·1146. 工程科学学报，第40卷，第10期 等[2的研究结果表明随着基片中碳含量的减小，固 渣，较低碱度的炉渣更容易润湿衬底，熔渣对耐火材 液间接触角明显减小，熔渣向内部的驱动力增大. 料的渗透深度更深.而Ca0-Si0,-A山，03渣对纯 式(13)~(15)为不同学者得出的渗透深度的计算 TiO2耐材的渗透比SiO2和Al2O3耐材的渗透严重. 公式[4].对于水平渗透，Siebring得出的计算公式 总的来说，渣与耐火材料间的接触角越小，渣的渗透 如下式(13)所示.Wanibe得出的计算公式(14)，同 越严重，与理论计算的趋势一致 Siebring的公式相比，变化不大.而对于垂直渗透， Ap=2Yigcos 0 Siebring和Wanibe都得出了在平衡状态下的渗透深 (12) 度计算式，如下式(l5)所示.Chen]提出了熔渣通 L= t·YCos8 过耐火材料的开口气孔、品界和微裂纹渗透时的渗 (13) A n. 透速率dL/d的计算公式如下式(16).因为在初始 渗透阶段，由渗透炉渣引起的静水压力PgL与毛细 L= rYiscos 6 2n. (14) 管压力相比可以忽略.对上式在t时间内进行积 L= 2Ycos 6 分，可以得到和Wanibe相同的计算公式.根据式 (15) rpg (14)和式(15)，当其他条件不变，仅改变润湿性时， 可以得出渗透深度随润湿性的变化，如图17所示. dL 2yucos 0 不论是水平渗透还是垂直渗透，随着接触角的降低， dr (16) 8nL 熔渣表面张力的增加，渗透深度呈增加的趋势.R- 式中：△P为毛细现象的吸附压强，Pa;Y.为液体的 az等[4]比较了用模型计算得出的渗透深度和实验 表面张力，Nm:0为接触角，°；r,为基片内毛细孔 值，得出计算值均大于实验值，尤其是平衡态下的垂 的半径，m;L为渗透深度，m;n,为熔渣的黏度，Pa· 直渗透模型.图18为实际测量得出渗透深度随熔 s;为时间，s;p为密度，kg·m3;g为重力加速度， 渣与耐火材的接触角的变化[6-].对于F精炼 m.s-2 (a) Nittex/MgO耐材 (b) Fayalite-tyTe渣/MgO 40 =15s 600 =1×10+m 35 r=4.5×10m f=0.03Pa·s 500 1=3500kg·m-3 三 30 25 目40o 20 塑15 物10 100 、h打 80070050 表面张力mN·m 00 0%分0570 接触角) 远西、 80070050 表面张力mN·m) 00200 300 100 接触角% 图17熔渣与耐火材料的润湿性对熔渣的渗透深度的影响.()水平渗透：(b)垂直渗透 Fig.17 Effect of wettability on penetration depth of molten slag:(a)horizontal permeation;(b)vertical permeation 由式(12)~(15)可得，润湿性是影响渣在耐火 此外，熔渣与耐材间的界面反应也能够改变熔 材料中的渗透深度的主要因素之一.因此，从熔渣 渣与耐火材料的润湿性.一般情况下，界面反应使 渗透侵蚀耐火材料的角度上分析，难润湿的耐火材 得界面张力减小，接触角减小，提高了体系的润湿 料具有更高的抗侵蚀能力.钢铁冶炼过程中常用的 性.对于含碳耐火材料与高氧化性渣体系，耐火材 碳质耐火材料，因为碳能降低渣与耐火材料的润湿 料中的碳能与熔渣反应，使体系反应润湿.炉渣与 性，提高其抗渣侵蚀性.图19~20[42]为渣与不同碳 石墨是非润湿体系.图21为含F0熔渣与石墨间 含量的耐火材料的润湿性和渗透性.随着碳含量的 的接触角随时间变化90]，可以用反应生成的C0 减少，渣与耐火材料间的润湿性增加，渣向耐火材料 含量来表征F0与石墨间的反应程度.随着时间的 内部渗透的深度也增加.被渣渗透后的耐火材料含 增加，熔渣与耐火材料的接触角减小.接触角值的 有大量低熔点相，使得其强度降低，易被冲刷剥落， 波动是由熔渣中的FO与石墨发生反应产生气体 造成耐火材料的损毁.但耐火材料中的碳渗入到钢 引起的.渣与耐火材料之间的反应明显改善了渣与 液中后，会影响钢的洁净度.因此，碳含量需要控制 耐火材料间的润湿性.若使用含碳耐火材料基片， 在合适的的水平[48]. 