·1152· 工程科学学报，第40卷，第10期 106 达到最小值.非润湿性夹杂物间能够自发形成空腔 ---临界形核半径(Yan.2014④ 107 一形核半径(Yang,2013) 而产生的引力.通过比较Sasai与Mizukami!) Mizoguchi等[74)、郑立春等[6s,]以及Xuan等m关 10 于夹杂物间的相互作用力可得，对于AL,0,夹杂物， 9109 范德华力的影响最小，而毛细管力以及由空腔形成 的引力的影响较大.Nakamoto等[]也表明钢液与 10-0 钢 AL,O,间的不润湿性以及由空腔产生的力是促使A山， 10 0,聚合的主要因素.因此，对于夹杂物的聚集，不可 纯铁 10 忽视的影响由空腔产生的引力，该引力是钢液表面 0 500 1000150020002500 界面张力mNm) 张力和钢液与气体界面压降的总和，如公式(36)所 图30夹杂物形核半径随界面张力的变化[63，] 示，其随钢液表面张力的增加而增加.聚集度是衡 Fig.30 Variation in nucleus radius with interfacial tension[3.] 量夹杂物聚集的一个重要指标，郑立春等6s,]研究 了润湿性对其的影响，结果如图32所示，随着钢液 式中：X为横截面半径，X=r/3,cm;K,为形状因子， 表面张力以及钢液与夹杂物间的界面张力的降低， 10~100:D、为体积扩散率，cm2s-. 钢液与夹杂物间的接触角的增大，夹杂物的聚集度 实验结果表明[64-]，在钢液中加入Te能够减 增加 小钢中夹杂物的尺寸，其主要原因是因为Te是表面 F=2mY+mFAP=mY(2+P()) 活性元素，钢液中加人Te能使得钢液与夹杂物间的 界面张力迅速减小.因此，改变钢液与夹杂物的界 (36 面张力能够影响夹杂物尺寸.在仅考虑扩散长大 式中：l和r分别为形成的空腔的两个特征半径 时，根据式(35)可知，夹杂物的尺寸与夹杂物的聚 4.2r TiO, 集时间相关.在钢液中加入Te后，界面张力降低， TiN ●AL,0 夹杂物的聚集时间降低，AL,0,夹杂物的聚集时间约 3.8 降低6s,而Z0,夹杂物约降低30s. 在钢液内，夹杂物粒子间很容易发生相互碰撞 34 而凝聚成更大尺寸的夹杂物粒子，碰撞后大尺寸的 夹杂物的较碰撞前上浮速度大，更易于上浮去除，所 三3.0叶 以夹杂物颗粒间的碰撞凝聚是夹杂物去除的一种重 要形式.铁液中夹杂物的碰撞凝聚的方式有Brawn- 80 100 120 140 ian碰撞、Stoke碰撞和湍流碰撞.当两个夹杂物彼 接触角 此间的距离很小时（纳米级），碰撞行为也可以通过 图31 Hamaker常数与接触角的关系[n] 范德华力来推动[6s-9],在求解范德华力时，Hamaker Fig.31 Relationship between Hamaker constant and contact an- 常数是非常重要的参数.当夹杂物尺寸相同时，Ha- gle[22] maker常数越大，范德华力越大.同时，对于湍流碰 撞，Hamaker常数也非常重要.Nakajima等0-]提 2200 180 0 ★ 出的关于Hamaker常数的计算公式也与夹杂物与钢 液的润湿性相关，图31为Xuan2]总结得出的钢液 1800 165 一★ 与夹杂物的接触角和Hamaker常数的关系，表明 ★ 150 Hamaker常数随着接触角值的增大而增加.在考虑 o 泰 由夹杂物颗粒间的相互作用引起的夹杂物长大时， 1000 。表面张力 135 应考虑毛细管力.Coley等]研究了铁液表面张力 ②·界面张力 -★一钢与AL,O,间的接触角 以及接触角对钢液中毛细管力的影响，研究结果表 600 120 明，当接触角一定时，毛细管力随着铁液表面张力的 1.30 1.45 1.601.75 1.902.0 聚集度% 降低而增加，而在表面张力一定时，随着接触角值的 图32A灿203夹杂物聚集度和润湿性的关系[65,5) 增加，毛细管力先降低再降低，在接触角值为90时 Fig.32 Relationship between wettability and clustering degree,5]工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 图 30 夹杂物形核半径随界面张力的变化[63, 66] Fig. 30 Variation in nucleus radius with interfacial tension [63, 66] 式中:X 为横截面半径,X = r/ 3,cm;K0为形状因子, 10 ~ 100;DV为体积扩散率,cm 2·s - 1 . 