01
前言
在高洁净度钢的生产过程中，采用含CaO的炉渣从钢水中去除硫、磷等杂质。氢、氮、氧等气体成分则通过添加高亲和力元素或利用脱气装置予以去除。在这些工艺过程中，会生成非金属夹杂物（以下简称“夹杂物”），例如氧化物和硫化物。部分夹杂物会残留在金属基体中，进而导致表面或内部出现缺陷。促进夹杂物的聚集与结合，有助于夹杂物的粗化，进而有利于夹杂物从钢水中分离并上浮去除。一般而言，可从夹杂物与钢液界面性质的角度，来理解夹杂物在钢液中的行为。
已知CaS会与各种氧化物共同影响夹杂物在钢液中的行为，故而它也被视作炼钢过程中需要管控的对象。例如，Ca处理法被广泛用于将固体夹杂物转化为液态的CaO-Al2O3夹杂物，以此解决连铸浸入式水口堵塞问题。在夹杂物的转变进程中，于液态CaO-Al2O3相形成之前，会先形成瞬态的CaS相。就炼钢过程中的夹杂物形成行为而言，已存在的夹杂物会与钢液中的硫发生反应，进而形成CaS相。这些事实表明，在精炼过程中，CaS相会对钢液中的夹杂物行为产生影响。
关于CaS与钢液的界面性质，Staronka和Gotas报道称CaS与钢液的接触角为87°，这意味着CaS与钢液间具有较高的润湿性。自该观点被报道以来，CaS与钢液间的润湿性尚未得到进一步研究或报道。然而，Yoshikawa等人报道称，CaO在含Al-S的钢液中呈现非湿润状态，所形成的CaS相使CaO的润湿性变差。这表明CaS的润湿性比CaO要差。因此，对于CaS的润湿性能，目前尚未形成一致认识，这给探讨钢液中CaS夹杂物的行为带来了困难。本研究旨在通过液滴法评估CaS与钢液之间的润湿性，从而精准了解CaS的界面性质。
02
试验
2.1试样
表1展示了本研究中所使用钢试样的化学成分。前人试验中钢试样的化学成分同样列于该表之中。试验前，使用稀盐酸冲洗试样，以去除其表面的氧化层。以CaS粉末（纯度≥99%）作为原料，在1573K、60MPa的条件下持续10min，用火花等离子烧结（SPS）法制备CaS基底（φ30mm×t2mm）。该基底的相对密度约为98%，其余2%为闭口孔，其密度是参考理论密度，采用阿基米德法测得。
图1呈现的是烧结后CaS基底粉末的XRD分析结果，该结果证实此基底由单相CaS构成。分析条件如下：采用XRDynamic500设备，其配备Co-Ka辐射源以及Pixos2000能量色散探测器，工作条件设定为40kV、40mA以用于产生X射线。在20°至40°的2θ范围内记录PXRD剖面，步长为0.005°，每增量计数时间为60s。利用ICDD数据库（PDF-4+2023版本）对所收集的PXRD剖面进行相识别。
采用SiC防水砂纸（#1200和#2000）和含1μm金刚石膏的振动抛光器对CaS衬底进行抛光，然后在丙酮浴中用超声波清洗机清洗。
2.2润湿测试
图2展示了超高温湿法炉（ultra-high-temperaturewettingfurnace）的示意图。将基底水平置于样品台上，在基底上方放置一个装有铁样品（约2g）的氧化铝坩埚。
将炉膛从环境大气中抽离至50Pa的高真空度，随后充入压力高达1atm的氩气。这一过程重复了三次。氩气经过硅胶和P2O5试剂以去除其中的H2O，之后进入炉膛。在另一个试验中，于相同条件下，使用ZrO2氧传感器测量氩气中的氧分压，结果为10-22Pa。加热速率设定为15K/min，氩气流速为0.2L/min，加热至1873K。
图3展示了钢液落在基底前后的示意图。借助一根氧化铝推杆将钢液从坩埚中推出，随后钢液落在基底上。利用数码相机对钢液滴进行图像采集，并对采集到的图像运用曲线拟合的方法来测量接触角。
03
结果与讨论
3.1CaS与钢液的接触角
熔融钢液在CaS基底上的静滴图像显示，在整个试验进程中，钢液表面始终维持反射功能，看似未发生氧化现象。显然，接触角大于90°。也就是说，CaS不会被钢液浸润。运用曲线拟合法测定接触角为118°。
3.2与以往试验条件和结果的比较
尽管先前的研究认为CaS的润湿性极佳，但目前已证实CaS的润湿性实则为“差”。为作比较，本研究的试验条件与Staronka和Gotas的试验条件列于表2。CaS接触角的测量方法一致，但基底制作方法、气氛和温度等试验条件则有所不同。
在先前的研究中，CaS基底是通过在液压机中压实粉末，随后在Ar气氛下烧结8h制备而成。可以推测，在长时间的烧结过程中，CaS粉末或许与大气中的某些元素发生了反应，这可能致使CaS的成分出现了改变。
本研究采用SPS法制备CaS基底，因而能够在密闭气氛下于极短时间内完成烧结。此外，氧分压被确认为控制在10-22Pa的低水平。这些试验条件避免了CaS成分的改变，如图1所示的XRD图可证实这一点。
同时，在整个试验过程中对钢液的反射面进行了观察，结果表明试验过程中钢液的氧化得到了抑制。因此，本研究中测量CaS接触角的试验条件应是相当适宜的，这能够佐证所获得的CaS润湿性较差这一发现的有效性。
截至目前，已有大量研究表明，夹杂物与钢液的界面性质，即接触角，对其渗透、上浮和去除等行为具有重要意义。关于夹杂物在钢液中的可去除性，以往研究的共同结论是，90°的接触角是夹杂物能否顺利去除的临界阈值。从这一角度而言，本研究的结果与之前的结果相反，CaS的润湿性为“差”（＞90°）。这一发现将有助于进一步了解钢水精炼过程中钢液夹杂物的行为。
04
结论
在1873K的温度条件下，采用液滴法对CaS与钢液间的润湿性进行了测定。结果显示，CaS与钢液的接触角为118°。相较于以往的研究成果，CaS的润湿性欠佳。这一发现有利于更深入地了解夹杂物在精炼过程中的行为。