则反应有可能使渣与耐火材料间两者之间接触角小工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 等[42]的研究结果表明随着基片中碳含量的减小,固 液间接触角明显减小,熔渣向内部的驱动力增大. 式(13) ~ (15)为不同学者得出的渗透深度的计算 公式[43] . 对于水平渗透,Siebring 得出的计算公式 如下式(13)所示. Wanibe 得出的计算公式(14),同 Siebring 的公式相比,变化不大. 而对于垂直渗透, Siebring 和 Wanibe 都得出了在平衡状态下的渗透深 度计算式,如下式(15)所示. Chen [44]提出了熔渣通 过耐火材料的开口气孔、晶界和微裂纹渗透时的渗 透速率 dL / dt 的计算公式如下式(16). 因为在初始 渗透阶段,由渗透炉渣引起的静水压力 籽gL 与毛细 管压力相比可以忽略. 对上式在 t 时间内进行积 分,可以得到和 Wanibe 相同的计算公式. 根据式 (14)和式(15),当其他条件不变,仅改变润湿性时, 可以得出渗透深度随润湿性的变化,如图 17 所示. 不论是水平渗透还是垂直渗透,随着接触角的降低, 熔渣表面张力的增加,渗透深度呈增加的趋势. Ri鄄 az 等[45]比较了用模型计算得出的渗透深度和实验 值,得出计算值均大于实验值,尤其是平衡态下的垂 直渗透模型. 图 18 为实际测量得出渗透深度随熔 渣与耐火材的接触角的变化[46鄄鄄47] . 对于 LF 精炼 渣,较低碱度的炉渣更容易润湿衬底,熔渣对耐火材 料的渗透深度更深. 而 CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄 Al 2 O3 渣对纯 TiO2耐材的渗透比 SiO2和 Al 2O3耐材的渗透严重. 总的来说,渣与耐火材料间的接触角越小,渣的渗透 越严重,与理论计算的趋势一致. 驻P = 2酌lg cos 兹 rs (12) L = rs·酌lg cos 兹 浊s t (13) L = rs·酌lg cos 兹 2浊s t (14) L = ( 2酌lg cos 兹 rs 籽 ) g (15) dL dt = r 2 s ( 2酌lg cos 兹 rs - 籽gL ) 8浊sL (16) 式中:驻P 为毛细现象的吸附压强,Pa;酌lg为液体的 表面张力,N·m - 1 ;兹 为接触角,毅;rs为基片内毛细孔 的半径,m;L 为渗透深度,m;浊s为熔渣的黏度,Pa· s;t 为时间,s;籽 为密度,kg·m - 3 ;g 为重力加速度, m·s - 2 . 图 17 熔渣与耐火材料的润湿性对熔渣的渗透深度的影响. (a)水平渗透;(b)垂直渗透 Fig. 17 Effect of wettability on penetration depth of molten slag:(a)horizontal permeation; (b)vertical permeation 由式(12) ~ (15)可得,润湿性是影响渣在耐火 材料中的渗透深度的主要因素之一. 因此,从熔渣 渗透侵蚀耐火材料的角度上分析,难润湿的耐火材 料具有更高的抗侵蚀能力. 钢铁冶炼过程中常用的 碳质耐火材料,因为碳能降低渣与耐火材料的润湿 性,提高其抗渣侵蚀性. 图 19 ~ 20 [42]为渣与不同碳 含量的耐火材料的润湿性和渗透性. 随着碳含量的 减少,渣与耐火材料间的润湿性增加,渣向耐火材料 内部渗透的深度也增加. 被渣渗透后的耐火材料含 有大量低熔点相,使得其强度降低,易被冲刷剥落, 造成耐火材料的损毁. 但耐火材料中的碳渗入到钢 液中后,会影响钢的洁净度. 因此,碳含量需要控制 在合适的的水平[48] . 此外,熔渣与耐材间的界面反应也能够改变熔 渣与耐火材料的润湿性. 一般情况下,界面反应使 得界面张力减小,接触角减小,提高了体系的润湿 性. 对于含碳耐火材料与高氧化性渣体系,耐火材 料中的碳能与熔渣反应,使体系反应润湿. 炉渣与 石墨是非润湿体系. 图 21 为含 FeO 熔渣与石墨间 的接触角随时间变化[49鄄鄄50] ,可以用反应生成的 CO 含量来表征 FeO 与石墨间的反应程度. 随着时间的 增加,熔渣与耐火材料的接触角减小. 接触角值的 波动是由熔渣中的 FeO 与石墨发生反应产生气体 引起的. 渣与耐火材料之间的反应明显改善了渣与 耐火材料间的润湿性. 若使用含碳耐火材料基片, 则反应有可能使渣与耐火材料间两者之间接触角小 ·1146·