实验结果表明[64鄄鄄65] ,在钢液中加入 Te 能够减 小钢中夹杂物的尺寸,其主要原因是因为 Te 是表面 活性元素,钢液中加入 Te 能使得钢液与夹杂物间的 界面张力迅速减小. 因此,改变钢液与夹杂物的界 面张力能够影响夹杂物尺寸. 在仅考虑扩散长大 时,根据式(35)可知,夹杂物的尺寸与夹杂物的聚 集时间相关. 在钢液中加入 Te 后,界面张力降低, 夹杂物的聚集时间降低,Al 2O3夹杂物的聚集时间约 降低 6 s,而 ZrO2夹杂物约降低 30 s. 在钢液内,夹杂物粒子间很容易发生相互碰撞 而凝聚成更大尺寸的夹杂物粒子,碰撞后大尺寸的 夹杂物的较碰撞前上浮速度大,更易于上浮去除,所 以夹杂物颗粒间的碰撞凝聚是夹杂物去除的一种重 要形式. 铁液中夹杂物的碰撞凝聚的方式有 Brawn鄄 ian 碰撞、Stoke 碰撞和湍流碰撞. 当两个夹杂物彼 此间的距离很小时(纳米级),碰撞行为也可以通过 范德华力来推动[68鄄鄄69] ,在求解范德华力时,Hamaker 常数是非常重要的参数. 当夹杂物尺寸相同时,Ha鄄 maker 常数越大,范德华力越大. 同时,对于湍流碰 撞,Hamaker 常数也非常重要. Nakajima 等[70鄄鄄71] 提 出的关于 Hamaker 常数的计算公式也与夹杂物与钢 液的润湿性相关,图 31 为 Xuan [72] 总结得出的钢液 与夹杂物的接触角和 Hamaker 常数的关系,表明 Hamaker 常数随着接触角值的增大而增加. 在考虑 由夹杂物颗粒间的相互作用引起的夹杂物长大时, 应考虑毛细管力. Coley 等[73] 研究了铁液表面张力 以及接触角对钢液中毛细管力的影响,研究结果表 明,当接触角一定时,毛细管力随着铁液表面张力的 降低而增加,而在表面张力一定时,随着接触角值的 增加,毛细管力先降低再降低,在接触角值为 90毅时 达到最小值. 非润湿性夹杂物间能够自发形成空腔 而产生的引力. 通 过 比 较 Sasai 与 Mizukami [69] 、 Mizoguchi 等[74] 、郑立春等[65, 75] 以及 Xuan 等[71] 关 于夹杂物间的相互作用力可得,对于 Al 2O3夹杂物, 范德华力的影响最小,而毛细管力以及由空腔形成 的引力的影响较大. Nakamoto 等[76] 也表明钢液与 Al 2O3间的不润湿性以及由空腔产生的力是促使 Al 2 O3聚合的主要因素. 因此,对于夹杂物的聚集,不可 忽视的影响由空腔产生的引力,该引力是钢液表面 张力和钢液与气体界面压降的总和,如公式(36)所 示,其随钢液表面张力的增加而增加. 聚集度是衡 量夹杂物聚集的一个重要指标,郑立春等[65, 75]研究 了润湿性对其的影响,结果如图 32 所示,随着钢液 表面张力以及钢液与夹杂物间的界面张力的降低, 钢液与夹杂物间的接触角的增大,夹杂物的聚集度 增加. F = 2仔酌lg + 仔l 2驻P = 仔酌lg (2 + l ( 2 1 r - 1 ) ) l (36) 式中:l 和 r 分别为形成的空腔的两个特征半径. 图 31 Hamaker 常数与接触角的关系[72] Fig. 31 Relationship between Hamaker constant and contact an鄄 gle [72] 图 32 Al2O3夹杂物聚集度和润湿性的关系[65, 75] Fig. 32 Relationship between wettability and clustering degree [65, 75] ·1152·