程礼梅等：钢铁冶金过程中的界面润湿性的基础 ·1439· 续表2 测量方法 示意图 测量原理 备注 参考文献 坐标原点0】 气体 液体 座滴法 y=A 2 [16,20] 0 :液滴顶部距液演 /r:园绕：轴的点N的 中心的垂直距离 德转半轻 :,液前顶部距液端 液滴上任意一点 底部的垂直距离 D:赤道半径 y=4p3 H 不能测量 悬滴法 D一赤道直径，m: 液液间界[16,19] H—形状参数 面张力 d:距离液滴 底部高度为 液体 D时的直径 气体 e+） y=fo 6r.A2+10m22 振荡射流 f一校正因子： [19] 法 Q—射流流量，m3s1； 石墨毛细管 A一射流波长，m: ,一射流的平均半径，m: A—振帆。 气体人口 a高温计 =w(0+ )棱柱 c)高速 12m() 无需与容 (线图 器接触的 电磁浮选 e)IR炉 0样品台 表面张力[18,21] 法 (g铜结品器 w岳猥 出■ (h)Mg(CIO) AM—液滴质量，kg: 测量方 ⑤Ph-石棉 ()Ar-3%H, 。(振荡模式的选项)-2(R1igh频率)时法. 的表面振动颜率： —转移频率 3.1成分对界面润湿性的影响 响，如图5(b)所示，随着这些元素含量的增加，表面 (1)对表面张力的影响. 张力略微下降 在钢铁冶炼过程中，钢液中常常含有多种杂质 通常P,0,、B,O,、Na,0和CaF,等是许多炉渣体 元素，包括典型的非金属元素以及少量金属元素. 系中的表面活性组分，能够迅速降低熔渣的表面张 图5为二元铁合金的表面张力的变化].钢液中 力.图6为Fe0基熔渣的表面张力2).对于方铁 最常见的非金属元素是元素周期表第VIA族的元 矿，Na,0和P,0,是高表面活性组分，加入SiO2、Ti02 素，这些元素都是表面活性元素，在加入到铁液中 和Mn0均使表面张力缓慢降低，而加入AL,O,则会 后，随着铁液中表面活性元素含量的升高，铁液的表 使得表面张力稍微增加.图7为1883~1953K时， 面张力会迅速降低，如图5(a)所示.而钢液中其他 组分对Ca0-A,0,熔渣的表面张力的影响].从图 非表面活性元素对钢液的表面张力的影响非常小. 对于钢中的脱氧元素如A、Si等，对于钢液的表面 中可以看出，等分子量Ca0-A山，0，混合物的表面张 张力的影响主要是通过降低钢中的氧含量来间接影 力几乎不受Zr0,和Mg0的影响，但随着Si02、Ti02、 响的.仅考虑这些元素本身对钢液表面张力的影 CaF,和NaF的添加而降低.图8为Ca0-SiO2-A山，03
程礼梅等: 钢铁冶金过程中的界面润湿性的基础 续表 2 测量方法 示意图 测量原理 备注 参考文献 座滴法 酌 = 驻籽gz 2 1 2 . [16,20] 悬滴法 酌 = 驻籽gD 2 H . D———赤道直径,m; H———形状参数. 不能测量 液液间界 面张力 [16,19] 振荡射流 法 酌 = fO 4籽Q ( 2 1 + 37 24 A ) 2 6rs姿 2 + 10仔 2 r 3 s . fO———校正因子; Q———射流流量,m 3·s - 1 ; 姿———射流波长,m; rs———射流的平均半径,m; A———振幅. [19] 电磁浮选 法 酌 = 3 8 仔M ( 1 5 移 2 m = -2 v 2 2,m - v 2 t ( 1郾 905 + 1郾 200 ( z0 a ) E ) ) 2 , z0 = g 8仔 2 v 2 t ,aE = 3 3M 4籽仔 . M———液滴质量,kg; v2,m———l (振荡模式的选项) = 2 (Rayleigh 频率) 时 的表面振动频率; vt———转移频率. 无需与容 器接触的 表面张力 测 量 方 法. [18,21] 3郾 1 成分对界面润湿性的影响 (1)对表面张力的影响. 在钢铁冶炼过程中,钢液中常常含有多种杂质 元素,包括典型的非金属元素以及少量金属元素. 图 5 为二元铁合金的表面张力的变化[22] . 钢液中 最常见的非金属元素是元素周期表第 VIA 族的元 素,这些元素都是表面活性元素,在加入到铁液中 后,随着铁液中表面活性元素含量的升高,铁液的表 面张力会迅速降低,如图 5(a)所示. 