随着连铸理论与技术的发展，连铸坯质量不断提高，在实际生产中，连铸坯表面与皮下缺陷仍然是制约成品质量、成材率及企业经济效益的重要因素之一。这些缺陷与连铸结晶器内弯月面的形状及其初始凝固行为密切相关。弯月面形状决定于渣钢界面张力，渣钢界面张力决定于渣钢两相成分与温度。结晶器具有强大的冷却能力，在弯月面上必然存在一个跨越固液相线温度的连续温度梯度，这个温度梯度的存在将对弯月面形状和钢水的溢流行为产生影响。

本课题聚焦于连铸结晶器弯月面区域，考察了变温过程渣钢两相表面张力和界面张力的演变行为，揭示了渣钢表面张力的演变机制，并以此为基础探讨了钢液溢流行为以及与振痕产生的关系，研究结果对于解析结晶器内钢液的初始凝固行为，指导连铸生产实践具有重要的意义。

为提高钢液表面张力测定精度与效率，根据静滴法表面张力测定原理，开发了利用曲线拟合方法求解液滴表面张力的计算程序。该程序包括液滴图像数据提取，目标函数构造、变量参数选取，数值方程建立以及求解等步骤，最终可拟合出一条理想液滴边缘轮廓曲线，使目标函数值最小，并以此计算出表面张力。

实验验证结果表明，所开发的程序运行稳定可靠，计算效率高，为后续钢液表面张力测定打下了良好基础。

利用所开发的表面张力计算程序，结合热力学分析，考察了连续降温过程Fe-C-S系钢液表面张力的演变行为及其影响机制。结果表明，在液相区内，钢液表面张力随着温度降低而持续降低；在固液两相区，钢液表面张力的演变行为存在显著差异：当碳质量分数较高（0.39%和0.95%）时，钢的固液两相区温度范围较宽，C和S在凝固过程中有充分的时间析出，液相中溶质质量分数随着温度的降低而升高，进而导致钢液表面张力显著降低；当碳质量分数较低（0.0021%、0.063%和0.148%）时，钢的固液两相区宽度较窄，凝固时间较短，C和S在凝固过程中没有充分的时间析出或析出量较少，对液相表面张力没有体现出显著的影响；随着钢中硫质量分数的升高，凝固过程S偏析对钢液表面张力的降低效应逐渐减弱；包晶反应可通过影响钢液降温过程而减缓表面张力的降低趋势。另外，还考察了钢中非金属夹杂物对钢液表面张力的影响，结果表明，非金属夹杂物在钢液表面的浮出过程可降低钢液的表面张力，随着铝脱氧后静置时间的延长，钢水洁净度逐渐提高，钢液表面张力逐渐升高并趋于稳定。

根据工业生产中结晶器保护渣成分，采用拉筒法测定了CaO-SiO2-Na2O-CaF2系熔渣的表面张力，并考察了温度的影响。结果表明，熔渣表面张力随着温度的升高而降低；在较低温度范围内（1350——1410℃），碱度较高（1.03和1.16）的熔渣表面张力受温度的影响较大，而碱度较低（0.67和0.85）的熔渣表面张力受温度的影响较小；在较高温度范围内（1410——1580℃），熔渣表面张力的降低趋势趋于平缓。为揭示熔渣表面张力随温度变化的微观本质，对熔渣结构进行了测定分析。结果表明，表面张力的演变与熔体结构的转变具有显著的一致性，当碱度较低（0.67和0.85）时，熔体的聚合程度较高，温度对熔渣结构的影响较小；当碱度较高（1.03和1.16）时，温度对熔渣结构的影响显著，随着温度的升高，熔体聚合程度迅速降低，熔渣内阴离子团的平均半径减小，分子热运动增强，分子间相互作用力降低，最终导致熔渣表面张力降低。

根据钢液和熔渣表面张力测定结果，计算获得了连续降温过程渣钢界面张力的演变行为，并构建了基于变温过程的弯月面形状方程。结果表明，连续降温过程钢液表面张力的突变决定了渣钢界面张力的变化趋势，进而决定了弯月面形状的非连续性。当固液两相区温度区间足够宽时，该区间内弯月面趋向于向结晶器壁靠拢，具有了发生钢水溢流的趋势。结合结晶器内弯月面实际凝固过程分析表明，钢液成分所决定的界面张力大小与凝固区间宽度共同决定了钢液的溢流方式以及振痕的种类。

对于以IF钢为代表的超低碳钢，界面张力大，固液两相区间小，弯月面凝固距离长，在一定过冷度条件下，溢流发生晚，易形成周期性的覆盖形式振痕；对于类似于中碳含硫钢，固液两相区间很宽，界面张力有较为明显的降低，弯月面可形成一定长度的凝固距离，可较早发生溢流行为，易形成周期性的不具有显著覆盖形式的凹状振痕；对于类似于轴承钢的高碳钢，固液两相区间很宽，固液两相区界面张力更低，弯月面更加靠近结晶器壁，表现为没有显著的钢液溢流行为，以致形成没有明显周期性的不具有覆盖形式的钩状振痕。