高 茗， 劉 陽， 余 闞， 劉 強， 張延玲

（1.北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100089；2.中冶檢測認證有限公司，北京 100088）

0 引 言

在鋼鐵冶金、材料制造等領域的很多現(xiàn)象都與材料的高溫界面潤濕行為相關，這對整個流程的解析十分重要。但是，由于上述行為在高溫下發(fā)生，無法直接觀察，獲得材料高溫潤濕特性的精確值存在一定難度。

探究材料的高溫界面潤濕行為是實現(xiàn)整個工藝流程控制和預測的重要手段。在鋼鐵冶金領域，脫氧時氧化物夾雜的團聚［1-2］、水口堵塞［3-4］、連鑄凝固過程中的形核結晶［5］等多個過程均受到高溫熔體—固體氧化物之間潤濕行為的影響。此外，鋼液對爐襯的侵蝕［6-7］、渣中夾雜物的溶解［8-9］、熔渣對爐襯的侵蝕［10-11］也受到界面潤濕的影響，高溫熔體與氧化物之間的接觸角是其關鍵基礎參數(shù)之一。在材料制造領域，熔融鐵合金-陶瓷（氧化物、碳化物、氮化物）界面黏附功及金屬-陶瓷結合的強度的研究與材料的高溫行為息息相關［12］。由此可見，探究鋼鐵冶金、材料制造等領域的各工藝流程，有必要獲得高溫熔體—氧化物之間的接觸角，精確解析材料的高溫行為特性。

作為定量表征界面潤濕性的重要參數(shù)，接觸角的準確測量已成為研究潤濕性的關鍵［13］。接觸角測量實驗通常采用靜滴法［14］，并設計了專用的接觸角測量裝置，由于接觸角不僅受溫度的影響，還受到鋼液成分、夾雜物成分等諸多因素的影響，因此，現(xiàn)有高溫接觸角測量裝置存在一定局限性，裝置僅配備了氧化鋁基片，僅能測量高溫熔體—氧化鋁間的接觸角。

基于此，本文自制Al-Si-Ca-O 類、Al-Ca-O 類復雜氧化物基片，設計一系列鋼液—復雜氧化物接觸角的測量實驗，統(tǒng)計并獲得不同溫度下鋼液與復雜氧化物的接觸角，分析鋼液與不同類型氧化物的高溫潤濕特性，將鋼液-氧化物在高溫下的熔化過程及潤濕行為可視化，從而提出一種高溫熔體—復雜氧化接觸角的測量方式。

1 實驗方案設計

1.1 鋼液—自制氧化物基片接觸角測量實驗設計

（1）測試方法。圖1 所示為一種帶接觸角測量功能的高溫顯微鏡［15］，設定實驗溫度為1 500、1 520 ℃，實驗的溫度加載曲線如圖2 所示。每組實驗進行2次，若2 組結果的差值在3°以內(nèi)，則可以將2 組結果的平均值作為該條件下所得接觸角；否則，將進行重復實驗，直至相鄰2 組實驗接觸角的差值在3°以內(nèi)。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 實驗溫度加載曲線及接觸角示意圖

設定拍照頻率為5 張／s，記錄鋼液在自制氧化物基片上隨溫度的變化情況，并將保溫1 min 后統(tǒng)計所得接觸角的平均值作為最終實驗結果。實驗數(shù)據(jù)用SCA20_Demo軟件對熔融金屬與復雜氧化物之間的接觸角進行處理［16］。

（2）測試操作流程。實驗前對金屬鋼樣進行預處理，將鋼樣切割成?3 mm、高3 mm 的小圓柱，并打磨干凈以備用。自制復雜氧化物基片為?20 mm、高3 mm的圓片，置于50 mm ×15 mm ×2 mm 的Al2O3基片上。將實驗用金屬塊置于自制氧化物基片的中心，連同Al2O3基片放在腔體內(nèi)的支撐桿上，調(diào)整測溫熱電偶感應片的位置，在抽真空、通氬氣，開啟循環(huán)水冷卻系統(tǒng)后進行實驗。依據(jù)如圖2（a）所示溫度加載曲線，以300 ℃／min加熱至1 400 ℃，之后以100 ℃／min加熱至實驗溫度（1 500／1 520 ℃）并保溫120 s，保溫結束后以300 ℃／min降溫至室溫，取出試樣。

