电场对钢液_氧化铝夹杂物的界面能的影响研究.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()辽宁省市监督管理局科技计划项目()作者简介:王 元 浩()本 科 .通讯作者:杨 鑫 博士/讲师.电场对钢液/氧化铝夹杂物的界面能的影响研究王元浩 陈 文 薛俊海 杨 鑫(辽宁科技大学材料与冶金学院 辽宁省检验检测认证中心)摘 要 文章利用高温电润湿研究了电场电压对钢液与 夹杂物两相间的界面自由能的影响 并通过杨氏方程对实验结果进行了验证 通过高温电润湿可知 随着电压的增大 钢液与 夹杂物两相间的接触角逐渐减小 当电压增加至 时(阈值)两相间的接触角不再变化 利用高温电润湿实验得到的接触角 通过杨氏方程可证明:随电压的增大 钢液与 夹杂物两相间的界面自由能逐渐减小关键词 夹杂物 界面自由能 电场 接触角 杨氏方程文献标识码:文章编号:()().().非金属夹杂物的形态和分布控制是炼钢实践中提高钢的机械性能的关键 目前钢铁冶炼过程中主要采用渣洗、吹氩处理和钙镁处理等技术来去除夹杂物 然而这些传统工艺对去除细小夹杂物效果不甚理想 电磁净化法能够去除颗粒较小的夹杂物 但其设备复杂 成本较高 过滤法去除细小夹杂效果较好 但其成本高 且易造成过滤器堵塞 因此 亟需开发一种新技术来控制钢中夹杂物 满足工业化生产 近年来有关施加电场控制金属熔体中夹杂物的研究成为了焦点 但是关于电场的作用机理一直存在着争议 其中包括电自由能理论、电泳理论和电磁斥力理论等 笔者团队近年来一直致力于研究电场对钢中非金属夹杂物的影响 认为电场的引入影响了钢中夹杂物的形核和长大行为 冶 金 能 源 夹杂物的形核、碰撞长大以及形态分布与钢液夹杂物两相间的界面自由能有关 而关于电场作用下钢液与非金属夹杂物两相间的界面自由能的研究甚少 因此 文章着重研究了电场对钢中典型的 夹杂物与钢液界面自由能的影响 并为电场对 夹杂物的作用机理和调控技术提供一定的理论基础 界面润湿行为实验 实验原料成分及电压参数实验采用的钢样为轴承钢 其化学成分含量见表 实验采用高纯 基片进行电润湿实验 实验不同电压值对应的击穿电流如表 所示表 钢样化学元素成分含量 表 实验参数电压/电流/实验过程使用传统的座滴法来研究钢液与 夹杂物之间的电润湿现象 实验装置如图 所示 将轴承钢样品利用线切割法切成方块状()并打磨抛光 将纯度为 的材料制成圆薄片(直径 厚度)打磨抛光后用酒精清洗干净 实验采用上下方式通电 上电极材料为高纯钨丝 下电极材料为高纯石墨片实验过程:将钢样和 基片放置于炉膛内 在高纯 ()保护下 将润湿管式炉升温至 并恒温 待钢样完全熔化后 记录未通电时的钢液与 圆片间的润湿行为 将上下电极放入固液体系 并保持整个润湿过程电极材料与固液体系密切接触 向固液体系施加预定好的电场强度 并利用高清摄影仪记录电润湿过程 最后通过计算软件和图像处理确定固液两相间的接触角数据变化图 高温电润湿实验装置 界面电润湿行为实验结果与讨论固固、固液及液液两相间的界面作用行为与两相间的润湿性密切相关 通常可以通过测定两相间的接触角来表征两相间的界面润湿性 通过轴承钢熔体与 基片宏观电润湿形貌和接触角来讨论两相间的界面润湿性 界面电润湿行为实验结果电场作用下 轴承钢 熔体与 材料基片间的电润湿行为变化的宏观形貌如图 所示 当无电场作用时 钢熔体以近似球形铺展在材料基片上 随着电场强度增加 钢熔体逐渐在 材料基片铺展开来 即两相间的接触角逐渐变小图 钢熔体与高纯材料间的电润湿行为利用轴对称液滴形状分析软件测得接触角并取平均值 