蔡園華

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的不斷加快，鋼材產(chǎn)品的價(jià)格也在逐漸升高，同時(shí)也帶動(dòng)了鋼材企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，新建或正在新建中的鋼材生產(chǎn)企業(yè)不斷涌現(xiàn)，目前鋼材生產(chǎn)行業(yè)的現(xiàn)狀必將會(huì)導(dǎo)致后續(xù)幾年鋼鐵行業(yè)的競爭更加激烈[1]。鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)成本是鋼材生產(chǎn)企業(yè)的生存關(guān)鍵，而鋼的純凈度優(yōu)勢決定鋼材的質(zhì)量。以此，目前鋼材生產(chǎn)行業(yè)的重點(diǎn)研究內(nèi)容是鋼材生產(chǎn)的出你孤獨(dú)，尤其是鋼材連鑄坯的夾雜物更是成為了鋼材生產(chǎn)企業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注問題。目前對于現(xiàn)行工藝條件下的J55鋼管連鑄坯的雜質(zhì)元素的來源還不明確，對此本文為了解決鋼材生產(chǎn)企業(yè)鋼水潔凈度水平以及各項(xiàng)基本工序?qū)﹄s質(zhì)的去除影響問題，對J55鋼管連鑄坯中雜質(zhì)元素的來源進(jìn)行分析，并提出一種新的消除雜質(zhì)元素的方法，從而高J55鋼管現(xiàn)有產(chǎn)品的質(zhì)量，為鋼材生產(chǎn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)提供幫助。

1 J55鋼管連鑄坯中雜質(zhì)元素的來源

隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展以及相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，對于J55鋼管的性能要求也越來越高，為了能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)高強(qiáng)度、高壽命的生產(chǎn)需要，純凈J55鋼管的研制和開發(fā)是十分必要的[2]。J55鋼管連鑄坯中含有雜質(zhì)元素的主要表現(xiàn)為總氧含量較高，非金屬元素?cái)?shù)量多，分布不均勻、脆性夾雜物較多等。J55鋼管連鑄坯中大量雜質(zhì)元素的主要來源包括：首先，煉鋼過程中脫氧以及脫硫環(huán)節(jié)的產(chǎn)物沒有進(jìn)行及時(shí)的排放，大量元素儲(chǔ)存在連鑄坯當(dāng)中；其次，隨著煉鋼工藝的進(jìn)行，鋼液的溫度會(huì)隨之降低，而連鑄坯中的雜質(zhì)元素的溶解度受到影響，造成溶解降低，導(dǎo)致不能夠進(jìn)行溶解的雜質(zhì)元素以非金屬化合物的形式沉淀在連鑄坯當(dāng)中；第三，在冶煉過程中產(chǎn)生了較多的爐渣、熔渣以及耐火材料隨著鋼液一同進(jìn)入到連鑄坯當(dāng)中，形成雜質(zhì)；最后，當(dāng)鋼液接觸到大氣中的氣體時(shí)產(chǎn)生了氧化物，形成了雜質(zhì)元素。

為了更加清晰的確定J55鋼管連鑄坯中雜質(zhì)元素的來源，結(jié)合J55鋼管生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行詳細(xì)的說明。通常情況下，在J55鋼管生產(chǎn)工藝中，冶煉好的原材料需要進(jìn)行預(yù)處理后才能在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行下一步的吹煉工序。預(yù)處理實(shí)際上是將鋼水進(jìn)行脫硫、脫碳、脫氧等處理，在向鋼水中添加脫碳劑、脫硫劑等材料時(shí)，會(huì)造成一定雜質(zhì)元素的產(chǎn)生[3]。同時(shí)，鋼水中可能含有規(guī)模較大的脫硫、脫氧產(chǎn)物可能沒有進(jìn)行及時(shí)的過濾存在鋼水當(dāng)中形成了雜質(zhì)元素。完成預(yù)處理后的鋼水在與爐渣以及耐火材料接觸后被共同融入到連鑄坯當(dāng)中，并且殘?jiān)c連鑄坯表面也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的氧化反應(yīng)，造成更多的雜質(zhì)元素產(chǎn)生。

