隨著連鑄理論與技術的發展，連鑄坯質量不斷提高，在實際生產中，連鑄坯表面與皮下缺陷仍然是制約成品質量、成材率及企業經濟效益的重要因素之一。這些缺陷與連鑄結晶器內彎月面的形狀及其初始凝固行為密切相關。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生影響。

本課題聚焦于連鑄結晶器彎月面區域，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，并以此為基礎探討了鋼液溢流行為以及與振痕產生的關系，研究結果對于解析結晶器內鋼液的初始凝固行為，指導連鑄生產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，根據靜滴法表面張力測定原理，開發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據提取，目標函數構造、變量參數選取，數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，使目標函數值最小，并以此計算出表面張力。

實驗驗證結果表明，所開發的程序運行穩定可靠，計算效率高，為后續鋼液表面張力測定打下了良好基礎。利用所開發的表面張力計算程序，結合熱力學分析，考察了連續降溫過程Fe-C-S系鋼液表面張力的演變行為及其影響機制。結果表明，在液相區內，鋼液表面張力隨著溫度降低而持續降低；在固液兩相區，鋼液表面張力的演變行為存在顯著差異:當碳質量分數較高(0.39%和0.95%)時，鋼的固液兩相區溫度范圍較寬，C和S在凝固過程中有充分的時間析出，液相中溶質質量分數隨著溫度的降低而升高，進而導致鋼液表面張力顯著降低；當碳質量分數較低(0.0021%、0.063%和0.148%)時，鋼的固液兩相區寬度較窄，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出顯著的影響；隨著鋼中硫質量分數的升高，凝固過程S偏析對鋼液表面張力的降低效應逐漸減弱；包晶反應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定。根據工業生產中結晶器保護渣成分，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(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(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，對熔渣結構進行了測定分析。

結果表明，表面張力的演變與熔體結構的轉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，溫度對熔渣結構的影響較小；當堿度較高(1.03和1.16)時，溫度對熔渣結構的影響顯著，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，最終導致熔渣表面張力降低。根據鋼液和熔渣表面張力測定結果，計算獲得了連續降溫過程渣鋼界面張力的演變行為，并構建了基于變溫過程的彎月面形狀方程。

結果表明，連續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性。當固液兩相區溫度區間足夠寬時，該區間內彎月面趨向于向結晶器壁靠攏，具有了發生鋼水溢流的趨勢。結合結晶器內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，固液兩相區間小，彎月面凝固距離長，在一定過冷度條件下，溢流發生晚，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，固液兩相區間很寬，固液兩相區界面張力更低，彎月面更加靠近結晶器壁，表現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。