钢铁材料中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性，严重影响钢材质量和性能^[1,2,3]。非金属夹杂物周围存在应力集中，容易诱发裂纹萌生。夹杂物周围裂纹的产生使金属的力学性能，特别是金属的塑性、韧性和疲劳强度严重下降^[4,5,6]。此外，夹杂物周围存在着空隙或者微裂纹，腐蚀介质易在夹杂物/基体表面富集，导致基体抗腐蚀性能下降^[7,8]。然而，在某些特定情况下夹杂物有助于提升钢铁材料性能，尺寸在1~3 μm弥散分布的氧化物夹杂可以诱发凝固过程中金属形核使得晶粒细化，从而提高钢铁材料的强度^[9,10,11]。

降低夹杂物含量和尺寸、提高钢液洁净度可有效地提升钢材质量。以疲劳寿命为例，研究^[12,13]表明，钢液全氧含量与疲劳寿命成指数关系，O含量(质量分数)由0.004%降低至0.001%可以使抗疲劳寿命提高10倍。为了净化钢液，研究者们利用多种技术设备去除钢液中的夹杂物。工业应用中常见的方法主要有气体搅拌、渣洗法、过滤法以及电磁净化等。气体搅拌法能够快速去除钢液中大颗粒夹杂物，然而对于尺寸小于50 μm的夹杂物去除能力有限^[14]；对于渣洗法，为了保证该方法的去除效果，仍需要配合大量气体搅拌；过滤法虽然能够去除尺寸为20 μm以上的夹杂物，但是容易造成过滤器堵塞，且处理效率较低，难以满足连续生产的需要^[15]；电磁净化技术虽然可快速、高效净化钢液，但是对尺寸20 μm以下的夹杂物去除效果并不理想^[16]，且设备复杂、投资较大。另外，上述方法在去除钢液中尺寸小于20 μm的夹杂物方面还存在困难。碍于目前净化技术的限制，钢液中夹杂物并不能完全去除，通过添加变质剂对钢液中的夹杂物进行改性是降低夹杂物危害的常见方法之一。例如，适量提高钢液中Mn含量，可以减少低熔点FeS夹杂物，从而防止热脆的发生；添加稀土后钢液中可形成高熔点的球形稀土硫化物或者稀土氧化物，且尺寸显著降低^[17,18,19]；钙处理可以生成钙铝酸盐或者钙硫化物，进而降低Al₂O₃、MnS夹杂物的危害^[20]。尽管通过改性可以控制夹杂物，可是添加剂会导致其它问题，例如钙处理、添加稀土会引起严重的水口堵塞^[21,22]。近100年来，研究者对夹杂物的来源及其与钢铁材料性能之间的关系研究不断深入，通过对夹杂物的去除、形态控制满足了当下钢铁材料性能的需求^[23]。然而，随着对钢材质量的要求趋于苛刻，提高钢液洁净度依然面临挑战^[24]。因此，探索一种简单有效的钢液净化方法，尤其是降低尺寸小于20 μm的夹杂物数量对于进一步提升钢铁材料的性能十分重要。

近年来的研究表明，电流可以显著地改变金属微观结构从而影响材料力学性能^{[25,26,27,28,29,30,31]}，并控制金属熔体中非金属颗粒的迁移与形态^{[32,33,34,35,36]}。1985年， Misra^[25]首次发现施加直流电或者交流电可以引起过共晶Pb-Sb15%-Sn7% (质量分数，下同)三元合金凝固组织发生细化。随后，Nakada等^[26]于1990年首次研究了脉冲电流对Sn-15%Pb合金凝固组织的影响，结果发现电流作用下凝固组织的枝晶向等轴晶转变。近30年以来，研究者投入大量精力探索采用电流控制合金或者金属的微观组织，以期达到改善金属性能的目的，实验结果表明电流可以促进再结晶^[27]、提高金属疲劳寿命^[28]、实现材料老化再生^[29]、改善金属耐腐蚀性能^[30]以及提高材料塑性^[31]等。

随着电流研究领域的不断扩大，电流控制熔体中夹杂物的研究开始进入学者的视野。Leenov等^[32]和Kolin^[33]提出了电磁净化原理与技术，依据金属熔体和非金属夹杂物导电率的不同，电磁场作用下非金属颗粒受到小于金属液体的电磁力，非金属颗粒受到反向挤压作用引起夹杂物迁移。基于这个原理，1994年，Taniguchi和Brimacombe^[34]首次将交流电作用于熔体，利用交流电场与感生磁场产生的电磁力分离金属熔体中的夹杂物。由于单独电流净化技术设备投资小且操作简单，吸引了很多学者的关注。研究^[35]发现，要达到理想的净化效果需要足够大的电流强度，但是这必然增加能耗，并且会导致紊流使分离出的夹杂物再次进入熔体，这大大降低了夹杂物的去除效率。因此，单电流净化技术发展缓慢。近年来，脉冲电流分离金属熔体中夹杂物的方法引起学者的关注。与直流电、交流电相比，脉冲电流为间歇性放电，其能耗低、净化效果好，不仅可以有效去除钢液中尺寸小于20 μm的非金属夹杂物，还可以对夹杂物的形态、尺寸和分布产生影响^[36]。这些优点使脉冲电流在洁净钢冶炼方面具有广阔的应用前景。

目前，关于施加电流(直流电、交流电或脉冲电流)控制金属熔体中夹杂物的研究热度趋于升高。研究者提出了不同的理论来解释实验现象，但是关于电流的作用机理一直存在着争议^[36]。因此，有必要对电流去除夹杂物的研究进行回顾总结，探索电流控制非金属夹杂物的机理和未来的研究方向。