1.2 實驗材料

實驗用熔融金屬為含5 %（Cr）的軋輥鋼，其化學成分分別為0.551%（C）、0.503%（Si）、0.565%（Mn）、0.012 9%（P）、0.000 7%（S）、0.430%（Ni）、5.350%（Cr）、0.532%（Mo）、0.112%（V）、0.014 8%（Al）。試劑為分析純Al2O3、CaO、SiO2，依據(jù)摩爾比配制實驗用Al-Si-Ca-O 類、Al-Ca-O 類氧化物基片，其中CaO在馬弗爐中烘烤后置于干燥皿中以免受潮。燒制的氧化物類型為：鈣長石CaO·Al2O3·2SiO2、鈣黃長石2CaO·Al2O3·SiO2、鋁酸鈣CaO·2Al2O3，復雜氧化物基片的制備在1.3 節(jié)詳細介紹。

1.3 復雜氧化物基片的制備方法

采用分析純試劑配制實驗用Al-Si-Ca-O和Al-Ca-O類氧化物基片，分別為鈣黃長石（2CaO·Al2O3·SiO2）、鈣長石（CaO·Al2O3·2SiO2）、鋁酸鈣（CaO·2Al2O3）。在豎爐內(nèi)升溫至1 600 ℃后保溫2 h，降溫至燒結溫度保溫2 h，隨爐冷卻，取出后用研磨機粉碎制備成74 μm（200 目）的粉末，并利用SMARTLAB（9）型X 射線衍射儀（X-ray Diffraction，XRD）確定粉末成分組成；利用紅外壓片模具在20 MPa下將粉末壓成直徑20 mm的圓片，并置于箱式馬弗爐內(nèi)以一定的溫度制度燒結制備成固體基片，進一步利用XRD確定固體基片組成。具體制備過程如圖3 所示。

圖3 氧化物基片的制備流程

2 實驗結果及討論

2.1 復雜氧化物基片的成分測定

圖4 所示為針對復雜氧化物基片制備實驗獲得的氧化物粉末、固體氧化物基片，分別用XRD 進行成分測定，確定其成分組成是否完全為初始配制氧化物鈣黃長石（2CaO·Al2O3·SiO2）、鈣長石（CaO·Al2O3·2SiO2）、鋁酸鈣（CaO·2Al2O3）。具體流程如下：①將氧化物粉末研磨成74 μm（200 目），進行XRD成分測定，如圖4 黑色線，測試結果表明所得3 種氧化物粉末的衍射線與標準衍射峰一致，可進一步用于氧化物基片的制備；②利用箱式爐燒制固體氧化物基片，如圖5所示為燒制所得3 種固體氧化物基片，將其進一步進行XRD成分測定，結果如圖4 中的所示紅色線，3 種固體氧化物基片的衍射線與標準衍射峰一致，可用于后期接觸角的測量。

圖4 3種氧化物的XRD圖

2.2 鋼液—復雜氧化物接觸角的測量

（1）鋼液—復雜氧化物接觸角宏觀觀察。圖6 所示為鋼液—復雜氧化物接觸角測量實驗在1 500、1 520 ℃時所測得的接觸角，分別為鋼液—（2CaO·Al2O3·SiO2）、鋼液—（CaO·Al2O3·2SiO2）、鋼液—（CaO·2Al2O3），每幅圖右上角為實驗冷卻后取出的鋼珠—氧化物基片。宏觀觀察結果表明鋼液與氧化物基片的接觸角隨溫度升高而減小，且鋼液與不同類型氧化物在高溫下的界面反應不同。鋼液與鈣長石（CaO·Al2O3·2SiO2）發(fā)生了反應［見圖6（b）］，并已經(jīng)滲透到基片底部，故實驗冷卻后取出的基片表現(xiàn)出鋼液侵蝕了基片并穿透至底部，而鈣黃長石（2CaO·Al2O3·SiO2）、鋁酸鈣（CaO·2Al2O3）在高溫下未與鋼液發(fā)生反應［見圖6（a）、（c）］，冷卻后可以從基片上取下完整的鋼珠。

