·1154. 工程科学学报，第40卷，第10期 物分布均匀性，与Malfliet等的实验结果一致，如图 Q当起始点距渣金界面下方处的位移 ⊙一当起始点在渣金界面时的位移 38所示. 0 -1.0 05 0 0.5 1.0 cos 0 固体 液体 图35润湿性对夹杂物在钢渣界面的运动距离的影响的)] Fig.35 Effect of wettability on inclusion displacement(s] 图36夹杂物在凝固前沿的受力示意图[] Fig.36 Forces acting on a particle in front of solid/liquid inter- 数、夹杂物之间的聚合作用和夹杂物与钢液的润湿 face[s6] 性的影响.由4.2节中界面润湿性对夹杂物聚集的 影响的分析可得，降低钢液表面张力和钢液与夹杂 2500 物间的界面张力使得夹杂物的聚集度增加，使得夹 杂物的空间尺寸增加.在钢液中，作用在夹杂物粒 2000 子上的力主要有重力、浮力、界面张力和黏滞阻力， Fe-S 这些力会影响夹杂物的上浮速度，进而影响夹杂物 1500 Fe-Te Fe-Se 的空间分布.由4.3节分析可得，夹杂物与钢液的 界面张力降低时，可以促进夹杂物的上浮速度，降低 1000 Fe-0 钢液中夹杂物的空间数密度. 0 在钢液凝固过程中，粒子-界面间的相互作用 500 0.020.040.06 0.08 0.10 对夹杂物的分布具有较大的影响.在凝固前沿夹杂 元素原子数分数% 物粒子的具体受力分析如图36所示[)，主要包括 图37表面活性元素对界面张力的影响[64】 界面间的力F,、黏性力F和界面张力梯度差引起的 Fig.37 Effect of surfactant elements on interfacial tension(4] 力F.·界面润湿性主要影响F,和F。,其具体求解公 55 式如下式(39)~(40)所示. Q-Al脱氧后1min 50 O-A1脱氧后10min F,=2 mrAya=△yo =(Ym-Ya-YH) ) 45 (39) 9 40 F。s-8 3 w'K (40) 式中：△y和△y分别为夹杂物与界面之间的距离 h以及距离最小时的界面能变化，N·m;yY.和 Y分别为夹杂物与固相、夹杂物与液相以及固相与 25 200400600 8001000 液相间的界面张力，Nm;。为原子间距，m;a为 钢液中Te的质量分数106 界面的形状因子；K,为界面张力的梯度，Nm2. 图38Te元素对AL,03夹杂物空间分布的均匀度的影响[) 对于界面间的力F,由于△yo大于0，故而F,对 Fig.38 Effect of Te on degree of spatial distribution homogeneity of 凝固前沿的夹杂物具有推动作用.而由于界面张力 alumina inclusions( 的梯度K为正，因此F.对于夹杂物具有吸附作用. 5结论 当钢液中添加了表面活性元素后，界面润湿性降低， 如图37所示[6，ya和y均降低，使得F增加，夹杂 钢铁冶金过程中伴随着各种界面现象，本文总 物受凝固前沿的推动作用，进而降低了凝固后夹杂 结了钢铁生产过程中一些常见的界面现象，并从界工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 图 35 润湿性对夹杂物在钢渣界面的运动距离的影响[85] Fig. 35 Effect of wettability on inclusion displacement [85] 数、夹杂物之间的聚合作用和夹杂物与钢液的润湿 性的影响. 由 4郾 2 节中界面润湿性对夹杂物聚集的 影响的分析可得,降低钢液表面张力和钢液与夹杂 物间的界面张力使得夹杂物的聚集度增加,使得夹 杂物的空间尺寸增加. 在钢液中,作用在夹杂物粒 子上的力主要有重力、浮力、界面张力和黏滞阻力, 这些力会影响夹杂物的上浮速度,进而影响夹杂物 的空间分布. 由 4郾 3 节分析可得,夹杂物与钢液的 界面张力降低时,可以促进夹杂物的上浮速度,降低 钢液中夹杂物的空间数密度. 在钢液凝固过程中,粒子鄄鄄 界面间的相互作用 对夹杂物的分布具有较大的影响. 在凝固前沿夹杂 物粒子的具体受力分析如图 36 所示[86] ,主要包括 界面间的力 FI、黏性力 FD和界面张力梯度差引起的 力 F滓 . 界面润湿性主要影响 FI和 F滓 ,其具体求解公 式如下式(39) ~ (40)所示. FI = 2仔r驻酌琢 = 驻酌0 ( l 0 h ) ps 2 = (酌ps - 酌sl - 酌pl) ( l 0 h ) ps 2 (39) F滓 = - 8 3 仔r 2K酌 (40) 式中:驻酌 和 驻酌0 分别为夹杂物与界面之间的距离 hps以及距离最小时的界面能变化,N·m - 1 ;酌ps、酌sl和 酌pl分别为夹杂物与固相、夹杂物与液相以及固相与 液相间的界面张力,N·m - 1 ;l 0为原子间距,m;琢 为 界面的形状因子;K酌为界面张力的梯度,N·m - 2 . 对于界面间的力 FI,由于 驻酌0大于 0,故而 FI对 凝固前沿的夹杂物具有推动作用. 而由于界面张力 的梯度 K 为正,因此 F滓对于夹杂物具有吸附作用. 当钢液中添加了表面活性元素后,界面润湿性降低, 如图 37 所示[64] ,酌sl和 酌pl均降低,使得 FI增加,夹杂 物受凝固前沿的推动作用,进而降低了凝固后夹杂 物分布均匀性,与 Malfliet 等的实验结果一致,如图 38 所示. 图 36 夹杂物在凝固前沿的受力示意图[86] Fig. 36 Forces acting on a particle in front of solid / liquid inter鄄 face [86] 图 37 表面活性元素对界面张力的影响[64] Fig. 37 Effect of surfactant elements on interfacial tension [64] 图 38 Te 元素对 Al2O3夹杂物空间分布的均匀度的影响[86] Fig. 38 Effect of Te on degree of spatial distribution homogeneity of alumina inclusions [86] 5 结论 钢铁冶金过程中伴随着各种界面现象,本文总 结了钢铁生产过程中一些常见的界面现象,并从界 ·1154·