·1144· 工程科学学报，第40卷，第10期 面张力、固体表面张力和液体表面张力，N·m;d。 CaO颗粒 为颗粒直径，m. 喷人速度V。 CaO颗粒 根据Lee与Morita2]用上式(4)~(9)在当初 的表面 D CaO颗粒 始速度为35m·s-时的计算得结果，结合Belton方 张力Y 半径r 程可以得出CaO颗粒的穿透速度随钢液表面张力 铁液表面张力， 的变化，如图11所示.Ca0颗粒的穿透速度随着铁 载气 液表面张力的增加而增加.随着铁水脱硫的进行， CaO颗粒 铁液中的硫含量逐渐降低，其表面张力逐渐增加. 铁液 进入深度x 因此，CaO颗粒的穿透速度在脱硫开始时是最低的. Ca0与铁液间的界面张力y, 当Ca0的穿透速度小于Ca0颗粒的喷入速度，即初 始速度时，颗粒可在铁液表面上回弹，并在该条件下 图10球形Ca0颗粒进入到铁液的示意图[】 Fig.10 Illustration of a solid spherical Ca0 particle injected into liq- 被捕获在气泡内.Wu等[39]也得出颗粒的渗透速度 uid iron8】 与颗粒直径以及表面张力相关，其颗粒的临界渗透 速度如下式(10)所示.当颗粒粒度一定时，通过 120 一1ee,2005,初始速度35m·s1 上式可以计算得出颗粒穿透的临界速度，如图11所 ==-…Wei,2014,临界速度 -..-..d=I mm ..d=1 mm 示.随着表面张力的增加，颗粒穿透的临界临界速 90 度增加，其趋势和Lee得出的趋势一致. 60 d=0.5 mm ,=2+P cao 96Y exp (16pco 26）-1)）d, d-0.5 mm (10) 30 d=0.1 mm 对于喷吹镁脱硫时，如果镁颗粒进入铁液且不 d=0.1 mm 以固体、液体或蒸气的形式返回到气相，则认为镁颗 86o 800 1000 1200 1400 粒能够穿透到铁液中.如果铁液中的颗粒穿透深度 表面张力(mN·m) 大于颗粒直径，则认为成功穿透.然而，在有气泡产 图11穿透速度与表面张力的关系[然，别) 生时，只有当颗粒气化发生之前的穿透深度x,大于 Fig.11 Relationship between penetration speed and sulphur con- 颗粒气化产生的气泡的半径时能成功穿透铁液，如 tent[28.39] 下图12(a)所示36).否则，蒸汽气泡将由在气泡底 部弯曲处的拉普拉斯效应产生的压力将其推回到气 相，如图12(b)[6]所示.颗粒穿透铁液时，其穿透速 度与界面张力相关，同时气泡的大小也与铁液的润 湿性相关，其气泡直径与表面张力相关的计算公式 如下式(11)所示3].气泡直径随着表面张力的增 (a (b) 加而增加. 图12Mg脱硫过程中颗粒的穿透示意图.(a)穿透深度大于气 .16 泡半径：(b)穿透深度小于气泡半径[6] d=( 4)+0.0242(24,)0） (11) Fig.12 Penetration of Mg particle:(a)penetration depth larger than 式中：ym为铁液表面张力，N·m';.为气泡速度，m· bubble radius;(b)penetration depth smaller than bubble radius(] s-;d为气泡初始直径，m. 料的侵蚀最小.实际冶炼过程中，在钢包、中间包、 塞棒、水口等部位的渣线处的耐火材料同时受到钢 3 钢液、熔渣与耐火材料的相互作用 液与熔渣的侵蚀作用，通常是冶炼过程中侵蚀最为 耐火材料作为钢铁冶炼过程中的高温反应容 严重的区域.钢液、熔渣与耐火材料间的润湿性与 器，熔渣与钢液对耐火材料的侵蚀将影响其在冶炼 耐火材料使用时发生的各种现象有着密切的联系. 过程中的寿命，同时耐火材料的侵蚀也可能导致钢 通常可以通过测定钢液与耐火材料或者熔渣与耐火 中夹杂物的产生，进而影响钢液的洁净度.在冶炼 材料的接触角的值来大体估计耐火材料的抗侵蚀性 过程中，钢液与熔渣界面处对耐火材料的侵蚀最严 能.一般来说，难润湿的耐火材料其抗侵蚀性较高， 重，其次是熔渣对耐火材料的侵蚀，而钢液对耐火材 但易润湿的耐火材料其抗侵蚀性不一定低[0)
