技术领域
[0001] 本
发明公开一种准确测量熔渣与涂层材料界面
润湿性的方法，属于
冶金渣的综合利用技术领域；涉及一种表征冶金熔渣润湿能
力的方法。
背景技术
[0002] 润湿角是熔渣对固体材料的润湿性能的量度。当润湿角小于90°时，熔渣对固体的润湿性能好；当润湿角大于90°时，熔渣对固体的润湿性能差。在极端情况下，当润湿角为0°时，固体被熔渣完全润湿，二者不易分离；而当润湿角为180°时，固体则完全不被熔渣润湿。显然，熔渣与固体材料间的界面
张力越小，润湿角也越小，熔渣对固体的润湿性越好。反之亦然。
[0003] 冶金中经常遇到熔体与固体材料相
接触的情形，如金属熔体、熔锍、熔渣或熔盐与炉衬或
电极材料间的接触等。以
铝电解为例，
电解质对
碳素材料的润湿性能对电解过程本身和
电解槽的寿命都有很大影响。电解质的润湿性能太好，会
加速电解质对电解槽
内衬和槽底的渗透与侵蚀，造成电解槽过早的破损；润湿性能太差，又容易发生
阳极效应，导致槽
电压急剧上升、
电能消耗增加等。再以
连铸保护渣为例，保护渣具有吸收夹杂物的重要功能，研究表明在1550℃条件下TiN夹杂物与某
钢液的润湿角为109.8°，与某保护渣的润湿角仅为25.6°，这表明TiN与该保护渣具有很好的润湿性，有利于该保护渣从钢液中吸收TiN夹杂物；此外，研究表明某保护渣对TiO2和TiN夹杂物的
溶解度不同，这表明相同保护渣对不同夹杂物的润湿性不同，而导致对不同夹杂物的吸收能力不同。所以，对熔融保护渣与不同界面润湿性能的表征就显得尤为重要。
[0004] 润湿角以往主要是根据经验公式或建立体系利用Young-Dupre方程进行计算，但熔渣是一种多种物质所组成的复杂化合物，含量难以严格测定，润湿性能也与各操作参数有关，利用方程进行计算出的润湿角是理想状态下的数值，难以准确描述实际状况下该熔渣的润湿角，存在较大的误差，借鉴参考的意义并不大，可信度是较低的。熔渣需要在高温下
熔化，同样润湿角需要在高温下进行测量，同样带来了一定程度上的操作难度。
[0005] 本课题组在测量保护渣熔渣界面润湿性上有一些前期探索研究，如吕培生2018年在JOM期刊发表的《High-Temperature Properties of Mold Flux Observedand Measured In Situ by Single/Double Hot-ThermocoupleTechnique》一文中就公开了用单丝U型热电偶技术研究保护渣润湿性的结果。其研究方法，首先是用裸铂铑丝热电偶圆弧处取大约50mg粉末保护渣；接着，以15℃/s的升温速率将热电偶升至1500℃熔化保护渣，由于液渣具有一定的扩张，圆弧处液渣会有一部分扩张至热电偶其他部位处形成半椭圆状液珠；最后，利用本课题组已有的
软件对半椭圆状液珠进行拟合，并得出液渣与热电偶间的润湿角，而表征保护渣的界面润湿性。随后，重庆大学王哲等人也仿照本课题组用U型单丝热电偶技术研究保护渣润湿性的方法，也基于熔渣表面张力扩张而展开的研究，并在2019年TMS年会中发表的会议论文《A Novel Method of Surface Tension Test for Melt Slags Based on Hot Thermocouple Technique》中公开了其研究结果。根据其描述，其研究方法是在空气气氛下，将热电偶
温度升至1500℃并保持该温度；在热电偶上的样品熔化形成的半椭圆形液珠并保存液珠的
