使用HT-CSLM技术对Si-Killed液态钢表面非金属颗粒的聚集行为进行原位研究

《steel research international》：Agglomeration Behavior of Nonmetallic Particles on the Surface of Si-Killed Liquid Steel Using HT-CSLM: An In Situ Investigation

本研究采用高温共聚焦激光显微术，探究了硅钢中半固态Al–silicate夹杂物在凝固过程中的行为，直接测量了粒子速度、加速度及钢/氩界面吸引力。基于Kralchevsky–Paunov模型的改进毛细作用力模型计算吸引力，与实验结果吻合。结果显示，Al–silicate夹杂物吸引力显著弱于Al–killed钢中的Al?O?/Al?O?夹杂物（10?1?~10?1? N），作用范围缩短至约34 μm，表明其聚集倾向较低。该研究揭示了不同脱Al钢种中夹杂物行为的关键差异，并验证了模型在半固态系统的适用性。

　　

摘要

尽管已有大量研究聚焦于低碳、铝脱氧（Al-killed）钢中Al₂O₃和Al₃O₃夹杂物的聚集行为，但非铝脱氧（Si- and Si/Mn-killed）钢中这些夹杂物的行为仍知之甚少——尽管它们在工业上被广泛使用，并对钢材的纯净度至关重要。本研究利用高温共聚焦扫描激光显微镜技术，研究了Si脱氧钢中半固态铝硅酸盐夹杂物的原位聚集现象。直接测量了颗粒在钢/氩气界面处的速度、加速度及相互作用力。基于Kralchevsky–Paunov框架改进的毛细作用模型被用来计算颗粒间的作用力，其结果与实验结果吻合良好。与Al₂O₃和Al₃O₃夹杂物相比，铝硅酸盐夹杂物之间的作用力显著较弱（约为10^-16至10^-15 N），且相互作用范围较短（约34 μm），这表明它们聚集的倾向较低。这些发现突显了不同类型钢材中夹杂物行为的显著差异，并验证了该模型在半固态体系中的适用性。

1 引言

为满足客户需求，生产“纯净”钢材的重要性日益增加。“纯净”钢材指的是在尺寸、成分、形状、分布和数量方面杂质和非金属夹杂物含量极低的钢材[1]。液态钢中残留的夹杂物可能会聚集形成团簇，这些团簇会阻碍熔钢流动，导致生产中断和喷嘴堵塞[2。它们还会降低钢材的机械性能，因为这些夹杂物可作为应力集中点，从而降低强度、延展性和韧性，并可能成为裂纹和断裂的起始点，最终导致钢材部件失效[3]。有效的炼钢工艺和质量控制措施对于缓解夹杂物团簇相关的问题至关重要。