工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 面张力、固体表面张力和液体表面张力,N·m - 1 ;dp 为颗粒直径,m. 根据 Lee 与 Morita [28] 用上式(4) ~ (9)在当初 始速度为 35 m·s - 1时的计算得结果,结合 Belton 方 程可以得出 CaO 颗粒的穿透速度随钢液表面张力 的变化,如图 11 所示. CaO 颗粒的穿透速度随着铁 液表面张力的增加而增加. 随着铁水脱硫的进行, 铁液中的硫含量逐渐降低,其表面张力逐渐增加. 因此,CaO 颗粒的穿透速度在脱硫开始时是最低的. 当 CaO 的穿透速度小于 CaO 颗粒的喷入速度,即初 始速度时,颗粒可在铁液表面上回弹,并在该条件下 被捕获在气泡内. Wu 等[39]也得出颗粒的渗透速度 与颗粒直径以及表面张力相关,其颗粒的临界渗透 速度 v1如下式(10)所示. 当颗粒粒度一定时,通过 上式可以计算得出颗粒穿透的临界速度,如图 11 所 示. 随着表面张力的增加,颗粒穿透的临界临界速 度增加,其趋势和 Lee 得出的趋势一致. v1 = (2 + 籽Fe 籽 ) CaO ( 1 2 96酌m 13籽 ( Fe exp ( 26籽Fe 16籽 ) CaO - 1 ) ) 1 2 d - 1 2 p (10) 对于喷吹镁脱硫时,如果镁颗粒进入铁液且不 以固体、液体或蒸气的形式返回到气相,则认为镁颗 粒能够穿透到铁液中. 如果铁液中的颗粒穿透深度 大于颗粒直径,则认为成功穿透. 然而,在有气泡产 生时,只有当颗粒气化发生之前的穿透深度 xv大于 颗粒气化产生的气泡的半径时能成功穿透铁液,如 下图 12(a)所示[36] . 否则,蒸汽气泡将由在气泡底 部弯曲处的拉普拉斯效应产生的压力将其推回到气 相,如图12(b) [36]所示. 颗粒穿透铁液时,其穿透速 度与界面张力相关,同时气泡的大小也与铁液的润 湿性相关,其气泡直径与表面张力相关的计算公式 如下式(11)所示[35] . 气泡直径随着表面张力的增 加而增加. db = ( ( 6酌d0 籽Fe ) g 2 + 0郾 0242(v 2 gd0 ) ) 0郾 867 0郾 167 (11) 式中:酌m为铁液表面张力,N·m - 1 ;vg为气泡速度,m· s - 1 ;d0为气泡初始直径,m. 3 钢液、熔渣与耐火材料的相互作用 耐火材料作为钢铁冶炼过程中的高温反应容 器,熔渣与钢液对耐火材料的侵蚀将影响其在冶炼 过程中的寿命,同时耐火材料的侵蚀也可能导致钢 中夹杂物的产生,进而影响钢液的洁净度. 在冶炼 过程中,钢液与熔渣界面处对耐火材料的侵蚀最严 重,其次是熔渣对耐火材料的侵蚀,而钢液对耐火材 图 10 球形 CaO 颗粒进入到铁液的示意图[38] Fig. 10 Illustration of a solid spherical CaO particle injected into liq鄄 uid iron [38] 图 11 穿透速度与表面张力的关系[28, 39] Fig. 11 Relationship between penetration speed and sulphur con鄄 tent [28,39] 图 12 Mg 脱硫过程中颗粒的穿透示意图. ( a)穿透深度大于气 泡半径;(b)穿透深度小于气泡半径[36] Fig. 12 Penetration of Mg particle:(a)penetration depth larger than bubble radius;(b)penetration depth smaller than bubble radius [36] 料的侵蚀最小. 实际冶炼过程中,在钢包、中间包、 塞棒、水口等部位的渣线处的耐火材料同时受到钢 液与熔渣的侵蚀作用,通常是冶炼过程中侵蚀最为 严重的区域. 钢液、熔渣与耐火材料间的润湿性与 耐火材料使用时发生的各种现象有着密切的联系. 通常可以通过测定钢液与耐火材料或者熔渣与耐火 材料的接触角的值来大体估计耐火材料的抗侵蚀性 能. 一般来说,难润湿的耐火材料其抗侵蚀性较高, 但易润湿的耐火材料其抗侵蚀性不一定低[40] . ·1144·