而钢液中其他 非表面活性元素对钢液的表面张力的影响非常小. 对于钢中的脱氧元素如 Al、Si 等,对于钢液的表面 张力的影响主要是通过降低钢中的氧含量来间接影 响的. 仅考虑这些元素本身对钢液表面张力的影 响,如图 5(b)所示,随着这些元素含量的增加,表面 张力略微下降. 通常 P2O5 、B2O3 、Na2O 和 CaF2等是许多炉渣体 系中的表面活性组分,能够迅速降低熔渣的表面张 力. 图 6 为 FeO 基熔渣的表面张力[22] . 对于方铁 矿,Na2O 和 P2O5是高表面活性组分,加入 SiO2 、TiO2 和 MnO 均使表面张力缓慢降低,而加入 Al 2O3则会 使得表面张力稍微增加. 图 7 为 1883 ~ 1953 K 时, 组分对 CaO鄄鄄Al 2O3熔渣的表面张力的影响[22] . 从图 中可以看出,等分子量 CaO鄄鄄 Al 2O3混合物的表面张 力几乎不受 ZrO2和 MgO 的影响,但随着 SiO2 、TiO2 、 CaF2和 NaF 的添加而降低. 图8 为 CaO鄄鄄SiO2 鄄鄄Al 2O3 ·1439·
·1440 工程科学学报，第40卷，第12期 表3座滴法测量高温润湿性时，不同阶段的相关建议[7] Table 3 Testing procedures and corresponding recommendations at different stages of the high-temperature sesie drop wettability tests 步骤 建议 基片表面粗糙度(Ra)的控制 Ra<100m(尽可能低)，对于单品基片Ra<10nm. 基片的表面化学均匀性的控制 俄歇显微镜，化学分析电子光谱，X射线光电子能谱分析 基片表面缺陷（空隙）的控制 光学显微镜，扫描电子显微镜，原子力显微镜 金属和基片的质量控制 精确度0.01mg 实验前金属样品的清洗 丙酮中进行机械和超声波清洗(10~15min). 控制基片表面的水平位置 倾斜小于2°. 真空体系是否存在泄漏 检查并排除泄漏 控制大气的化学成分 用He气进行质谐分析 对照实验“ Cu/A,0(单晶基片) 同时测量接触角6和液滴尺寸(H,D) 液滴形貌分析 测量二维滴形形状对称性 测量左侧和右侧接触角 实验中 温度控制 热电偶. 同时测量，Yk,H,D和液滴对称* 液滴形貌分析 大气化学成分监测# 质谱（残留气体分析） 控制3D滴形状对称性（在两个垂直部分的横向接触角）* 液滴绕轴线旋转 控制金属/基片的总质量 精确度0.01mg 控制滴形状的对称 视觉观察 实验后 基片表面化学成分的控制 俄歇显微镜，化学分析电子光谱，X射线光电子能谱分析 三线位置和液滴/基片界面的控制，以确定基片的溶解或渗透 光学显微镜，扫描电子显微镜 注：表示可选的操作 2000 1800 b 1800 乞160 1700 0 1200 Se -A1 -0 1600 Mn 1000 800 ----Te -------Se …Cr ---1873K -1823K 60 0 1500 0.02 0.040.06 0.08 0.10 4 6 原子数分数% 原子数分数% 图5合金元素对铁液表面张力的影响[2].(a)非金属元素：(b)金属元素 Fig.5 Influence of alloying elements on surface of liquid iron():(a)non-metallic elements;(b)metallic elements 渣系的表面张力随渣成分的变化2].Ca0/Si0,的 张力随铁液中元素含量的变化].从图中可以得 摩尔比一定时，AL,O,的增加能略微增加渣系的表面 出钢中的非表面活性杂质元素基本都能使钢渣间的 张力，而当Ca0/AL,0,的摩尔比一定时，Si0,的增加 界面张力降低.而钢中表面活性元素0和S,即使 则降低渣系的表面张力 是在其含量很小的情况下，也能够迅速降低钢渣间 (2)对界面张力的影响. 的界面张力，如图9(b)和(c)所示24] 渣和钢液间的界面张力与铁液的表面张力变化 图10为钢液与Ca0-Si02、Ca0-Si02-Al,03和 规律近似.渣钢之间的界面张力显著低于钢液的表 Ca0-Mg0-A山，0，系熔渣的界面张力随渣成分的变 面张力.图9(a)为Ca0-Si0,-Al,03Ca0-Mg0-A山，03 化2s].从图10(a)中可以得出，对于Ca0-Si0,系熔 和Ca0-SiO2-MgO-Al20,-CaF2渣与铁液间的界面 渣，当Ca0/SiO2的质量比一定时，向炉渣中添加其
