姜敏等：低氧特殊钢中大尺寸Dパ类夹杂物生成机理 ·783 相表面，如图3(c)1245.5s时黑色质点所示：然而， 逸该相界面：约0.6s之后(2290.5s时)，另一外形不 该夹杂物粒子很快运动离开所观察的视场.图中对 规则的夹杂物-2高速移动进入所观察的视场并与夹 液相、固相、固/液相界面与夹杂物粒子均作了标注. 杂物-】发生碰撞，约1.6s之后二者发生聚集而成为 原位观察中发现，夹杂物粒子漂浮至钢液表面后， 新的夹杂物-(1+2)，该夹杂物粒子随后外形成为规 在钢液表面将发生位移.运动过程中，部分夹杂物粒 则的球形.同时，可以看到，整个观察过程中视场中另 子运动离开观察的视场，而其他部分夹杂物则被固/液 外两个被固/液相界处的夹杂物粒子依然牢牢为所在 相界面牢牢捕捉：如图4中夹杂物-1所示，2289.9s 固/液相界面捕捉而未发生运动，其行为与夹杂物-1 时，该球形夹杂物被固/液相界面捕捉后，一直未能逃 和夹杂物-(1+2)相同. 50 um b 50m 50m 液界面一1 /液界面-] 固液界面- 夹杂物-2 夹杂物-(1+2) 夹杂物-1 图4夹杂物在固/液相界面的碰撞行为.(a)2289.9s:(b)2290.5s:(c)2292.3s Fig.4 Collision of inclusions at solid/liquid interfaces:(a)2289.9s:(b)2290.5s:(c)2292.3s 在20世纪90年代，Yin等2s-0首次引入激光共 显看出其外形由原来不规则的簇群状，而逐渐收缩成 聚焦显微镜在高温条件下成功地实时观察钢中夹杂物 为规则的球形.Yin等s-a在观察固态高熔点A山，O, 粒子的行为，并从夹杂物-钢液间界面张力的角度很好 在钢液中的行为时，曾指出固态A山，0，夹杂物在碰撞、 地对夹杂物碰撞和聚集行为进行了经典的解释.之 聚集成为簇群状后，会发生自收缩过程.但是，迄今对 后，Shibata等7研究Al脱氧钢中AL,O,和Si脱氧钢 于液态或固一液两相夹杂物而言还未曾见有相关报 中液态硅酸盐夹杂物在平板式凝固界面前的行为，并 道5.本研究过程中自收缩球化过程之所以能够发 通过实验数据回归得到夹杂物粒子尺寸和凝固界面推 生，是因为有利于降低夹杂物表面自由能且与夹杂物 移速度对夹杂物粒子在界面处捕捉/推动的反比关系 成分有关，即当夹杂物成分体系熔点较低时，其在钢中 式.Shibata发现，细小的液态夹杂物粒子（尤其是直径 处于液态或半液态而通常呈现球形 在5m或以下)更容易被固/液相界面推动，大尺寸时 细小夹杂物在凝固前沿碰撞、聚集和长大仅是DS 则容易被捕捉，这与本研究观察中较低熔点的夹杂物 类夹杂物的可能来源之一·由于越临近钢液凝固，钢 粒子在固/液相界面处的行为基本一致.Shibata从粒 中夹杂物可能的上浮去除时间越短，夹杂物在长大后 子受力平衡角度分析黏性力以及界面力的影响，指出 残留在钢中的可能性也就更大.因此，凝固过程中夹 影响夹杂物在凝固时固/液相界面处推动/捕捉行为的 杂物粒子的行为特征应得到更多重视.另外，钢中夹 关键因素是凝固前沿的传热.因而笔者在此不再对夹 杂物的上浮、碰撞、长大等行为与夹杂物一钢液之间表 杂物粒子产生上述行为的原因进行赘述 面张力密切相关.理论上，二者之间表面张力越大则 在之后的原位观察中，夹杂物粒子在固/液界面处 夹杂物越容易上浮去除.而二者间的表面张力与夹杂 的碰撞行为在其他视场中重复出现.如下图5所示， 物的组成、钢液的成分（C、S、O等)有密切关系，即同 3521.3s时，夹杂物-3移动进入所观察的视场，此时夹 一类夹杂物在不同成分钢液中的行为可能不同.钢 杂物-4与夹杂物-5均已分别被固/液界面-2和固/液 液-夹杂物之间表面张力的相关数据及其与钢液、夹杂 界面-3所捕捉.特别地，夹杂物-3和夹杂物4为球 物成分的关系也比较缺乏，未来需要更为深入地研究. 形，而夹杂物-5则为簇群状.此后，夹杂物-3不断向 图6与图7分别为高温原位动态观察前后典型夹 夹杂物4移动，并在6$后移动靠近至夹杂物-4，二者 杂物.由图6可见，观察前夹杂物主要为复合的钙镁 随后发生碰撞、聚集而成为同一个夹杂物-(3+4).可 铝酸盐.由能谱可看出，夹杂物内部主要为镁铝尖晶 以看出，夹杂物-(3+4)尺寸有明显增加.特别注意 石而表层则主要为钙铝酸盐，并且夹杂物的尺寸不大 到，夹杂物-5在观察过程中发生自收缩现象，可以明 于5um.但与观察前相比，已经检测到尺寸可超过姜 敏等: 低氧特殊钢中大尺寸 DS 类夹杂物生成机理 相表面，如图 3( c) 1245. 5 s 时黑色质点所示; 然而， 该夹杂物粒子很快运动离开所观察的视场． 