中轴与观测面平行；接着，利用Image J软件拟合液珠形状并得出润湿角大小；最后，将润湿角与文献中相关各物质的界面因子参数代入杨氏方程中计算出液珠与热电偶间的界面张力大小。但随着研究的进一步深入，发现上述方法存在随机性；而且测量的结果得不到有效的验证以及校准。
[0006] 本发明内容
[0007] 本发明在原有的探索技术的
基础上，为了解决上述方法存在随机性；而且测量的结果得不到有效的验证以及校准等不足，提出了一种测量熔渣与涂层材料界面润湿性的方法。
[0008] 本发明一种用直型热电偶准确测量熔渣界面润湿角的方法，所述方法为：采用直型单丝热电偶，将直型单丝热电偶加热后，将直型单丝热电偶的A部与待测渣料接触沾取足量的粉渣，横向放置热电偶；然后升温至粉渣熔化；保温3-5分钟后，由于熔渣的界面张力的存在，熔渣会在直型热电偶上形成椭圆状的液珠，利用高清DV拍摄熔渣形成液珠的形状，保存熔渣画面；将截取的熔渣液珠画面通过软件对图片进行处理，使拟合曲线与画面中熔体液珠的椭圆相切；拟合完成，从参数对话框中读取熔体液珠形成的润湿角；所述直型单丝热电偶的A部为除端部以外的任何部位；
[0009] 定义：以直型单丝热电偶为分界线，将同一椭圆状的液珠分为上端液珠和下端液珠；在同一熔渣画面存在4个润湿角，其中上端液珠与直型单丝热电偶的接触面上有2个润湿角，下端液珠与直型单丝热电偶的接触面上也有2个润湿角；对比上端液珠、下端液珠与直型单丝热电偶的接触面上的润湿角，当所得润湿角的误差大于5％；则判定所得结果为无效结果；当所得润湿角的误差小于等于10％，则判定所得结果为有效结果。所述误差的计算方式为：定义同一椭圆状的液珠的上端液珠、下端液珠与直型单丝热电偶的接触面上的润湿角的最大值为B，所述误差＝|上端液珠与直型单丝热电偶的接触面上的润湿角-下端液珠与直型单丝热电偶的接触面上的润湿角|/B*100％。
[0010] 本发明一种用直型热电偶准确测量熔渣界面润湿角的方法，所述直型单丝热电偶为直型铂铑丝热电偶或带有涂层的直型铂铑丝热电偶；所述涂层选自陶瓷涂层、金属涂层、陶瓷金属涂层中的一种，所述涂层的熔化温度大于待测渣料的熔化温度，且在测量过程中，不熔化。
[0011] 本发明一种用直型热电偶准确测量熔渣界面润湿角的方法，将直型单丝热电偶加热至600-700℃，将直型单丝热电偶的A部与待测渣料接触，控制每个接触点粘取大于等于5mg、优先为5～10mg粉渣，然后升温至粉渣熔化。
[0012] 作为优选方案，直型单丝热电偶上，至少设有2个接触点。
[0013] 作为进一步的优选方案，直型单丝热电偶上，至少有2个接触点粘取的渣量不相等。每个接触点上所取渣样不能完全铺展，需集中在直型热电偶长度方向的0.5cm范围内。
[0014] 本发明一种用直型热电偶准确测量熔渣界面润湿角的方法，以10-20℃/s的升温速率将直型单丝热电偶加热至600-700℃。
[0015] 本发明一种用直型热电偶准确测量熔渣界面润湿角的方法，将直型单丝热电偶的A部与待测渣料接触沾取足量的粉渣，然后以5-10℃/s的升温速率继续加热升温至粉渣熔化。
[0016] 本发明一种用直型热电偶准确测量熔渣界面润湿角的方法，整个渣的熔化过程与界面润湿角的形成过程控制气氛；所述气氛选自空气气氛、还原性气氛、保护气氛中的一种，当采用保护气氛时，控住保护气体的流量为200～300mL/min。所述保护性气氛选自氮气、氩气中的至少一种，所述还原性气氛选自
一氧化碳、氢气中的至少一种。