常用于金属材料研究的电流主要有^[37]：连续直流电、交变电流和脉冲电流。其中，脉冲电流是目前研究的热点，依据波形脉冲电流主要分为矩形波、尖波和衰减波，图1给出了不同波形电流的示意图。脉冲电流具有较低的能耗，在同样电流强度下产生的Joule热远小于直流电或者交流电，并且脉冲电流具有更多的可调参数：波形、频率、脉宽以及电流强度。这使得脉冲电流在科学研究中具备更多的参数匹配方案，为研究人员提供了更多可选的参数。

电极插入熔体的方式不同也会引起电流分布的变化。依据电流方向，电极插入方式主要存在2种：电极左右平行插入熔体，产生水平方向电流；电极上下竖直插入熔体，产生竖直电流，如图2所示。上下插入电极方式存在底部埋入式电极，电极更换与操作比较复杂。左右方式则相对简单、易于操作，并且可以灵活调控电极距离与插入深度，控制电流分布。因此，电极以左右平行插入的方式更具有工业应用前景。

对熔体施加电流(交流电流或者直流电)，熔体内部及其外部会产生感应磁场^[32,38,39]，磁感应强度(B)可依据Biot-Savart定律求解：

式中，e_r为单位矢量，由电流元指向r位置；μ₀为磁导率；I为电流强度；dl为电流元。因此，熔体中施加电流与感生磁场作用下产生电磁力，表达式为：

式中，F为电磁体积力，N/m³；j为电流密度，A/m²；B的单位为T。

金属液在电磁力的作用下产生指向轴心的压力F，金属液向轴心收缩。由于非金属氧化物的电阻率远大于金属液，夹杂物受到小于金属液体的电磁力，因此夹杂物相对受到等效的反向斥力。熔体中球形颗粒受到电磁排斥力(F_p)表达式为^[34]：

式中，σ_m为金属熔体的电导率，σ_p为夹杂物的电导率，d为夹杂物直径。依据式(3)可知，电磁斥力与夹杂物的体积、电导率差成正比。夹杂物受电磁斥力作用垂直于电流向熔体边缘运动，从而实现金属熔体的电磁净化，其示意图如图3所示。

当σ_m≫σ_p，或者σ_p=0时，上式可以化简为：

在此基础上， Sellier^[40]研究了不同形状的夹杂物在电磁场中的受力情况，对式(3)做了改进，并引入了非球形颗粒的形状系数(ψ)，用以表征形状因素对夹杂物受力的影响：

夹杂物在电磁斥力的作用下在熔体中移动。对于较小的颗粒，其移动主要受到电磁斥力和黏性阻力影响。依据Stokes公式求得颗粒移动的最终速度为：

式中，v_p为颗粒运动速度，μ为熔体黏度。

单电流净化原理基于电磁净化理论。不仅如此，包括其它交变磁场、复合电磁场净化原理均基于Kolin理论模型^[41]。由于施加电流之后熔体中产生感应磁场，所以在没有额外施加磁场的情况下，熔体中电场与感生磁场也能够产生电磁力。在电磁斥力作用下夹杂物由熔体内部垂直于电流向熔体边缘迁移，实现夹杂物分离。

Paik等^[42,43]认为，大部分金属氧化物均存在着晶格缺陷，如晶格中存在的准自由电子或者空穴。由于氧化物对电子亲和力一般较液态金属小，两者相互接触时，氧化物中的部分准自由电子将转移到金属液相中，在氧化物表面剩余等量的正电荷，导致夹杂物/金属液界面形成双电层。带电的夹杂物颗粒在电场作用下向着与其电性相反的电极移动，如图4所示，这类似于胶体颗粒的电泳现象。

在渣/金界面同样存在双电层，施加电流后引起界面之间的化学电位发生变化，导致界面张力下降^[44]。带电粒子在电场的作用下更易于进入熔剂渣，提高了净化效率。因此，熔体中夹杂物的此种带电特性被认为是其在电流作用下迁移的主要原因。夹杂物迁移力(F_e)表达式为：

式中，E为电场强度，Q为夹杂物总电荷(正或负)。

熔体中的夹杂物在电场作用下带有电荷，带有电荷的夹杂物在电场中受到电场力作用将在平行电流方向发生迁移，带有正电荷的夹杂物向负极迁移，而带有负电荷的夹杂物向正极迁移^[36,45]。此外，施加电流导致金属液与夹杂物或者熔剂渣的界面张力减小，润湿性变好，易于夹杂物吸附。

金属熔体中不存在夹杂物时，施加于熔体的电流均匀且电流线平行分布，如图5a所示。对于体系中存在夹杂物时，夹杂物阻碍电流通过，电流在夹杂物周围形成绕流，如图5b所示。

对于无限大基体中存在单个夹杂物颗粒时，体系的电自由能变化(ΔG_e)表达式为^[46,47]：

式中，k为几何因子，j为电流密度，V为颗粒体积。对于给定的夹杂物与金属液，电自由能与电流密度分布相关。式(8)给出了熔体中夹杂物形成前后的电自由能变化，电流分布的改变是引起电自由能发生改变的原因。夹杂物在熔体中迁移时，体系的电流分布也会发生改变，对于熔体中颗粒不同位置的情况，Qin和Bhowmik^[48]推导了电自由能(G_e)的计算公式：

式中，μ(r')为r'处的磁导率，r'和r表示导体中不同位置。利用式(9)还可以计算金属熔体中多个夹杂物时的电自由能。夹杂物在熔体中的总自由能变化(ΔG)表示为化学自由能变化、界面自由能变化与电自由能变化之和，表达式如下：

式中，ΔG_chem表示化学自由能变化；ΔG_inter表示颗粒与熔体界面自由能变化。夹杂物在熔体中移动时化学自由能和界面自由能基本不发生变化，因此当夹杂物由位置a移动至b位置时，其自由能变化(ΔGeab)为：