程礼梅等：钢铁冶金过程中的界面现象 ·1145· 3.1熔渣对耐火材料的侵蚀 55 熔渣渗透到耐火材料中，然后将难熔颗粒分散 Mg0质量分数/% 0-0 在炉渣中，是耐火材料的损毁机理之一，氧化物的 53 0-5 ☆10 侵蚀不仅是由氧化物的溶解引起的，也是液相渗透 V-15 51 到氧化物中的结果.首先，本文作者通过使用Fact sage热力学软件分别计算了不同碱度的Ca0-SiO, AL,0,熔渣对Mg0耐火材料与Ca0-SiO2-Mg0熔渣 气d6 对A山，0，耐火材料的溶解度，其结果如图13~14所 示.从图中可以得出，对于Ca0-Si02-A山，03熔渣，随 着熔渣的碱度降低，Mg0耐火材料的溶解度增加， 0.6 0.8 1.0 碱度 而对于Ca0-SiO,-Mg0熔渣，随着熔渣的碱度降低， 图14、AL203在Ca0-Si02-Mg0熔渣中的饱和溶解度 A山，0，耐火材料的溶解度降低.通过熔渣表面张力 Fig.14 Saturation slubility of Al,03 refractory in Ca0-Si02-Mgo 计算公式，求出了饱和溶解耐火材料的熔渣与初始 slag 熔渣的表面张力.饱和溶解耐火材料前后的熔渣间 的表面张力的差值随熔渣碱度的变化如图15~16 50喜 AL,0,质量分数/% 所示，其变化趋势与耐火材料在渣中的溶解度的变 ▣-0 40 0-5 化趋势一致，两者间差值越大，耐火材料的溶解度 ★-10 越大 30叶 715 -20 40 AL,0,质量分数% 0-0 三10 200029999e9000000 30 ○-5 ☆-10 7-15 20 K99000000o 0-20 0.5 1.0 1.5 2.0 碱度 图15Ca0-Si02-A山203熔渣饱和溶解Mg0前后的表面张力的 差值 Fig.15 Variation in difference value between the surface tensions of Ca0-Si0,-Al,O,slag before and after saturation dissolution of Mgo 005 1.0 1.5 2.0 碱度 refractory 图13Mg0在Ca0-Si02-A山203熔渣中的饱和溶解度 30 Fig.13 Saturation slubility of Mgo refractory in Cao-Si02-Al2 O3 Mg0质量分数% 0-0 slag 0-5 ☆10 熔渣渗透到耐火材料中，这与炉渣和耐火材料 7-15 之间的润湿性密切相关，主要是在毛细管力的作用 通过耐火材料的开口气孔、晶界和裂纹进行渗透. 兰24 毛细管力是熔渣渗透的驱动力.熔渣与耐材基质之 间的润湿性是影响毛细管力的重要因素之一·较高 的接触角使得炉渣难以穿透耐火材料中的孔隙和裂 04 0.6 0.8 1.0 1.2 纹.在比较碳质和非碳质耐火材料的渗透情况，非 碱度 碳质耐火材料的渗透程度是碳质耐火材料的10倍 图16 Ca0-Si02-Mg0熔渣饱和溶解AL203前后的表面张力的 以上.但这并不是影响渗透深度的唯一因素.它也 差值 可能受到耐火材料中温度梯度的影响.当温度达到 Fig.16 Variation in difference value between the surface tension of Ca0-SiO,-Mgo slag before and after saturation dissolution of AlO 临界温度T时，其为渣的凝固温度，黏度增加，渗透 refractory 深度降低」. 许多学者从理论上分析了熔渣对耐火材料的渗 透深度的影响，式(12)为熔渣渗透的驱动力.Heo
