隨著連鑄理論與技術(shù)的發(fā)展，連鑄坯質(zhì)量不斷提高，在實際生產(chǎn)中，連鑄坯表面與皮下缺陷仍然是制約成品質(zhì)量、成材率及企業(yè)經(jīng)濟效益的重要因素之一。這些缺陷與連鑄結(jié)晶器內(nèi)彎月面的形狀及其初始凝固行為密切相關(guān)。彎月面形狀決定于渣鋼界面張力，渣鋼界面張力決定于渣鋼兩相成分與溫度。結(jié)晶器具有強大的冷卻能力，在彎月面上必然存在一個跨越固液相線溫度的連續(xù)溫度梯度，這個溫度梯度的存在將對彎月面形狀和鋼水的溢流行為產(chǎn)生影響。

本課題聚焦于連鑄結(jié)晶器彎月面區(qū)域，考察了變溫過程渣鋼兩相表面張力和界面張力的演變行為，揭示了渣鋼表面張力的演變機制，并以此為基礎(chǔ)探討了鋼液溢流行為以及與振痕產(chǎn)生的關(guān)系，研究結(jié)果對于解析結(jié)晶器內(nèi)鋼液的初始凝固行為，指導(dǎo)連鑄生產(chǎn)實踐具有重要的意義。為提高鋼液表面張力測定精度與效率，根據(jù)靜滴法表面張力測定原理，開發(fā)了利用曲線擬合方法求解液滴表面張力的計算程序。該程序包括液滴圖像數(shù)據(jù)提取，目標函數(shù)構(gòu)造、變量參數(shù)選取，數(shù)值方程建立以及求解等步驟，最終可擬合出一條理想液滴邊緣輪廓曲線，使目標函數(shù)值最小，并以此計算出表面張力。

實驗驗證結(jié)果表明，所開發(fā)的程序運行穩(wěn)定可靠，計算效率高，為后續(xù)鋼液表面張力測定打下了良好基礎(chǔ)。利用所開發(fā)的表面張力計算程序，結(jié)合熱力學(xué)分析，考察了連續(xù)降溫過程Fe-C-S系鋼液表面張力的演變行為及其影響機制。結(jié)果表明，在液相區(qū)內(nèi)，鋼液表面張力隨著溫度降低而持續(xù)降低；在固液兩相區(qū)，鋼液表面張力的演變行為存在顯著差異:當碳質(zhì)量分數(shù)較高(0.39%和0.95%)時，鋼的固液兩相區(qū)溫度范圍較寬，C和S在凝固過程中有充分的時間析出，液相中溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨著溫度的降低而升高，進而導(dǎo)致鋼液表面張力顯著降低；當碳質(zhì)量分數(shù)較低(0.0021%、0.063%和0.148%)時，鋼的固液兩相區(qū)寬度較窄，凝固時間較短，C和S在凝固過程中沒有充分的時間析張力的降低趨勢。另外，還考察了鋼中非金屬夾雜物對出或析出量較少，對液相表面張力沒有體現(xiàn)出顯著的影響；隨著鋼中硫質(zhì)量分數(shù)的升高，凝固過程S偏析對鋼液表面張力的降低效應(yīng)逐漸減弱；包晶反應(yīng)可通過影響鋼液降溫過程而減緩表面鋼液表面張力的影響，結(jié)果表明，非金屬夾雜物在鋼液表面的浮出過程可降低鋼液的表面張力，隨著鋁脫氧后靜置時間的延長，鋼水潔凈度逐漸提高，鋼液表面張力逐漸升高并趨于穩(wěn)定。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中結(jié)晶器保護渣成分，采用拉筒法測定了CaO-SiO2-Na2O-CaF2系熔渣的表面張力，并考察了溫度的影響。

結(jié)果表明，熔渣表面張力隨著溫度的升高而降低；在較低溫度范圍內(nèi)(1350～1410℃)，堿度較高(1.03和1.16)的熔渣表面張力受溫度的影響較大，而堿度較低(0.67和0.85)的熔渣表面張力受溫度的影響較小；在較高溫度范圍內(nèi)(1410～1580℃)，熔渣表面張力的降低趨勢趨于平緩。為揭示熔渣表面張力隨溫度變化的微觀本質(zhì)，對熔渣結(jié)構(gòu)進行了測定分析。

結(jié)果表明，表面張力的演變與熔體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變具有顯著的一致性，當堿度較低(0.67和0.85)時，熔體的聚合程度較高，溫度對熔渣結(jié)構(gòu)的影響較小；當堿度較高(1.03和1.16)時，溫度對熔渣結(jié)構(gòu)的影響顯著，隨著溫度的升高，熔體聚合程度迅速降低，熔渣內(nèi)陰離子團的平均半徑減小，分子熱運動增強，分子間相互作用力降低，最終導(dǎo)致熔渣表面張力降低。根據(jù)鋼液和熔渣表面張力測定結(jié)果，計算獲得了連續(xù)降溫過程渣鋼界面張力的演變行為，并構(gòu)建了基于變溫過程的彎月面形狀方程。

結(jié)果表明，連續(xù)降溫過程鋼液表面張力的突變決定了渣鋼界面張力的變化趨勢，進而決定了彎月面形狀的非連續(xù)性。當固液兩相區(qū)溫度區(qū)間足夠?qū)挄r，該區(qū)間內(nèi)彎月面趨向于向結(jié)晶器壁靠攏，具有了發(fā)生鋼水溢流的趨勢。結(jié)合結(jié)晶器內(nèi)彎月面實際凝固過程分析表明，鋼液成分所決定的界面張力大小與凝固區(qū)間寬度共同決定了鋼液的溢流方式以及振痕的種類。對于以IF鋼為代表的超低碳鋼，界面張力大，固液兩相區(qū)間小，彎月面凝固距離長，在一定過冷度條件下，溢流發(fā)生晚，易形成周期性的覆蓋形式振痕；對于類似于中碳含硫鋼，固液兩相區(qū)間很寬，界面張力有較為明顯的降低，彎月面可形成一定長度的凝固距離，可較早發(fā)生溢流行為，易形成周期性的不具有顯著覆蓋形式的凹狀振痕；對于類似于軸承鋼的高碳鋼，固液兩相區(qū)間很寬，固液兩相區(qū)界面張力更低，彎月面更加靠近結(jié)晶器壁，表現(xiàn)為沒有顯著的鋼液溢流行為，以致形成沒有明顯周期性的不具有覆蓋形式的鉤狀振痕。