式中，Gea和Geb分别为夹杂物在位置a和b处时体系的电自由能。当a、b之间的距离Δd_ab=|a-b|时，a、b之间平均驱动力(F̅PEC)可由电自由能变化和夹杂物移动距离求得^[49]，即：

令Δd_ab→0，即电自由能变化对移动距离求偏微分可得到作用在夹杂物上的电驱动力(F_PEC)表达式：

电自由能降低是驱动夹杂物在熔体中迁移的动力来源；夹杂物在熔体中的迁移和分布遵循体系电自由能降低的原则。电自由能变化产生的电驱动力迫使夹杂物在熔体中运动，实验结果和数值模拟显示夹杂物以垂直于电流方向运动^[49]，夹杂物迁移规律如图6所示。夹杂物由熔体中心迁移至边缘的过程中电自由能逐渐降低，因此可以实现夹杂物分离。

对金属熔体施加电流之后，熔体中的夹杂物在电流作用下发生迁移，最终达到电流分离夹杂物，净化钢液的效果。以上3种理论：电磁斥力理论、电自由能驱动理论和电泳理论，从不同角度解释电流驱动非金属夹杂物的运动机制，这3种理论分别给出了电流场下夹杂物运动的驱动力：电磁斥力、电驱动力和电场力。电磁斥力理论和电自由能驱动理论都认为夹杂物颗粒与金属液体之间的电导率差异是电流去除夹杂物的基础，并没有考虑夹杂物的带电特性。与之相反，电泳理论坚持夹杂物的带电特性是电流净化的主要原因，并未对电导率差异做出理论解释。电磁力和电驱动力驱动夹杂物垂直于电流方向移动，电场力则依据夹杂物电荷性质驱动夹杂物平行于电流方向移动，这2种夹杂物迁移形式最终都可以分离钢液中的夹杂物，实现钢液净化。

20世纪70年代，前苏联学者将电流用于铝液的熔剂精炼^[50]，这种方法被称为电熔剂精炼法，对非金属氧化物的净化效果非常有效。其原理主要是依据带电夹杂物在电场中的电泳现象。此外，电流会影响夹杂物表面和渣/金界面的双电层，引起界面张力下降，利于夹杂物被熔剂吸附^{[50,51,52,53]}。电熔剂精炼工艺原理示意图如图7所示。熔体接阴极、熔剂接阳极，在金属液体流股中产生电流。

白世鸿等^[51]的实验结果显示，电流由0逐渐增加至20 A，铝液净化效果增强。施加直流电的净化效果要优于交流电，尤其是在去除细小夹杂物方面。直流电处理后氧化物夹杂数量降低了50%以上，而交流电下氧化物夹杂数量仅降低了30%左右，这与未加电流时精炼效果相当^[52]。电熔剂法净化效果受到温度、电熔剂厚度及种类的影响，在流股直径为7 mm时，电流15 A时夹杂物的去除率可达到84.2%^[52,53]。虽然这些研究都发现施加电流可以提高精炼效果，但是没有给出用于描述电场下夹杂物迁移的数学物理模型。

钟云波等^[54]认为，电熔剂精炼法中夹杂物分离的主要机理是夹杂物受到电磁斥力的作用。流股中的夹杂物受到电磁挤压力的作用向边缘迁移，达到金属液流股表面。当金属流股经过熔剂层时，迁移至流股表面的夹杂物被熔剂渣吸附，原理如图8a所示。数值计算表明，当液体流速为0.02 m/s、流股直径为3 mm、电流为20 A时，尺寸为20 μm的夹杂物去除效率达到80%以上。采用金属铝液中加入SiC颗粒进行验证实验，交流电频率为50 Hz，电流分别为2×10⁶、4×10⁶和5×10⁶ A/m²，结果证实SiC颗粒向熔体边缘迁移，如图8b和c所示，随着电流密度的增加，边缘分布的SiC颗粒数量成上升趋势。

采用交流电去除钢液中夹杂物方面，Taniguchi和Brimacombe^[34,55]于1994年对无限长圆管和方形管中夹杂物分离做了早期的理论研究，管型如图9所示。在管的z轴方向施加交流电并且管中的金属液以特定速率v流动，夹杂物受到电磁斥力作用将向管壁迁移。数值计算结果表明，工频交流电可有效去除钢液中尺寸为20 μm以上的夹杂物。

随后，Zhang等^[56]提出了单电流净化方案，并对交流电、直流电在不同管型中夹杂物的分离效果做了理论计算，由于交流电存在集肤效应，其对夹杂物去除效果低于直流电，并指出直流电配合矩形管净化效果更佳。理论上3×10⁶ A/m² 的电流对尺寸为20 μm左右的夹杂物去除率达到90%，对于尺寸为10 μm左右的夹杂物去除率达50%以上，如图10^[56]所示。

吴加雄^[57]研究了圆管中不同尺寸夹杂物的去除效率与电流密度、处理时间的关系。结果显示，电流密度持续增加至4×10⁷ A/m²后，尺寸为5 μm以上的夹杂物可以全部去除，甚至可以去除50%以上的尺寸为2 μm的夹杂物。给定电流密度的情况下，延长电流处理时间可以提高夹杂物的去除效率，电流处理30 s理论上可以将尺寸为10 μm以上的夹杂物全部去除，对尺寸为5 μm的夹杂物去除率可达70%以上。

数值模拟结果^[58]表明，电流同样可以去除镁合金中的夹杂物，理论上电流可以去除镁合金中尺寸为50 μm以上的所有夹杂物，并且对尺寸为20 μm以下的夹杂物具有良好的去除效果。此外，电流密度增加，夹杂物受到的电磁挤压力增加。这使得夹杂物向边缘迁移的速率增加，净化效率得以提高。

