应的影响,并针对该领域做 深入的理论和实验研究,促进洁净钢的生产和进步. 1 渣泡沫化过程中的界面现象 炼铁和炼钢过程中,泡沫渣是和气相与熔渣间 的界面现象相关的最重要的问题之一. 渣发泡时, 钢鄄鄄渣间的反应界面的面积增大,有利于精炼. 在氧 气顶吹炼钢、铁水预处理和在熔池熔化铁和铬矿石 时,都能观察到熔渣的泡沫化现象. 众所周知,渣的 泡沫化的稳定性不仅受熔渣的表面性质的影响,也 受渣中悬浮固体颗粒的影响. 泡沫化可以用泡沫的 产生速度和崩溃速度的差衡量. 许多学者都研究了熔渣中的表面活性组分对熔 渣泡沫化的影响,其结果都表明表面活性组分有利 于提高熔渣泡沫化的稳定性. Cooper 和 Kitchen鄄 erl [2]研究了 CaO鄄鄄SiO2 鄄鄄P2O5渣系渣的泡沫化的稳定 性. 对于 CaO鄄鄄 SiO2渣系不存在渣的泡沫化,但在加 入少量 P2O5后,开始形成泡沫渣. 随着 P2O5含量的 增加和渣的碱度的降低,渣的泡沫化达到稳定. Swisher 和 McCabel [3]发现加入 Cr2O3也有相似的规 律. Kozakevitch 与 John [4] 指出除了炉渣黏度,影响 泡沫稳定性的主要因素有渣的表面性质和存在的固 体颗粒,并用吸附层和存在的固体粒子详细描述了 泡沫化的稳定性. 熔渣中的表面活性组分是影响熔 渣润湿性的主要因素. 对于熔渣中的表面活性组分 对熔渣泡沫化的影响机理,以 CaO鄄鄄 SiO2渣系为例, 进行具体分析. 对于 CaO鄄鄄 SiO2渣系,SiO2和 P2O5都 是表面活性组分,能降低熔渣表面张力. SiO2 和 P2O5吸附在表面上. 当渣中气泡两表面相互接近 时,渣膜较薄的部分的表面趋向于生成新的渣膜,该 部分的表面活性组分减少,较厚的部分的表面的表 面张力增加,阻止了流体在与表面流动的相反方向 上的急剧移动,如图 1 所示[5] . CaO鄄鄄SiO2 鄄鄄P2O5渣系 中,SiO2和 P2O5在炉渣中形成阴离子,如图 1 所示, 当黏膜变得稀薄时,这些阴离子被吸附在表面,阴离 子间的斥力增加,所谓的“马朗戈尼效应冶阻碍了流 动,提高了泡沫的稳定性. 因此添加不被渣润湿的 碳质材料可能限制或抑制熔渣泡沫化[6鄄鄄7] . 同时,由 于气泡周围的膜表面曲率而产生的压力差导致了泡 沫高度的下降[8鄄鄄9] . 因此,随着熔渣表面张力的降 低,泡沫表面的泡沫破裂率减小,熔渣的稳定性 增加. 图 1 吸附层的泡沫渣[5] Fig. 1 Slag foaming in the absorbed layer [5] 熔渣的泡沫化可以用泡沫化指数(撞)和泡沫化 周期来表征[10] ,泡沫化指数相当于气体的停留或移 动时间. 目前,关于泡沫化指数的定量表达式见表 1 [11鄄鄄18] . 从表 1 中可以得出,表面张力是影响熔渣泡 沫化指数的重要影响因素之一. Ito 和 Fruehan [10]得 出加入 P2O5 、S、MgO、和 CaF2均有利于渣的泡沫化. 图 2 [13,15,18鄄鄄22]总结了部分渣的表面张力与泡沫化指 数的关系,从图中可以进一步通过试验测量得出,随 着渣的表面张力的降低,泡沫化指数总体上呈现增 加的趋势. 另一方面,熔渣中的气泡直径也对渣的发泡化 有影响. 随着熔渣和钢液之间的接触角的增加,熔 渣中的气泡的最大体积增加. 接触角主要决定了可 ·1140·