图中对 液相、固相、固 /液相界面与夹杂物粒子均作了标注． 原位观察中发现，夹杂物粒子漂浮至钢液表面后， 在钢液表面将发生位移． 运动过程中，部分夹杂物粒 子运动离开观察的视场，而其他部分夹杂物则被固/液 相界面牢牢捕捉: 如图 4 中夹杂物!1 所示，2289. 9 s 时，该球形夹杂物被固/液相界面捕捉后，一直未能逃 逸该相界面; 约 0. 6 s 之后( 2290. 5 s 时) ，另一外形不 规则的夹杂物!2 高速移动进入所观察的视场并与夹 杂物!1 发生碰撞，约 1. 6 s 之后二者发生聚集而成为 新的夹杂物!( 1 + 2) ，该夹杂物粒子随后外形成为规 则的球形． 同时，可以看到，整个观察过程中视场中另 外两个被固/液相界处的夹杂物粒子依然牢牢为所在 固/液相界面捕捉而未发生运动，其行为与夹杂物!1 和夹杂物!( 1 + 2) 相同． 图 4 夹杂物在固/液相界面的碰撞行为． ( a) 2289. 9 s; ( b) 2290. 5 s; ( c) 2292. 3 s Fig． 4 Collision of inclusions at solid /liquid interfaces: ( a) 2289. 9 s; ( b) 2290. 5 s; ( c) 2292. 3 s 在 20 世纪 90 年代，Yin 等［25--26］首次引入激光共 聚焦显微镜在高温条件下成功地实时观察钢中夹杂物 粒子的行为，并从夹杂物!钢液间界面张力的角度很好 地对夹杂物碰撞和聚集行为进行了经典的解释． 之 后，Shibata 等［27］研究 Al 脱氧钢中 Al2 O3 和 Si 脱氧钢 中液态硅酸盐夹杂物在平板式凝固界面前的行为，并 通过实验数据回归得到夹杂物粒子尺寸和凝固界面推 移速度对夹杂物粒子在界面处捕捉/推动的反比关系 式． Shibata 发现，细小的液态夹杂物粒子( 尤其是直径 在 5 μm 或以下) 更容易被固/液相界面推动，大尺寸时 则容易被捕捉，这与本研究观察中较低熔点的夹杂物 粒子在固/液相界面处的行为基本一致． Shibata 从粒 子受力平衡角度分析黏性力以及界面力的影响，指出 影响夹杂物在凝固时固/液相界面处推动/捕捉行为的 关键因素是凝固前沿的传热． 因而笔者在此不再对夹 杂物粒子产生上述行为的原因进行赘述． 在之后的原位观察中，夹杂物粒子在固/液界面处 的碰撞行为在其他视场中重复出现． 如下图 5 所示， 3521. 3 s 时，夹杂物!3 移动进入所观察的视场，此时夹 杂物!4 与夹杂物!5 均已分别被固/液界面!2 和固/液 界面!3 所捕捉． 特别地，夹杂物!3 和夹杂物!4 为球 形，而夹杂物!5 则为簇群状． 此后，夹杂物!3 不断向 夹杂物!4 移动，并在 6 s 后移动靠近至夹杂物!4，二者 随后发生碰撞、聚集而成为同一个夹杂物!( 3 + 4) ． 可 以看出，夹杂物!( 3 + 4) 尺寸有明显增加． 特别注意 到，夹杂物!5 在观察过程中发生自收缩现象，可以明 显看出其外形由原来不规则的簇群状，而逐渐收缩成 为规则的球形． Yin 等［25--26］在观察固态高熔点 Al2 O3 在钢液中的行为时，曾指出固态 Al2O3夹杂物在碰撞、 聚集成为簇群状后，会发生自收缩过程． 但是，迄今对 于液态或固--液两相夹杂物而言还未曾见有相关报 道［25--26］． 本研究过程中自收缩球化过程之所以能够发 生，是因为有利于降低夹杂物表面自由能且与夹杂物 成分有关，即当夹杂物成分体系熔点较低时，其在钢中 处于液态或半液态而通常呈现球形． 细小夹杂物在凝固前沿碰撞、聚集和长大仅是 DS 类夹杂物的可能来源之一． 由于越临近钢液凝固，钢 中夹杂物可能的上浮去除时间越短，夹杂物在长大后 残留在钢中的可能性也就更大． 因此，凝固过程中夹 杂物粒子的行为特征应得到更多重视． 另外，钢中夹 杂物的上浮、碰撞、长大等行为与夹杂物--钢液之间表 面张力密切相关． 理论上，二者之间表面张力越大则 夹杂物越容易上浮去除． 而二者间的表面张力与夹杂 物的组成、钢液的成分( C、S、O 等) 有密切关系，即同 一类夹杂物在不同成分钢液中的行为可能不同． 钢 液!夹杂物之间表面张力的相关数据及其与钢液、夹杂 物成分的关系也比较缺乏，未来需要更为深入地研究． 图 6 与图 7 分别为高温原位动态观察前后典型夹 杂物． 由图 6 可见，观察前夹杂物主要为复合的钙镁 铝酸盐． 由能谱可看出，夹杂物内部主要为镁铝尖晶 石而表层则主要为钙铝酸盐，并且夹杂物的尺寸不大 于 5 μm． 但与观察前相比，已经检测到尺寸可超过 · 387 ·