实验数据如图 所示随着电压的增大 体系的接触角逐渐减小电压由 增大到 时 接触角由 减小到 这表明电场对钢液与夹杂物体系之间润湿性有很大影响 电压达到 之后 接触角大小几乎不变 说明接触角已达到一个阈值 界面张力计算与讨论冶 金 能 源 图 钢液体系接触角随电压的变化曲线 固相氧化物的表面张力可由热力学手册查阅 的表面张力与温度的关系如公式()所示 ()/通过经典的杨氏方程()可推导出固液界面张力与固相张力存在以下关系:()()()式中:为接触角 为固体表面张力 为固液间界面张力将所测得接触角以及 的表面张力依次代入式()得到不同电压值下钢液与 的界面张力值 结果如图 所示图 界面张力与电压的关系随着电压的不断增大 夹杂物与钢液体系界面张力不断降低 即电场可以显著降低钢液与夹杂物体系间的界面自由能 当电压值增加至 时 体系界面张力不再发生变化 明确电场对固体夹杂物液态金属两相间的界面自由能的影响 可为电场控制钢中非金属夹杂物的性能和行为提供基础理论 对高品质洁净钢冶炼工艺具有重大意义 结论()通过高温电润湿可知 随着电压的增大 钢液与 夹杂物两相间的接触角逐渐减小 当电压增大至 时(阈值)两相间的接触角不再变化()利用高温电润湿实验得到的接触角通过杨氏方程可证明:随着电压的增大 钢液与夹杂物两相间的界面自由能逐渐减小参考文献 .(.):王举 李阳 姜周华 等 不锈钢生产过程夹杂物转变机理.钢铁 ():吕明 刘坤龙 高郅喆 等 钢夹杂物特征及控制工艺优化.钢铁 ():王野光 刘承军 邱吉雨 铝对稀土耐热钢中非金属夹杂物的影响.钢铁 ():马帅 李阳 姜周华 等 对 不锈轴承钢夹杂 物 演 变 的 影 响 .中 国 冶 金 ():胡锦榛 任英 张继 等 夹杂物诱发钢材点蚀综述.中国冶金 ():.():.:(下转第 页)冶 金 能 源 ()原位合成的 致密层可以有效地提高试样的抗渣性 但是过多的 带来的体积膨胀会降低试样的致密程度 降低试样的抗渣性 当煅烧温度为 锆钙合量为时 试样的抗渣性最优参考文献 聂建华 王继宝 曹锟 等 镁锆质耐火材料的性能研究.武汉科技大学学报 ():郭玉香 栾舰 田凤仁 锆英石对镁砂烧结性及其制品性能的影响.耐火材料 ():朱伯铨 李楠 甘菲芳 等 电熔镁锆合成料的组成对显微结 构 和 性 能 的 影 响 .耐 火 材 料 ():涂军波 张文杰 汪厚植 等 烧结合成镁锆熟料的研究.耐火材料 ():.():.():王健东 葛昌纯 沈卫平 脱硅氧化锆对 材 料 性 能 的 影 响 .冶 金 能 源 ():潘波 王健东 孙加林 等 电熔镁钙砂的加入方式对 砖抗渣性能的影响.冶金能源 ():潘波 尹国祥 王健东 等 低钙电熔镁钙砂与高钙烧结镁钙砂制备的 砖抗渣性对比.耐火材料 ():陈树江 李国华 刘艳 等 炉用高钙镁钙砖研究.冶金能源 ():李纪伟 周宁生 白宏宇 等 含量对镁锆不烧砖性能的影响.耐火材料 ():陈肇友 李红霞 镁资源的综合利用及镁质耐火材料的发展.耐火材料 ():张芸 添加剂对烧成镁钙砖烧结性能的影响.冶金能源 ():杜涛 于绍文 孟洪君 耐火材料的发展趋势和新技术.冶金能源 ():王来稳 杨彬 张立明 和结合剂对烧成镁钙砖烧结性能的影响.冶金能源 ():万 雪编辑(上接第 页).:.:.():刘朝阳 于景坤 袁磊 等 外加电流对钢中夹杂物影响的研究进展.中国冶金 ():张邦文 任忠鸣 邓康 等 直流电对金属液电磁净化的影响.计算物理():张邦文 任忠鸣 钟云波 等 金属液单电流电磁净化的理论分析.包头钢铁学院学报():.().:赵 艳编辑 冶 金 能 源