为了进一步证实单电流净化方法的可行性，吴加雄等^[59]分别对圆形管、矩形管、三角形管3种管型的夹杂物分离做了验证实验，将Al-Si合金加热至熔化温度，利用初生Si优先析出且电导率差的特点来代替夹杂物颗粒。对熔体施加不同强度的交流电分离初生Si，与圆管相比，方形管和三角形管更有利于夹杂物分离。在施加电流密度4.7×10⁶ A/m²处理40 s后，不同管型中的夹杂物在边缘处产生明显的聚集，若要获得更好分离效果需要较大的电流密度和较长处理时间。此外，净化效果也受到金属熔体温度、管中金属液流速以及夹杂物类型的影响。

不论是钢液、铝液还是镁合金中的夹杂物，其电导率远远小于金属熔体，电导率差异为电流去除夹杂物提供了物性差的基础。虽然电流密度增加可以有效提高净化效果，但是也会诱发管中的金属液流场，降低净化效率^[38,60]。不仅如此，电流强度的增大必然引起大量Joule热的产生，增加能耗。更为关键的问题是：不论是什么管型，夹杂物迁移至熔体边缘很容易粘附在管壁上，随着内壁上夹杂物数量增多容易造成管内结瘤堵塞，这不利于电流连续净化金属液。

为了保证分离夹杂物所需的电流强度，同时克服连续电流带来的Joule热与高能耗问题，1999年Makarov等^[61]提出了采用脉冲电流分离铝熔体中夹杂物的方法，基于电磁分离原理建立了电脉冲分离夹杂物的理论模型。Korovin^[62]进一步完善了该理论，指出高频脉冲产生指向轴心的周期性压力，夹杂物在周期性的电磁斥力作用下迁移。在电脉冲电流峰值10 kA、脉宽15 ms、圆管直径10 mm的条件下，Makarov等^[61]计算了一个脉冲波中夹杂物的移动速率，结果发现，夹杂物的最大迁移速率与夹杂物尺寸近似呈线性关系，这导致同等时间内夹杂物的位移与尺寸同样呈线性关系，夹杂物尺寸越大迁移距离越远。

虽然论证电脉冲去除夹杂物的理论较早，但是相关实验和应用进展缓慢。近年来，由于电脉冲在材料领域的研究不断取得进展^[63]，电脉冲去除夹杂物的方法逐渐得到关注，相关理论也得到进一步的发展。刘洋^[64]分别研究了直流电、交流电和脉冲电流对钢液中夹杂物去除的影响，但是结果并不理想。

Zhang等^[65]采用电极平行插入熔体方式，如图2a所示，选取矩形脉冲波去除钢液中夹杂物，实验结果取得了突破性进展。发现电脉冲驱动MnS夹杂物向钢液表面迁移，并且在表面诱导了夹杂物的聚合长大，更重要的是电脉冲可以有效去除钢液中尺寸小于20 μm的夹杂物。依据观测的实验现象建立了电自由能去除夹杂物的理论模型^[48,49]。钢液的电导率是夹杂物的1000倍，远高于夹杂物的电导率。因此，在施加电流后电流分布发生变化，依据式(9)电自由能变化会引起夹杂物在钢液中的迁移。图11a^[49]显示夹杂物由中部迁移至表面过程中电自由能逐渐降低，在靠近表面时电自由能先升高而后下降。进一步计算表明，电脉冲作用下夹杂物迁移过程分为3种效应，即推动、捕获和排出，结果如图11b^[49]所示。

图11显示在钢锭中部区域的夹杂物受到推动向表面移动，在表面附近得以捕获，理论计算很好地解释了所观测的实验现象。在电流密度1.6×10⁶_{A/m²条件下(脉宽60 μs、频率1 Hz)处理10 min后，夹杂物由中心向熔体底部和上表面迁移，试样中部夹杂物数量明显减少，如图12^[49]所示。添加保护渣后，上浮的夹杂物被保护渣吸附，导致试样中部洁净区域增大。}

进一步研究^[66,67]显示，电脉冲可以控制微小尺寸夹杂物的移动和去除，如图13^[67]所示。发现尺寸小于10 μm的Al₂O₃、MnS夹杂物在脉冲电流处理后由中心向两边迁移，中部仅有极少量的夹杂物存在^[67]。电自由能驱动夹杂物移动的理论结果很好地解释了实验所观测的现象。

脉冲电流不仅能去除钢液中的夹杂物，还可以去除熔融镁合金中的MgO颗粒。Zhang等^[68]分别采用频率为1、50和100 Hz的脉冲电流对镁合金熔体进行净化。熔体中的夹杂物在电自由能的驱动下由熔体中部向熔体表面或者底部迁移。脉冲电流处理使镁合金熔体中部形成净化区域，图14显示电脉冲处理后中部夹杂物数量大幅降低。实验中电流密度为4.1×10⁵ A/m²，频率为50 Hz时，对尺寸大于5 μm的夹杂物分离效率超过67%。而基于电磁斥力理论的数值计算结果^[58]显示，直流电电流密度为3.0×10⁶ A/m²时，对尺寸大于10 μm的夹杂物去除效率仅为30%。显然，脉冲电流具有更强的夹杂物去除能力。

然而，部分学者认为钢液中的夹杂物带有电荷，电场中带电夹杂物的电泳是电脉冲净化的主要原因。通过上下通电方式对钢液处理后发现，电脉冲同样可以去除尺寸小于10 μm的夹杂物和气泡，并且效果优于直流电，并认为在脉冲电场下带有电荷的夹杂物向两极迁移是其主要原因^[69]。实验结果显示，Al₂O₃、FeO等氧化物和细小的Ni或者Fe金属颗粒出现在负极附近，而MnS和气孔裹挟MnS聚合体在正极附近聚集；在试样中部尺寸为5 μm以上的夹杂物几乎全部被去除。周秀丽^[45]研究发现，电脉冲(1.0×10³ A/m²、5000 Hz)作用下微小夹杂物(尺寸为2~5 μm)也具有明显的迁移现象。钢液中的氧化物夹杂物向负极迁移，非氧化物夹杂物如MnS和TiN则向正极迁移。由此可见，钢液中氧化物夹杂物带有正电荷，非氧化物夹杂物带有负电荷，在电场作用下夹杂物平行于电流依据带电特性分别向两极迁移。