[0017] 本发明一种用直型热电偶准确测量熔渣界面润湿角的方法，将截取的熔渣液珠画面通过软件对图片进行处理，使拟合曲线与画面中熔体液珠的椭圆相切的操作为：在软件的Image-Type模式中选择“16-bit或8-bit”，使图片调整为在该软件下可处理的格式；接着，在Adjust-Auto Threshold-Method模式下选择Li，使画面中熔渣液珠呈白色、背景呈黑色；在Plugins-Drop-analysis-LB-ADSA功能调出润湿角拟合操作对话框，调整拟合的各项参数，使拟合曲线与画面中熔体液珠的椭圆相切；所述软件为Image J软件。
[0018] 本发明巧妙的采用直型热电偶，解决了
现有技术中存在随机性的问题。同时通过将扩散所得半椭圆液滴改进成
直接熔化所得椭圆液滴，并通过上下端液珠的对比形成自动校准和验证，有效的保证了数据的可靠性，同时，采用本发明所设计的技术，可以在一根直型热电偶，设置多个接触点，通过多个接触点的数据分析和对比，进一步确保了数据的精准性。本发明在多个接触点上，选择至少两个点的粘渣量不一致(在一定范围内)，这将粘渣量考虑了进来了，为更进一步得到精准的数据提供了必要条件。除此之外，本发明还可以选择涂层作为研究对象，涂层可以模拟工业施工现场的真实环境，这为得到更为真实的数据提供了必要条件。同时，本发明由于采用了直型热电偶，在研究气氛对熔渣界面润湿角时具有明显优势，尤其是研究气体流速对其影响时，本发明所得数据更为客观。
[0019] 与前期的探索方法相比，本发明在以下几方面做了改进并具有以下优势：(1)探索方法在形成的液珠形状方面，主要是通
过热电偶圆弧处取大量的渣(约50mg)熔化，由于高温熔体的扩张性，会有液珠扩张至直型处形成一些液珠，然后从画面中选合适的液珠进行处理；本发明强调采用直型热电偶进行取渣，且明确所取得渣量范围为5～10mg，以确保热电偶的弯曲和渣量不够等情况对形成液珠形状的影响，并在热电偶上下均形成形状一样的液珠，从而在一次实验中重现两次结果，全面减少了实验的误差和提高了实验的可靠性。(2)探索方法在实验气氛方面上，主要是在空气氛围中进行；本发明可根据实际工况选择相应的气氛下进行。且本发明在研究气体流速对实验结果的影响时，其更为客观(3)探索方法在研究熔渣与不同界面的润湿性方面，主要是通过研究熔渣与铂铑丝之间的界面润湿性，来类比实际过程中熔渣与不同界面的润湿性；本发明新设计了在热电偶上
镀一层涂层材料，通过加热热电偶将渣熔化而不熔化涂层材料，从而形成熔渣-空气-涂层材料(液-气-固)三相界面，进而真实模拟实际工况中熔渣与具体材料的界面润湿性，而不是通过熔渣与铂铑丝的界面润湿性来类比。
[0020] 本发明在探索方法上的改进，使本发明的方法具有良好的可靠性和可重现性、且能更真实地模拟实际工况。
附图说明
[0021] 附图1是
实施例1实验熔渣润湿角形貌图；
[0022] 附图2是实施例2实验熔渣润湿角形貌图；
[0023] 附图3是实施例3实验熔渣润湿角形貌图；
[0024] 附图4是对比例1实验熔渣润湿角形貌图；
[0025] 附图5是对比例2实验熔渣润湿角形貌图。具体实施方式：
[0026] 以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，实施例仅用于说明本发明，而不以任何形式来限制本发明。
[0027] 本发明的实施例中，每个接触点上所取渣样不能完全铺展，需集中在直型热电偶0.5cm的范围内。
[0028] 实施例1
[0029] 本实例实验过程是先将试验渣样(
研磨成粉末(过100目的筛子)，且在铂铑丝热电偶上镀一层TiO2涂层；接着，以10℃/s的升温速率将铂铑丝温度升至700℃，在3个