程礼梅等: 钢铁冶金过程中的界面现象 3郾 1 熔渣对耐火材料的侵蚀 熔渣渗透到耐火材料中,然后将难熔颗粒分散 在炉渣中,是耐火材料的损毁机理之一. 氧化物的 侵蚀不仅是由氧化物的溶解引起的,也是液相渗透 到氧化物中的结果. 首先,本文作者通过使用 Fact鄄 sage 热力学软件分别计算了不同碱度的 CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄 Al 2O3熔渣对 MgO 耐火材料与 CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄 MgO 熔渣 对 Al 2O3耐火材料的溶解度,其结果如图 13 ~ 14 所 示. 从图中可以得出,对于 CaO鄄鄄SiO2 鄄鄄Al 2O3熔渣,随 着熔渣的碱度降低,MgO 耐火材料的溶解度增加, 而对于 CaO鄄鄄SiO2 鄄鄄MgO 熔渣,随着熔渣的碱度降低, Al 2O3耐火材料的溶解度降低. 通过熔渣表面张力 计算公式,求出了饱和溶解耐火材料的熔渣与初始 熔渣的表面张力. 饱和溶解耐火材料前后的熔渣间 的表面张力的差值随熔渣碱度的变化如图 15 ~ 16 所示,其变化趋势与耐火材料在渣中的溶解度的变 化趋势一致,两者间差值越大,耐火材料的溶解度 越大. 图 13 MgO 在 CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄Al2O3熔渣中的饱和溶解度 Fig. 13 Saturation slubility of MgO refractory in CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄 Al2 O3 slag 熔渣渗透到耐火材料中,这与炉渣和耐火材料 之间的润湿性密切相关,主要是在毛细管力的作用 通过耐火材料的开口气孔、晶界和裂纹进行渗透. 毛细管力是熔渣渗透的驱动力. 熔渣与耐材基质之 间的润湿性是影响毛细管力的重要因素之一. 较高 的接触角使得炉渣难以穿透耐火材料中的孔隙和裂 纹. 在比较碳质和非碳质耐火材料的渗透情况,非 碳质耐火材料的渗透程度是碳质耐火材料的 10 倍 以上. 但这并不是影响渗透深度的唯一因素. 它也 可能受到耐火材料中温度梯度的影响. 当温度达到 临界温度 Tc时,其为渣的凝固温度,黏度增加,渗透 深度降低[41] . 许多学者从理论上分析了熔渣对耐火材料的渗 图 14 Al2O3在 CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄MgO 熔渣中的饱和溶解度 Fig. 14 Saturation slubility of Al2 O3 refractory in CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄 MgO slag 图 15 CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄Al2 O3 熔渣饱和溶解 MgO 前后的表面张力的 差值 Fig. 15 Variation in difference value between the surface tensions of CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄Al2 O3 slag before and after saturation dissolution of MgO refractory 图 16 CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄MgO 熔渣饱和溶解 Al2 O3 前后的表面张力的 差值 Fig. 16 Variation in difference value between the surface tension of CaO鄄鄄 SiO2 鄄鄄MgO slag before and after saturation dissolution of Al2 O3 refractory 透深度的影响,式(12) 为熔渣渗透的驱动力. Heo ·1145·