电脉冲不仅能够分离钢液中的夹杂物，还能影响夹杂物的形态、尺寸和分布等，这对于改善钢的性能十分重要。以MnS为例，由于其具有良好的塑性变形能力，在轧制或锻造过程中形成大尺寸长条状MnS，个别尺寸甚至达到100 μm^[70]，这导致钢的横向力学性能严重恶化，并且易引发裂纹萌生^[71]。研究^[72,73,74]证实，电脉冲可以显著影响凝固过程中MnS的形貌，若采用外场控制钢中夹杂物的尺寸和取向，那么可以降低轧材性能的各向异性、提升材料性能。Dai等^[72]对钢液施加频率为500 Hz、电流密度为1.0×10⁴ A/m²的脉冲电流后，尺寸为3~30 μm且形状不规则的夹杂物发生细化现象，细化后的夹杂物尺寸在8 μm左右，形态演变为较为规则的球形。Zhang等^[73]施加脉冲电流后发现，钢液中的MnS趋于团聚形成链状结构，而未经电脉冲处理的MnS夹杂物呈现随机分布，这些链状颗粒由2个或3个小球形硫化物组成，此外还发现了条状硫化物，都平行于电流排列，具有特定取向。图15^[74]展示了实验发现的3种不同夹杂物的演化方式。图15a^[74]显示了在电流作用下条状夹杂物经过旋转平行于电流，形成具有特定取向的排列；图15b^[74]中小颗粒夹杂物相互靠近后发生聚合形成链状结构；图15c^[74]中球形夹杂物发生变形，演变为条状夹杂物。理论分析^[72]认为，具有确定取向的条状/链状的夹杂物可以降低材料的电阻率，脉冲电流导致了材料电阻的最小化。

然而研究^[75]表明，经过轧制之后球形MnS形成椭圆盘型并沿轧制方向被拉长，平行于轧向的条状夹杂物进一步被拉长。由于随机取向的MnS经过轧制后形成平行于轧向的MnS，这导致材料横向性能降低。当外载荷施加方向与夹杂物垂直时容易产生裂纹，裂纹萌生后沿条形或者链状夹杂物扩展，如图16a和c^[74]所示；但是采用脉冲电场处理后，可以诱发MnS在特定方向上优先排列，例如图16b和d^[74]所示，MnS平行于拉应力排列，此时裂纹萌生则会受到抑制。

由于直接观测钢液中夹杂物形态演化是非常困难的，研究者通过数值模拟对脉冲电流控制MnS取向做了大量研究。夹杂物的取向、形态演变遵循着电自由能最小的原则^[76]，因此，可以依据电自由能的变化趋势研究夹杂物演变过程。Qin^[77]认为，电流作用下，椭圆盘夹杂物产生扭矩。对于熔体中随机分布的椭圆盘形非金属颗粒，将椭圆盘颗粒取向与施加的电流之间的夹角记为θ，如图17a^[77]所示，θ=0时，椭圆盘颗粒平行于电流。仿真计算表明，施加电流之后熔体中随机分布的椭圆盘颗粒最终平行于电流排列，如图17b~d^[77]所示。对单个椭圆盘颗粒，图18给出了扭矩、电自由能和相对电阻率与夹角θ的关系。图18a^[77]显示θ在50°~60°时扭矩存在最大值，在扭矩作用下椭圆盘形颗粒趋于旋转。椭圆盘形颗粒旋转至θ=0°时扭矩为零，即椭圆盘颗粒平行于电流。图18b显示了电自由能和相对电阻率与θ正相关，且θ=0°时体系的相对电自由能和相对电阻率最低，这表明电流作用下材料电阻下降。

在钢液中的夹杂物之间经常发生碰撞、团聚。因此，研究电流作用下多个夹杂物之间的行为对了解夹杂物长大、形态演化非常有意义。Zhao和Qin^[78]研究了电流作用下2个夹杂物的相互作用，结果表明，2个夹杂物在平行于电流方向相互靠近时电自由能减小，夹杂物相互吸引发生聚合；而在垂直电流方向，夹杂物相互靠近时电自由能却增加，夹杂物相互排斥引发细化。这种电流作用下夹杂物在不同方向上具有不同的演化现象也被最新的数值计算结果证实。采用极坐标描述2个夹杂物相对位置，如图19a所示。作用在夹杂物上的力可以分解为切向力(F_et)和径向力(F_er)，图19b^[79]给出了相互作用力与角度之间的关系。依据径向分力，夹杂物之间可以分为排斥区域：35.44°<θ_t<144.56° (θ_t为夹杂物排列方向与电流之间的夹角)、吸引区域：0<θ_t<35.44°和144.56°<θ_t<180°；依据切向分力，夹杂物之间存在顺时针旋转区域：0<θ_t<90°、逆时针旋转区域：90°<θ_t<180°。

