程礼梅等：钢铁冶金过程中的界面现象 ·1153· 4.3界面润湿性对钢中夹杂物的去除的影响 湿性能好，在刚渣界面相较于固态夹杂物更容易去除 考虑脱氧产物与钢液间的润湿性的影响时，当 Wid =Yg+Yis -Y=YIg(1+cos 0)(38) 夹杂物在静止熔池中上升速度为m) 式中：W为夹杂物与熔渣之间的黏附功，J·m2;y v=2/3m1.[r2·g△d/3-(W-2y.)/π] 为夹杂物的表面张力，N·m;y.为熔渣的表面张 (37) 力，Nm;y为熔渣与夹杂物之间的界面张力，N· 式中：v为脱氧产物的上升速度，cm·s;g为重力加 m1:0为熔渣与夹杂物之间的接触角，°. 速度，980cm·s-2;n为铁液黏度，Pa·s;△d为铁液与 当夹杂物运动到钢渣界面时，其运动行为主要 脱氧产物的密度差，g·cm3;W为钢液与夹杂物间 受到浮力、拽力、流体的上升阻力以及界面阻力（即 的黏附功，mNm;y,为夹杂物的表面张力，mNm1. 界面毛细管力)的影响，如图34所示[ 在静止熔池中脱氧产物的去除速度随着颗粒表 Sridhart2-]得出了不同形貌的夹杂物在界面处的 面张力的增加而增加.当AL,0,夹杂物(r=103 界面阻力，其计算结果表明，随着体系的界面能的降 cm,△d=3.13gcm-3,y=750mN·m-1)在铁液中 低，球形和片状夹杂物的去除率增加.当改变夹杂 上浮时，钢液加入Te后，其上浮速率变为原来的 物与熔渣间界面的张力时，界面张力越小，在相同时 1.42倍.从式(37)也可以得出，加入表面活性元素 间内，夹杂物的去除率越大.杨树峰等[84]研究不 Te能够促进脱氧产物的上浮[64-s] 同润湿性下夹杂物在界面的捕获情况.其结果表 夹杂物在钢渣界面的分离与夹杂物和钢液间的 明，润湿性对夹杂物的运动行为有显着的影响，随着 润湿性以及夹杂物和熔渣之间的润湿性密切相关. 熔渣与夹杂物间的界面润湿性的增加，夹杂物颗粒 Kalisz!8]指出，在渣钢界面，当夹杂物表面形成液膜 在界面处运动的最终位移增加，如图35所示. 时，夹杂物穿过渣层时其表面自由能的变化与夹杂 液态夹杂物 固态夹杂物 物的尺寸、夹杂物的位置以及渣-钢、渣-夹杂物和 钢-夹杂物间的界面张力有关.接触角值较大的固 态夹杂物比接触角较小的液态夹杂物分离的更彻 ● C0-A1,0, MnO 底.夹杂物在耐火材料和钢液界面处也可以分离. 3664● Tio. 当钢液与耐火材料和夹杂物都不润湿时，夹杂物在 Ca0-Al,0,-Si0、 80-AL0 (40/40×2050) 50/50 耐火材料界面处的去除有较大的驱动力.夹杂物与 Cao- ALO,-Sio. 钢液间接触角越大，与熔渣之间的接触角越小，则越 26/26/49) ● 有利于夹杂物的分离去除.钢液中大部分固态夹杂 0 30 60 90 120 150 物与钢液之间均不润湿，只有少数固态夹杂物与钢 接触角) 图33不同类型夹杂物与钢液间的接触角[8)】 液之间润湿，如TiO2.钢液中表面活性元素Se和Te Fig.33 Contact angle between steel and inclusion(si) 含量的增加将促进夹杂物与钢液之间接触角的增 大，从而有利于夹杂物的去除.对于如T0,的夹杂 物或在钢液中氧含量较高时，夹杂物与钢液之间的 接触角较小，在钢渣界面的夹杂物的去除效率明显 夹杂物 较低，且容易重新被卷入钢液中，或残留在钢液表面 形成铸坯表面缺陷[].防止钢液的二次氧化不仅 浮力Fb 毛细力F。 减少了夹杂物的产生，同时也能保证钢液较低的氧 含量，有利于钢液中原有夹杂物的去除.多数情况 渣 下熔渣对夹杂物润湿，因此钢液表面有渣时夹杂物 夹杂物 去除效率要比无渣时的高.夹杂物被熔渣吸附效果 流动的 曳力F 以及是否容易被卷入钢液中可用夹杂物与熔渣之间 阻力F 的黏附功来衡量[∞].夹杂物与熔渣之间的黏附功 图34钢渣界面夹杂物颗粒的受力示意图[82】 如式(38)所示.接触角越小，表面张力越大，则夹杂 Fig.34 Forces acting on a separating particle] 物与熔渣之间黏附越牢固.图338]为不同类型夹杂物 4.4界面润湿性对钢中夹杂物的空间分布的影响 与钢液接触角.