在連鑄過程中，除了上述環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)元素外，還包括以下兩種情況產(chǎn)生雜質(zhì)元素，分別是保護(hù)渣效果較差和液體流通口位置沒有假設(shè)保護(hù)裝置的情況。在這兩種情況下，連鑄坯中的鋼液會(huì)引發(fā)二次氧化反應(yīng)，進(jìn)一步產(chǎn)生雜質(zhì)元素[4]。因此，通過上述分析得出，在J55鋼管過程中，鋼的冶煉以及連鑄過程實(shí)質(zhì)上就是J55鋼管連鑄坯中產(chǎn)生雜質(zhì)元素的過程。在鋼材生產(chǎn)企業(yè)中，完全避免J55鋼管連鑄坯中產(chǎn)生雜質(zhì)元素是不可能的，但可以通過本文下述兩個(gè)方式對其中的資質(zhì)元素進(jìn)行消除。

2 J55鋼管連鑄坯中雜質(zhì)元素消除方法設(shè)計(jì)

2.1 消除上浮雜質(zhì)元素

在進(jìn)行J55鋼管冶煉時(shí)，連鑄坯中含有的某一部分雜質(zhì)元素會(huì)隨著上浮的速度向殘?jiān)械捻敳吭鼘咏Y(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)殘?jiān)_(dá)到頂層后停留的平均時(shí)間會(huì)明顯小于連鑄坯中鋼水的停留時(shí)間。因此，夾雜在其中的雜質(zhì)元素上浮部分可以通過頂渣層消除。對于頂渣層中雜質(zhì)元素的界定要設(shè)置一個(gè)臨界大小，雜質(zhì)元素一旦超過臨界點(diǎn)，則表示為上浮雜質(zhì)元素，利用該方法去除。該方法的表達(dá)式為：

公式（1）中，v表示為連鑄坯中雜質(zhì)元素的上浮速度以及鋼液的水平速度；表示為冶煉J55鋼管時(shí)鋼液的密度；表示為冶煉J55鋼管時(shí)雜質(zhì)元素的密度；l表示為雜質(zhì)元素的直徑；a表示為冶煉過程中的重力加速度。

2.2 消除粘附雜質(zhì)元素

J55鋼管連鑄坯中雜質(zhì)元素除了會(huì)自動(dòng)上浮的元素外，還包括粘附在連鑄坯當(dāng)中的雜質(zhì)元素，在連鑄坯的底部、外壁以及擋板等連鑄坯的固體表面上，形成一種具有一定濃度的邊界層[5]。通常情況下，生產(chǎn)J55鋼管時(shí)，這層邊界層的厚度約為15mm～65mm，在這一層邊界層之內(nèi)的雜質(zhì)元素不會(huì)沿著某一方向上浮，因此無法通過本文上述方法對其進(jìn)行消除。通過吸附的方式將粘附在連鑄坯中的雜質(zhì)元素消除的表達(dá)式為：

公式（2）中，β表示為粘附在連鑄坯中的雜質(zhì)元素?cái)?shù)量；S表示為固體表面面積；R表示為雜質(zhì)元素的半徑長度；τ表示為固體表面的剪切力；表示為邊界層外雜質(zhì)元素的數(shù)量密度。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文上述提出的消除方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值，選擇某鋼材生產(chǎn)企業(yè)的J55鋼管連鑄坯作為實(shí)驗(yàn)對象，分別利用本文方法與傳統(tǒng)消除方法對3個(gè)連鑄坯中含有的雜質(zhì)元素進(jìn)行消除，共進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，其中利用本文消除方法設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，利用傳統(tǒng)消除方法設(shè)為對照組，最后通過相應(yīng)的測量計(jì)算出兩種方法處理后的連鑄坯中的雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組中的雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于對照組雜質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明本文提出的消除方法可以消除J55鋼管連鑄坯中絕大多數(shù)的雜質(zhì)元素，在鋼材生產(chǎn)過程中具有更高的應(yīng)用價(jià)值，利用本文提出的消除方法可以有效保證J55鋼管的生產(chǎn)質(zhì)量，提供鋼材生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)水平。

4 結(jié)語

本文通過對J55鋼管連鑄坯中雜質(zhì)元素的來源進(jìn)行詳細(xì)的分析，并以此為基礎(chǔ)，提出了新的消除J55鋼管連鑄坯中雜質(zhì)元素的方法。

通過對比實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)一步證明了該方法的有效性。同時(shí)，除本文消除方法外，還可以通過調(diào)整生產(chǎn)的工藝流程對J55鋼管連鑄坯中的雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行控制，例如改變脫氧制度，在條件允許的情況下，降低脫氧劑的用量；提高鋼包頂渣的冶煉效果等。