图20a^[79]给出了夹杂物相互作用示意图。在F_et和F_er的作用下，夹杂物之间的行为存在2种情况，即图20b^[79]所示的夹杂物旋转靠近发生聚合和图20c^[79]所示的夹杂物旋转远离，导致夹杂物间距增加、弥散分布。实验结果证实了这一结论，如图21^[79]所示。采用脉冲电流处理钢液10 min，电流密度为1.6×10⁶ A/m²，脉宽为60 μs，频率为1 Hz。脉冲电流处理后相邻的包裹体由于吸引和旋转效应而趋向于团聚，可以发现有一些由2个或3个小夹杂物聚合的链状结构，如图21b^[79]中红色圈出的夹杂物。此外，由于排斥效应，脉冲电流处理后夹杂之间的距离明显增大。

脉冲外场引起特定取向MnS的形成会进一步影响轧制过程中的MnS形态发生变化，数值模拟计算^[80]发现，凝固组织中不同取向的MnS在轧制之后的变形是不同的。分别研究了垂直轧向(90°)、平行轧向(0°)和与轧向成45° 3种椭球形颗粒，以及球形MnS在轧制过程中的形态演化，结果发现，垂直于轧向的椭圆形MnS经过轧制优先形成球形，而后形成平行于轧向的椭圆形；与轧向成45°夹角的MnS椭圆形颗粒取向被拉长并逐渐旋转，随着压下量不断增加，MnS颗粒被拉长且排列趋于平行于轧向。依据上文可知，脉冲电流可以控制凝固过程中MnS的取向，若可以获得优先垂直轧向排列的MnS夹杂物，则可以降低轧制后MnS的长宽比，如图22所示。如图22a所示，随机取向的MnS经轧制之后形成沿轧向的条状形态；然而凝固过程中施加与预设轧向垂直的电流之后，如图22b所示，初始组织中MnS优先择取垂直轧向排列，轧制后垂直于轧向的椭圆MnS呈近似球形，具有较低的长宽比。因此可以预测，施加电流后将会改善由MnS引起的性能各向异性，并提升轧材的横向力学性能。

此处以MnS为例解释了电流的作用，通常来说，电流也能控制钢液中其它非金属夹杂物的取向与排列。通过电流定向控制非金属颗粒的形态和取向或许可以用于精准地设计和制造具有理想结构的新材料。

电流除了可以对夹杂物形态产生影响之外，还可以对钢液中气泡的分布、形态和尺寸产生影响(导电液体中的气泡可以视为电阻率无限大的颗粒)。实验结果^[69,73]不仅发现电流能促使夹杂物细化，同时还发现凝固后钢锭中的缩孔数量减少、尺寸降低。未经电流处理的钢液在凝固后钢锭中存在着尺寸为50 μm左右的气孔，个别尺寸达到100 μm。电脉冲处理后钢锭中均匀分布着尺寸小于10 μm的气孔，其中部分气孔形态与MnS类似，成细丝长条形且平行于电流^[69]。研究^[81,82]表明，电场对液体中的气泡形态及行为有显著的影响。气泡在沿着电流方向被拉长成椭球形^[83,84]，这使平行于电流排列且相邻的气泡发生合并^[85]。对于垂直于电场方向排列的气泡，在气泡之间存在排斥力，随着气泡之间的距离增大排斥力快速下降^[86]。可见，气泡的行为与钢液中夹杂物的相互作用行为很相似，这是因为气泡和夹杂物的电阻都远大于导电液体。

既然夹杂物之间可以聚合，气泡之间也可以发生聚合，那么电流是否会诱导气泡与夹杂物之间的聚合呢？为了证实这种可能性，采用底吹气泡耦合脉冲电流处理钢液观测夹杂物数量的变化^[87]。实验中气泡直径为7~11 mm，而钢液中夹杂物尺寸小于30 μm。通常，大气泡产生对流搅拌钢水，但是不能有效地去除钢液中细小的夹杂物。然而实验结果表明，大尺寸气泡与脉冲直流电耦合后，样品中的夹杂物数量大幅减少，而仅用大尺寸气泡处理的样品中的夹杂物数量变化不大，如图23^[49,87]所示。这说明电脉冲促进了气泡与夹杂物的聚合，强化了气泡捕获夹杂物的能力。

钢液吹入气泡颗粒捕获钢液中的夹杂物后上浮从而净化钢液，气泡与夹杂物之间存在碰撞和滑行2种机制^[88]，如图24a所示。碰撞机制为：夹杂物与气泡发生碰撞后被气泡捕获或者反弹远离气泡；滑行机制为：夹杂物与气泡发生碰撞并在气泡表面滑行一段距离后被气泡捕获或者滑离气泡表面^[89]。不论是滑行机制还是碰撞机制，夹杂物在气泡表面均会引起气泡表面变形(图24b)。因此，夹杂物在气泡表面受到表面力(F_s)，表面力的作用倾向于将夹杂物推离气泡、使得夹杂物不易被气泡捕获^[90]。然而，在电流外场作用下这种情况将发生变化，如图24b所示，夹杂物在气泡表面时，周围电流绕过夹杂物。电流绕流诱发了作用在夹杂物上的驱动力(F_d)，其迫使夹杂物向气泡内部运动，有利于夹杂物被气泡捕获^[87]。数值计算表明夹杂物靠近气液表面时驱动力促使夹杂物穿越气液界面^[49]，其理论分析结果与图23所观测的现象趋势一致。