圖6 1 500、1 520 ℃下鋼液分別與3種氧化物接觸角的測量

（2）鋼液與3 種氧化物接觸角測量結果分析。對1 500、1 520 ℃時鋼液—氧化物的接觸角進行了統(tǒng)計分析。其中，由于高溫時鋼液與鈣長石（CaO·Al2O3·2SiO2）發(fā)生了反應，鋼液滲透到基片底部，無法獲得此時鋼液—CaO·Al2O3·2SiO2接觸角的精確測量值［見圖6（b）］，僅統(tǒng)計約1 490 ℃時的接觸角。圖7 所示為3 種氧化物接觸角的統(tǒng)計結果：1 500 ℃時鋼液與CaO·Al2O3·2SiO2、2CaO·Al2O3·SiO2、CaO·2Al2O3的接觸角分別為110°、117.9°、127.7°；1 520℃時分別為110°、115°、123.4°。即鋼液與3 類夾雜物的接觸角為：鋼液—（CaO·Al2O3·2SiO2）＜鋼液—（2CaO·Al2O3·SiO2）＜鋼液—（CaO·2Al2O3）的趨勢。由此可見，Al-Si-Ca-O 類氧化物與鋼液的潤濕性最好。

圖7 鋼液與3種氧化物接觸角的統(tǒng)計結果

冶煉過程中夾雜物的類型大多為復合夾雜物，鋼液—復雜氧化物之間接觸角的測量方式的設計與開發(fā)，對于研究鋼液與夾雜物的潤濕行為，并進一步分析鋼中夾雜物團聚、上浮、大尺寸夾雜物的形成等過程十分關鍵，該測量方式的開發(fā)為上述研究提供了基礎實驗方法。

2.3 高溫熔體—復雜氧化物接觸角測量方式的優(yōu)化及其應用

本文設計高溫熔體—復雜氧化物接觸角測量實驗的鋼液，進一步可擴展至高溫液態(tài)形式存在的任何熔體，如鐵液、金屬／合金液、熔渣等等。復雜氧化物基片不局限于該實驗制備的Al-Si-Ca-O型、Al- Ca-O型，也可為任何能夠經(jīng)過燒結制備成固態(tài)的氧化物，如Al-Mg-O型、Al-Si-Mg／Ca-O型等。為此，本文提出了高溫熔體—復雜氧化物接觸角的測量方式，如圖8 所示。

圖8 高溫熔體—復雜氧化物接觸角測量方式示意圖

該測量方式可以應用于鋼鐵冶金、材料化工等多個領域。例如：鋼液—復雜氧化物接觸角的測量可以用于煉鋼過程中夾雜物的聚集、碰撞、長大和上浮研究；連鑄凝固過程中形核結晶等多個過程的分析；熔渣—復雜氧化物接觸角的測量能夠指導渣鋼界面夾雜物的上浮、渣中夾雜物的溶解研究；熔融鐵合金-陶瓷（氧化物、碳化物、氮化物）之間接觸角的測量可以提供分析二者界面黏附功的重要技術參數(shù)。

3 結 語

本文設計的高溫熔體—復雜氧化物接觸角測量實驗，通過自制復雜氧化物基片，獲得不同溫度下鋼液與復雜氧化物的接觸角，并分析鋼液與不同類型氧化物的高溫潤濕特性，結果表明：

（1）自制CaO·Al2O3·2SiO2、2CaO·Al2O3·SiO2、CaO·2Al2O33 類復雜氧化物基片，所設計的復雜氧化物基片制備方案可用于任何能夠經(jīng)過燒結制備成固態(tài)的氧化物。

（2）鋼液與3 類氧化物的接觸角表現(xiàn)為：鋼液—（CaO·Al2O3·2SiO2） ＜鋼液—（2CaO·Al2O3·SiO2）＜鋼液—（CaO·2Al2O3），即Al-Si-Ca-O 類氧化物與鋼液的潤濕性最好。

（3）設計的鋼液—復雜氧化物基片接觸角測量實驗，改變了現(xiàn)有接觸角測量裝置只能測量高溫熔體與氧化鋁接觸角的局限，改進并完善了設備功能，同時為解析鋼鐵冶金、材料制造等領域材料的高溫行為提供理論指導。