工程科学学报,第 40 卷,第 12 期 表 3 座滴法测量高温润湿性时,不同阶段的相关建议[17] Table 3 Testing procedures and corresponding recommendations at different stages of the high鄄temperature sessile drop wettability tests [17] 步骤 建议 基片表面粗糙度(Ra)的控制 Ra < 100 nm(尽可能低),对于单晶基片 Ra < 10 nm. 基片的表面化学均匀性的控制 俄歇显微镜,化学分析电子光谱,X 射线光电子能谱分析. 基片表面缺陷(空隙)的控制 光学显微镜,扫描电子显微镜# ,原子力显微镜# . 金属和基片的质量控制 精确度 0郾 01 mg. 实验前 金属样品的清洗 丙酮中进行机械和超声波清洗(10 ~ 15 min). 控制基片表面的水平位置 倾斜小于 2毅. 真空体系是否存在泄漏 检查并排除泄漏. 控制大气的化学成分# 用 He 气进行质谱分析# . 对照实验# Cu / Al2O3 (单晶基片) # . 实验中 同时测量接触角 兹 和液滴尺寸(H,D) 液滴形貌分析. 测量二维滴形形状对称性 测量左侧和右侧接触角. 温度控制 热电偶. 同时测量 兹,酌lg,H,D 和液滴对称# 液滴形貌分析# . 大气化学成分监测# 质谱(残留气体分析) # . 控制 3D 滴形状对称性(在两个垂直部分的横向接触角) # 液滴绕轴线旋转# . 控制金属/ 基片的总质量 精确度 0郾 01 mg. 实验后 控制滴形状的对称 视觉观察. 基片表面化学成分的控制 俄歇显微镜,化学分析电子光谱,X 射线光电子能谱分析. 三线位置和液滴/ 基片界面的控制,以确定基片的溶解或渗透 光学显微镜,扫描电子显微镜# . 注: #表示可选的操作. 图 5 合金元素对铁液表面张力的影响[22] . (a) 非金属元素; (b) 金属元素 Fig. 5 Influence of alloying elements on surface of liquid iron [22] : (a) non鄄metallic elements; (b) metallic elements 渣系的表面张力随渣成分的变化[23] . CaO/ SiO2 的 摩尔比一定时,Al 2O3的增加能略微增加渣系的表面 张力,而当 CaO/ Al 2O3的摩尔比一定时,SiO2的增加 则降低渣系的表面张力. (2)对界面张力的影响. 渣和钢液间的界面张力与铁液的表面张力变化 规律近似. 渣钢之间的界面张力显著低于钢液的表 面张力. 图9(a)为 CaO鄄鄄SiO2 鄄鄄Al 2O3 、CaO鄄鄄MgO鄄鄄Al 2O3 和 CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄MgO鄄鄄 Al 2O3 鄄鄄 CaF2渣与铁液间的界面 张力随铁液中元素含量的变化[22] . 从图中可以得 出钢中的非表面活性杂质元素基本都能使钢渣间的 界面张力降低. 而钢中表面活性元素 O 和 S,即使 是在其含量很小的情况下,也能够迅速降低钢渣间 的界面张力,如图 9(b)和(c)所示[24] . 图 10 为钢液与 CaO鄄鄄 SiO2 、CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄 Al 2O3和 CaO鄄鄄MgO鄄鄄Al 2O3系熔渣的界面张力随渣成分的变 化[25] . 从图 10(a)中可以得出,对于 CaO鄄鄄 SiO2系熔 渣,当 CaO/ SiO2的质量比一定时,向炉渣中添加其 ·1440·