浸入式水口堵塞会破坏连铸生产的稳定性与连续性，频繁更换水口会造成铸坯质量下降，产品竞争力下降^[91,92,93]。此外，水口堵塞后，水口钢液出现偏流导致结晶器液面异常波动甚至造成钢液卷渣^[94]。因此，抑制水口堵塞是生产人员与科研人员一直关注的问题。为了解决水口堵塞，提高连铸工艺水平，研究者们做了大量工作探究水口堵塞机制并提出了多种解决措施，这对解决水口堵塞产生了一定的效果。主要包含以下内容：(1) 提高钢液纯净度^[95]；(2) 预热中间包、水口^[96]；(3) 优化水口结构^[97]和改进水口材质^[98]；(4) 夹杂物改性，加钙处理^[99]；(5) 通过塞棒、水口吹入Ar气搅拌^[100]。但是，在钢铁冶炼过程中水口堵塞时有发生，并未得到彻底解决。尤其是稀土钢冶炼过程中，钢液中的稀土氧化造成非常严重的水口堵塞，但是上述方法对添加稀土引起的水口堵塞控制效果不理想^[101]。稀土氧化物在水口聚集造成堵塞的机理主要有以下几点：(1) 稀土化学性质活泼，脱氧、脱硫能力强^[102]，钢液中夹杂物的增加为水口结瘤提供了物质基础；(2) 稀土夹杂物颗粒尺寸小(1~5 μm)，并且不易聚集长大，难以去除^[103]；(3) 稀土夹杂物熔点高，化学性质稳定。其与钢液密度差较小，例如CeAlO₃和NdAlO₃的密度分别为6.17和7.03 g/cm³，悬浮于钢液中，难以上浮；(4) 稀土元素与水口耐材发生反应^[104]。稀土元素与Al₂O₃夹杂物反应在水口内壁生成REAlO₃，REAlO₃与水口内壁结合力强不易被钢液冲走，粘附在内壁作为基底不断长大造成水口结瘤。总的来说，钢液中的稀土氧化物颗粒尺寸小、难聚集、难上浮和难去除，且易粘附在水口内壁。水口堵塞成为稀土钢开发与冶炼的一大难题，严重制约了稀土钢的生产与发展。因此，稀土变质处理后去除钢液中稀土氧化物对净化钢液、保证连铸生产十分重要。尺寸细小、密度较大的稀土氧化物悬浮于钢液中，依靠传统方法，例如气泡、搅拌上浮，很难将其去除。电脉冲净化理论和实验结果显示，可利用夹杂物与金属液(钢液、铝液或者镁液)之间的电导率差异，通过施加脉冲电流对夹杂物进行去除。在金属材料与氧化物之间来说，通常稀土氧化物夹杂的电导率远小于钢液。因此，理论分析认为，电脉冲或许是一种控制稀土氧化物夹杂的新方法。

最新研究^{[105,106,107]}发现，脉冲电流可以有效抑制浸入式水口堵塞。由于钢液中Al₂O₃夹杂物带正电荷，与钢液摩擦后的水口带负电荷，Al₂O₃-C质水口与钢液界面产生电势差提高了钢液与水口的润湿性，加上夹杂物在静电力作用下向水口迁移，结果造成堵塞^[105]。实验中塞棒接正极、水口接负极构成回路^[106,107]，施加电脉冲(1.0×10³ A/m²、20 kHz)可以降低水口内壁电荷、减弱水口与钢液之间的相互作用，从而抑制浸入式水口堵塞^[106]。深入研究^[108]发现，脉冲电流处理后夹杂物与水口之间的沉积方式发生变化。图25^[108]显示，施加脉冲电流后水口内壁附着层厚度明显降低了约55.5%，但是其密度却提高了48.5%，并且电脉冲处理后内壁保持光滑平整^[109]。从水口内壁附着层的变化可以推测，电流影响了夹杂物在钢液中夹杂物与水口之间的相互作用，这使得水口堵塞得到抑制。

同样地，带电夹杂物在直流电中也发生迁移，并粘附于Al₂O₃-C质电极表面。将水口材质的电极平行插入钢液，施加不同强度的直流电流来控制钢液中Al₂O₃夹杂物迁移。结果表明，正极水口试样附着层厚度降低，而负极水口厚度则明显增加，钢液中的夹杂物向负极迁移，并且随电流强度增加夹杂物迁移数量增多^[110]。然而Kawamoto^[111]采用铝镇静钢、设定直流电强度为5 A做了相同的实验，结果却显示负极重量降低了33%，正极增加了9%。研究^[111,112]表明，通过电化学现象可以阻止Al₂O₃在水口内壁的黏附。该技术在住友金属公司鹿岛的3号连铸机获得应用，通过负极连接水口、正极连接塞棒构成回路，施加电流强度为100 A的直流电处理。结果证实，施加电流后水口内壁附着层厚度显著降低；施加电流强度为100 A的电流处理后，水口内壁比较光滑，与未加载电流相比，附着夹杂物数量明显减少。

在夹杂物迁移方面，日本学者和国内学者存在着较大的分歧，这可能是因为采用的电流形式和实验条件不同，但是均发现通电流后接负极的水口堵塞情况得到改善。也就是说，夹杂物的迁移是存在的，但是迁移的方向、迁移的机理以及带电荷的夹杂物与通电的水口之间的相互作用机理并不清楚。钢液中夹杂物的带电特性及其在电流中的行为有待深入研究。

表1^{[34,45,49,51,52,53,55,57,58,59,62,66,69,72,108,109]}总结了电流去除金属熔体中夹杂物的参数、效果和研究内容。铝液电熔剂精炼中，施加直流电/交流电可以提高熔剂对熔体中夹杂物的吸附，从而提高净化效果。但是，熔体中夹杂物所带电荷量难以测定，使得相关的数值模拟研究较少。而基于电磁斥力理论的电流净化研究则有较多的数值模拟，数据显示，分离夹杂物所需的电流密度多集中在10⁶ A/m²，这将产生较大的Joule热，增加能耗。而同样的电流密度下，脉冲电流则不仅具有较低的能耗，还具有较高的夹杂物去除效率。