位置上分别沾取足够的渣样(依次为5mg、8mg、10mg)，后通入流量为300mL/min氩气进行气氛保护；然后，继续以10℃/s的升温速率将沾有渣样的热电偶温度升至1500℃熔化渣样并保温3分钟。液渣在热电偶上形成稳定的液珠后拍摄其形状，用软件拟合并得出液渣与TiO2涂层间的润湿角，其中8mg取样点的结果如附图1所示。从图中拟合结果来看，上端液珠形成的润湿角为
44.791°，下端液珠形成的润湿角为44.682°，误差仅为0.24％。同时拟合5mg取样点、10mg取样点的数据，发现其上端液珠形成的润湿角与8mg取样点上端液珠形成的润湿角的误差小于3％；下端液珠形成的润湿角误差小于4％。
[0030] 实施例2
[0031] 本实例实验过程是先将试验渣样研磨成粉末(过100目的筛子)，且在铂铑丝热电偶上镀一层TiN涂层；以15℃/s的升温速率将热电偶温度升至700℃沾取足够的渣样(8mg)；接着，在直接空气气氛中继续以8℃/s的升温速率将沾有渣样的热电偶温度升至1450℃熔化渣样并保温4分钟。液渣在热电偶上形成稳定的液珠后拍摄其形状，用软件拟合并得出液渣与TiN涂层的润湿角，结果如附图2所示。从图中拟合结果来看，上端液珠形成的润湿角为
45.493°，下端液珠形成的润湿角为45.415°，误差仅为0.17％。
[0032] 实施例3
[0033] 本实例实验过程是先将试验渣样研磨成粉末(过100目的筛子)，后以20℃/s的升温速率将裸铂铑丝热电偶温度升至600℃沾取足够的渣样(8mg)，后通入流量为200mL/min氮气进行气氛保护；接着，继续以5℃/s的升温速率将沾有渣样的热电偶温度升至1400℃熔化渣样并保温5分钟。液渣在热电偶上形成稳定的液珠后拍摄其形状，用软件拟合并得出液渣与铂铑丝之间的润湿角，结果如附图3所示。从图中拟合结果来看，上端液珠形成的润湿角为46.466°，下端液珠形成的润湿角为46.258°，误差仅为0.45％。
[0034] 对比例1
[0035] 本对比例实验过程是先将试验渣样研磨成粉末(过100目的筛子)；以20℃/s的升温速率将镀有TiO2涂层的U型铂铑丝热电偶温度升至700℃沾取足够的渣样(该热电偶存在一定的弯度)，后通入流量为300mL/min氩气进行气氛保护；接着，继续以15℃/s的升温速率将沾有渣样的热电偶温度升至1500℃熔化渣样并保温3分钟。液渣在热电偶上形成稳定的液珠后拍摄其形状，用软件拟合并得出液渣与TiO2涂层之间的润湿角，结果如附图4所示。从图中可以看出，热电偶有轻微向下弯曲，造成热电偶上下端液珠形状不一致；从拟合的结果来看，上端液珠润湿角为47.079°，下端润湿角仅为39.385°，实验误差为16.34％。
[0036] 对比例2
[0037] 本对比例实验过程是先将试验渣样研磨成粉末(过100目的筛子)，后以5℃/s的升温速率将裸铂铑丝热电偶温度升至500℃沾取渣样(由于
烧结温度不够，沾取不到足够的渣量)，后通入流量为200mL/min氮气进行气氛保护；接着，继续以5℃/s的升温速率将沾有渣样的热电偶温度升至1450℃熔化渣样并保温5分钟。液渣在热电偶上形成稳定的液珠后拍摄其形状，用软件拟合并得出液渣与铂铑丝之间的润湿角，结果如附图5所示。从图中可以看出，热电偶上端液珠形状丰满，下端液珠扁平，且中间有裸露的热电偶，说明所取试样量不够；从拟合的结果来看，上端液珠润湿角为50.813°，下端润湿角为32.326°，实验误差为36.38％。
