程礼梅等：钢铁冶金过程中的界面现象 ·1149· 和硫含量，相比之下钢液难润湿耐火材料.随着耐 含碳耐火材料的渣线处，界面张力的变化使得渣- 火材料的溶解和钢液中氧含量的增加，炉渣-钢液 钢界面上下波动].在初始状态（图25(a)),耐火 界面的张力(yw)降低，当氧含量较高时，在耐火材 材料表面存在一层易润湿耐火材料中的氧化物的渣 料附近出现较低的界面张力.由于距离耐火材料更 膜，氧化物易溶解到渣中，使得渣线材料表面富含石 远的界面张力较高，钢液将被熔渣从耐火材料中略 墨.石墨很难被渣膜润湿，但易被钢液润湿，使得熔 微排开，熔渣填充在钢液与耐火材料间的间隙中， 渣被钢液排开，进而使得渣钢界面上升，如图25(b) 随着钢液表面的高度增加，钢液由于重力而返回. 所示.随后耐火材料中的石墨溶解到钢液中，使得 这种循环对流加速了质量传递，从而加速了渣-金 耐火材料裸露出大量的氧化物.由于钢液难润湿氧 界面的局部侵蚀.因此，钢液向下弯曲了高度为h 化物，而熔渣易润湿氧化物，这使得熔渣向下渗入到 (cm)的凸起（毛细管凹陷），如图24(b)所示.熔渣 耐材与钢液之间再次形成渣膜.如此反复进行，造 在耐火材料和钢液之间滑移.实际冶炼过程中，在 成渣线位置的局部侵蚀[] h:侵蚀深度，m:y饱和熔渣表面张力，N·m:y熔渣表面张力，N·m:r侵蚀位置的半径，m: x:理论计算的侵独深度，m坚侵蚀位置的水平角，：0w钢和渣与耐火材料的接角，°；侵蚀时间，。 氧化铝坩埚 2) 空气 空气 空气 渣 渣 耐材 氧化铝 钢 1) 2) 可化铝 氧化铝 空气 空气 2 渣 耐材 渣 耐材 钢 钢 熔渣 (3) 4 (a) % 图24耐火材料侵蚀示意图.(a)渣-耐材-气体界面：(b)渣-钢-耐材界面54-] Fig.24 Erosion at the refractory interface:(a)slag-refractory-gas interface;(b)slag-steel-refractory-gas interface[s4-5] w-ac) (19) 假设在界面处耐火材料的溶解为线性扩散时， 钢液 钢液 其侵蚀速率为： 渣膜一 氧化物 渣膜 .=3602g(C.-C) (20) 石墨 石墨 对于渣-耐火材料-气体界面，流动层的平均厚 度以及平均传质系数分别为[s]: (b) 图25渣线材料侵蚀过程示意图.(a)渣-钢界面上升期：(b) d=htan (0) (21) 渣-钢界面下降期[s6】 2 Fig.25 Erosion process of slag line material:(a)rising of the slag- B=360- /2p 4D.sin (90-)"tan (0) steel interface;(b)descending of the slag-steel interface(s] 对于平底容器中，由Marangoni效应引起的液 Pa） 体的流速： ((c-c)+(T-)） d (dy (22) (18) 对于渣-钢-耐火材料界面，流动层的平均厚度 当温度梯度不变时，液体的流速为： 以及平均传质系数分别为[5]：程礼梅等: 钢铁冶金过程中的界面现象 和硫含量,相比之下钢液难润湿耐火材料. 随着耐 火材料的溶解和钢液中氧含量的增加,炉渣鄄鄄 钢液 界面的张力(酌st/ sl)降低,当氧含量较高时,在耐火材 料附近出现较低的界面张力. 由于距离耐火材料更 远的界面张力较高,钢液将被熔渣从耐火材料中略 微排开,熔渣填充在钢液与耐火材料间的间隙中. 随着钢液表面的高度增加,钢液由于重力而返回. 这种循环对流加速了质量传递,从而加速了渣鄄鄄 金 界面的局部侵蚀. 因此,钢液向下弯曲了高度为 h (cm)的凸起(毛细管凹陷),如图 24(b)所示. 熔渣 在耐火材料和钢液之间滑移. 实际冶炼过程中,在 含碳耐火材料的渣线处,界面张力的变化使得渣鄄鄄 钢界面上下波动[56] . 在初始状态(图 25(a)),耐火 材料表面存在一层易润湿耐火材料中的氧化物的渣 膜,氧化物易溶解到渣中,使得渣线材料表面富含石 墨. 石墨很难被渣膜润湿,但易被钢液润湿,使得熔 渣被钢液排开,进而使得渣钢界面上升,如图 25(b) 所示. 随后耐火材料中的石墨溶解到钢液中,使得 耐火材料裸露出大量的氧化物. 由于钢液难润湿氧 化物,而熔渣易润湿氧化物,这使得熔渣向下渗入到 耐材与钢液之间再次形成渣膜. 如此反复进行,造 成渣线位置的局部侵蚀[57] . 图 24 耐火材料侵蚀示意图 郾 (a)渣鄄鄄耐材鄄鄄气体界面;(b) 渣鄄鄄钢鄄鄄耐材界面[54鄄鄄55] Fig. 24 Erosion at the refractory interface: (a)slag鄄refractory鄄gas interface; (b)slag鄄steel鄄refractory鄄gas interface [54鄄鄄55] 图 25 渣线材料侵蚀过程示意图 郾 (a) 渣鄄鄄钢界面上升期; ( b) 渣鄄鄄钢界面下降期[56] Fig. 25 Erosion process of slag line material:( a) rising of the slag鄄 steel interface;(b)descending of the slag鄄steel interface [56] 对于平底容器中,由 Marangoni 效应引起的液 体的流速: vM = d 4 ( 浊 d酌 dC gradC + d酌 dT gradT ) (18) 当温度梯度不变时,液体的流速为: vM = d 4 ( 浊 d酌 dC gradC ) (19) 假设在界面处耐火材料的溶解为线性扩散时, 其侵蚀速率为: vs = 360 籽sl 籽r 茁(Cs - C0 ) (20) 对于渣鄄鄄耐火材料鄄鄄气体界面,流动层的平均厚 度以及平均传质系数分别为[54] : d = htan (兹0 ) 2 (21) 茁 = 360 仔/ 2籽sl 籽 æ è çç r 4Dsl sin (90 - 鬃) 2 tan (兹 ( ) 仔 180 - 2鬃 ) 180 2 h浊 ö ø ÷÷ st 1 / 2 ( 伊 Dsl 籽sl 浊 ) sl 1 / ( 3 d酌 dC[O] (C I [O] - C II [O] ) + d酌 dT (T I - T II ) ) (22) 对于渣鄄鄄钢鄄鄄耐火材料界面,流动层的平均厚度 以及平均传质系数分别为[55] : ·1149·