为了进一步比较不同电流对夹杂物的去除效果，依据文献数据绘制了图26^{[34,49,54,56,57,58,68,69]}。图中符号尺寸越大代表夹杂物尺寸越大。实验数据表明，脉冲电流不仅对尺寸为5 μm以上的夹杂物具有较高的去除效率，并且所需的电流密度更小。而直流电或者交流电则对较大尺寸夹杂物去除效率较高，理论结果表明^[57]，若要对尺寸为5 μm以上的夹杂物具有同样的去除效率，电流密度数量级需要达到10⁷ A/m²。文献数据对比结果显示，脉冲电流在去除熔体中夹杂物方面具有较强的优势。

理论上电流强度越大对钢液中夹杂物的驱动力越大，然而，由于施加连续电流容易引起钢液流动，造成分离的夹杂物重新进入钢液，因此其具有较低的去除能力且能耗较大。而间歇性的脉冲电流可以在保证电流强度的前提下减弱钢液流动、降低能耗，因此其具有较好的净化效果。鉴于关于脉冲参数(电流、脉宽、频率)对净化效果的量化模型研究较少，使得电脉冲参数的选取与优化存在困难，因此，目前通常采用半经验的方法选取脉冲参数。脉冲电流净化钢液时要考虑电极位置对夹杂物迁移方向的影响，电极插入方式要利于夹杂物的上浮去除，且操作便捷。脉冲电流参数设置主要考虑的条件有：(1) 防止脉冲频率过高引起电流集肤效应和钢液流动，这会降低净化效果；(2) 降低脉宽和频率可以降低能耗，减弱钢液紊流；(3) 在避免引起钢液紊流的前提下提高电流强度可增强净化效果。在脉冲电流抑制水口堵塞方面应防止施加电流强度过高引起水口内部钢流收缩，钢流的收缩会造成钢液与水口界面接触变差，甚至存在微空隙，微空隙的存在将造成水口堵塞加剧。

历经60多年的发展，电流控制夹杂物在理论、实验和实践方面不断发展。由于Kolin^[33]提出的电场和磁场复合方法需要2套独立设备，增加了成本、提高了技术难度。因此，日本学者基于电磁斥力理论提出采用交流电流去除夹杂物^[34]。然而，研究发现交流电/直流电造成较高的能耗，且对尺寸小于20 μm以下的夹杂物去除效果不理想。随后，Makarov等^[61]基于电磁斥力理论建立了利用脉冲电流去除夹杂物的理论模型。这一时期由于理论的限制，数值模拟研究多基于单个夹杂物进行，大多将电流净化研究集中于夹杂物分离方面，对电流场中夹杂物形态演化和多个夹杂物相互作用的研究较少。2013年，Zhang等^[65]首次进行了利用脉冲电流分离钢液中夹杂物的实验，并提出了电自由能驱动理论。此后，基于电自由能驱动理论，针对电流对夹杂物细化、形态与取向和相互作用影响的研究得以广泛开展。Dai等^[108,109]基于电泳理论将脉冲电流应用于实际生产，即抑制浸入式水口堵塞。可见，脉冲电流及其工业应用成为当下研究的热点。

目前，关于电流去除夹杂物的理论尚存在争议，对电脉冲作用机理的认识并不统一，相关理论模型的研究进展缓慢。因此，接下来电脉冲的研究重点应放在以下几方面：(1) 电脉冲关键参数如频率、电流、脉宽、波形以及电极插入方式等不同实验条件下对夹杂物净化的效果，如何依据金属和夹杂物类型选取最优的电脉冲参数，这对理论指导电脉冲去除夹杂物非常重要；(2) 电脉冲引起的非金属颗粒之间的相互作用应该予以更多的关注，研究采用电流促进夹杂物之间的聚合长大，强化气泡捕获夹杂物的能力，对于快速净化金属液具有实际意义；(3) 加快建立模型来预测电脉冲作用下非金属颗粒和金属组织结构演化方向，并最终实现电脉冲控制金属组织、夹杂物形态与分布。但是，由于目前电流控制非金属颗粒理论尚存在争议，使得预测模型的建立面临挑战；(4)目前，电脉冲控制夹杂物多见于实验室和数值模拟，处理的金属熔体体积远小于实际工业生产，电脉冲能否应用于工业体积熔体中夹杂物的去除有待于进一步验证。虽然电脉冲去除夹杂物的相关理论与实验有待进一步探索，但是由于其相比于连续电流具有低能耗、参数调控灵活且夹杂物去除能力强等优点，尤其是电脉冲能够有效分离钢液中尺寸为5 μm以上的夹杂物。因此，电脉冲去除夹杂物技术有望成为一种新兴的高效、绿色、超洁净化的净化手段。

近20年来，稀土在钢中的应用工作得到了国家有关部门的重视和大力支持。我国稀土资源丰富，钢材产量位居世界第一，为稀土钢的发展提供了坚实的基础。稀土特殊钢冶炼有利于稀土资源的平衡利用，促进稀土产业健康发展；有利于提升钢铁材料质量水平，达到或超过国外先进企业产品质量水平，摆脱国外对中国高端装备关键材料的限制。然而，稀土添加后钢液形成高熔点稀土氧化物，由于其难聚集、难上浮、难去除且易粘附在水口内壁等，容易造成水口结瘤，引发非常严重的水口堵塞。国内冶炼实践表明，钢液添加稀土后连浇炉次由6炉次变为不超过2炉次，严重影响连铸生产的连续性。目前，水口堵塞已成为国内外发展及推广稀土钢的绊脚石，是长期以来困扰连铸工序的世界性难题，而传统方法在抑制添加稀土造成的水口堵塞方面效果甚微。目前，已经发现脉冲电流在夹杂物去除和抑制水口堵塞方面具有独特的优势。若采用脉冲电流去除微小夹杂物、净化中间包钢液，同时对中间包连铸机水口施加脉冲电流抑制水口堵塞，那么这种双联操控技术有望解决工业冶炼稀土钢、高铝钢或含钛钢等过程中浸入式水口堵塞的问题，具有极佳的工业应用前景。