液态夹杂物的润湿性比固态夹杂的润 钢液中的夹杂物的分布主要受夹杂物的物性参程礼梅等: 钢铁冶金过程中的界面现象 4郾 3 界面润湿性对钢中夹杂物的去除的影响 考虑脱氧产物与钢液间的润湿性的影响时,当 夹杂物在静止熔池中上升速度为[77] : 自 = 2 / 3·浊 - 1·[r 2·g·驻d / 3 - (Wad - 2酌sv) / 仔] (37) 式中:v 为脱氧产物的上升速度,cm·s - 1 ;g 为重力加 速度,980 cm·s - 2 ;浊 为铁液黏度,Pa·s;驻d 为铁液与 脱氧产物的密度差,g·cm - 3 ;Wad为钢液与夹杂物间 的黏附功,mN·m -1 ;酌sv为夹杂物的表面张力,mN·m -1 . 在静止熔池中脱氧产物的去除速度随着颗粒表 面张力的增加而增加. 当 Al 2 O3 夹杂物( r = 10 - 3 cm,驻d = 3郾 13 g·cm - 3 ,酌sv = 750 mN·m - 1 )在铁液中 上浮时,钢液加入 Te 后,其上浮速率变为原来的 1郾 42 倍. 从式(37)也可以得出,加入表面活性元素 Te 能够促进脱氧产物的上浮[64鄄鄄65] . 夹杂物在钢渣界面的分离与夹杂物和钢液间的 润湿性以及夹杂物和熔渣之间的润湿性密切相关. Kalisz [78]指出,在渣钢界面,当夹杂物表面形成液膜 时,夹杂物穿过渣层时其表面自由能的变化与夹杂 物的尺寸、夹杂物的位置以及渣鄄鄄 钢、渣鄄鄄 夹杂物和 钢鄄鄄夹杂物间的界面张力有关. 接触角值较大的固 态夹杂物比接触角较小的液态夹杂物分离的更彻 底. 夹杂物在耐火材料和钢液界面处也可以分离. 当钢液与耐火材料和夹杂物都不润湿时,夹杂物在 耐火材料界面处的去除有较大的驱动力. 夹杂物与 钢液间接触角越大,与熔渣之间的接触角越小,则越 有利于夹杂物的分离去除. 钢液中大部分固态夹杂 物与钢液之间均不润湿,只有少数固态夹杂物与钢 液之间润湿,如 TiO2 . 钢液中表面活性元素 Se 和 Te 含量的增加将促进夹杂物与钢液之间接触角的增 大,从而有利于夹杂物的去除. 对于如 TiO2的夹杂 物或在钢液中氧含量较高时,夹杂物与钢液之间的 接触角较小,在钢渣界面的夹杂物的去除效率明显 较低,且容易重新被卷入钢液中,或残留在钢液表面 形成铸坯表面缺陷[79] . 防止钢液的二次氧化不仅 减少了夹杂物的产生,同时也能保证钢液较低的氧 含量,有利于钢液中原有夹杂物的去除. 多数情况 下熔渣对夹杂物润湿,因此钢液表面有渣时夹杂物 去除效率要比无渣时的高. 夹杂物被熔渣吸附效果 以及是否容易被卷入钢液中可用夹杂物与熔渣之间 的黏附功来衡量[80] . 夹杂物与熔渣之间的黏附功 如式(38)所示. 接触角越小,表面张力越大,则夹杂 物与熔渣之间黏附越牢固. 图33 [81]为不同类型夹杂物 与钢液接触角. 液态夹杂物的润湿性比固态夹杂的润 湿性能好,在刚渣界面相较于固态夹杂物更容易去除. Wad = 酌sg + 酌lg - 酌sl = 酌lg(1 + cos 兹) (38) 式中:Wad为夹杂物与熔渣之间的黏附功,J·m - 2 ;酌sg 为夹杂物的表面张力,N·m - 1 ;酌lg 为熔渣的表面张 力,N·m - 1 ;酌sl为熔渣与夹杂物之间的界面张力,N· m - 1 ;兹 为熔渣与夹杂物之间的接触角,毅. 当夹杂物运动到钢渣界面时,其运动行为主要 受到浮力、拽力、流体的上升阻力以及界面阻力(即 界 面 毛 细 管 力 ) 的 影 响, 如 图 34 所 示[82] . Sridhar [82鄄鄄83] 得出了不同形貌的夹杂物在界面处的 界面阻力,其计算结果表明,随着体系的界面能的降 低,球形和片状夹杂物的去除率增加. 当改变夹杂 物与熔渣间界面的张力时,界面张力越小,在相同时 间内,夹杂物的去除率越大. 杨树峰等[84鄄鄄85] 研究不 同润湿性下夹杂物在界面的捕获情况. 其结果表 明,润湿性对夹杂物的运动行为有显着的影响,随着 熔渣与夹杂物间的界面润湿性的增加,夹杂物颗粒 在界面处运动的最终位移增加,如图 35 所示. 图 33 不同类型夹杂物与钢液间的接触角[81] Fig. 33 Contact angle between steel and inclusion [81] 图 34 钢渣界面夹杂物颗粒的受力示意图[82] Fig. 34 Forces acting on a separating particle [82] 4郾 4 界面润湿性对钢中夹杂物的空间分布的影响 钢液中的夹杂物的分布主要受夹杂物的物性参 ·1153·