J55鋼管連鑄坯中雜質元素的來源及消除方法

蔡園華

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

隨著現代化建設的不斷加快，鋼材產品的價格也在逐漸升高，同時也帶動了鋼材企業的經濟效益，新建或正在新建中的鋼材生產企業不斷涌現，目前鋼材生產行業的現狀必將會導致后續幾年鋼鐵行業的競爭更加激烈[1]。鋼材產品的質量及生產成本是鋼材生產企業的生存關鍵，而鋼的純凈度優勢決定鋼材的質量。以此，目前鋼材生產行業的重點研究內容是鋼材生產的出你孤獨，尤其是鋼材連鑄坯的夾雜物更是成為了鋼材生產企業的重點關注問題。目前對于現行工藝條件下的J55鋼管連鑄坯的雜質元素的來源還不明確，對此本文為了解決鋼材生產企業鋼水潔凈度水平以及各項基本工序對雜質的去除影響問題，對J55鋼管連鑄坯中雜質元素的來源進行分析，并提出一種新的消除雜質元素的方法，從而高J55鋼管現有產品的質量，為鋼材生產企業的可持續發提供幫助。

1 J55鋼管連鑄坯中雜質元素的來源

隨著工業生產的發展以及相關生產技術的進步，對于J55鋼管的性能要求也越來越高，為了能夠適應工業生產高強度、高壽命的生產需要，純凈J55鋼管的研制和開發是十分必要的[2]。J55鋼管連鑄坯中含有雜質元素的主要表現為總氧含量較高，非金屬元素數量多，分布不均勻、脆性夾雜物較多等。J55鋼管連鑄坯中大量雜質元素的主要來源包括：首先，煉鋼過程中脫氧以及脫硫環節的產物沒有進行及時的排放，大量元素儲存在連鑄坯當中；其次，隨著煉鋼工藝的進行，鋼液的溫度會隨之降低，而連鑄坯中的雜質元素的溶解度受到影響，造成溶解降低，導致不能夠進行溶解的雜質元素以非金屬化合物的形式沉淀在連鑄坯當中；第三，在冶煉過程中產生了較多的爐渣、熔渣以及耐火材料隨著鋼液一同進入到連鑄坯當中，形成雜質；最后，當鋼液接觸到大氣中的氣體時產生了氧化物，形成了雜質元素。

為了更加清晰的確定J55鋼管連鑄坯中雜質元素的來源，結合J55鋼管生產工藝流程進行詳細的說明。通常情況下，在J55鋼管生產工藝中，冶煉好的原材料需要進行預處理后才能在轉爐中進行下一步的吹煉工序。預處理實際上是將鋼水進行脫硫、脫碳、脫氧等處理，在向鋼水中添加脫碳劑、脫硫劑等材料時，會造成一定雜質元素的產生[3]。同時，鋼水中可能含有規模較大的脫硫、脫氧產物可能沒有進行及時的過濾存在鋼水當中形成了雜質元素。完成預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中，并且殘渣與連鑄坯表面也會產生相應的氧化反應，造成更多的雜質元素產生。

在連鑄過程中，除了上述環節會產生雜質元素外，還包括以下兩種情況產生雜質元素，分別是保護渣效果較差和液體流通口位置沒有假設保護裝置的情況。在這兩種情況下，連鑄坯中的鋼液會引發二次氧化反應，進一步產生雜質元素[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質上就是J55鋼管連鑄坯中產生雜質元素的過程。在鋼材生產企業中，完全避免J55鋼管連鑄坯中產生雜質元素是不可能的，但可以通過本文下述兩個方式對其中的資質元素進行消除。

2 J55鋼管連鑄坯中雜質元素消除方法設計

2.1 消除上浮雜質元素

在進行J55鋼管冶煉時，連鑄坯中含有的某一部分雜質元素會隨著上浮的速度向殘渣中的頂部渣層結構運動，當殘渣達到頂層后停留的平均時間會明顯小于連鑄坯中鋼水的停留時間。因此，夾雜在其中的雜質元素上浮部分可以通過頂渣層消除。對于頂渣層中雜質元素的界定要設置一個臨界大小，雜質元素一旦超過臨界點，則表示為上浮雜質元素，利用該方法去除。該方法的表達式為：

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

2.2 消除粘附雜質元素

J55鋼管連鑄坯中雜質元素除了會自動上浮的元素外，還包括粘附在連鑄坯當中的雜質元素，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J55鋼管時，這層邊界層的厚度約為15mm～65mm，在這一層邊界層之內的雜質元素不會沿著某一方向上浮，因此無法通過本文上述方法對其進行消除。通過吸附的方式將粘附在連鑄坯中的雜質元素消除的表達式為：

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

3 實驗論證分析

為了進一步驗證本文上述提出的消除方法具有一定的應用價值，選擇某鋼材生產企業的J55鋼管連鑄坯作為實驗對象，分別利用本文方法與傳統消除方法對3個連鑄坯中含有的雜質元素進行消除，共進行6次實驗，其中利用本文消除方法設為實驗組，利用傳統消除方法設為對照組，最后通過相應的測量計算出兩種方法處理后的連鑄坯中的雜質元素質量分數，并將實驗結果繪制成如表1所示。

表1 實驗組與對照組實驗結果對比

根據表1中的數據可以看出，實驗組中的雜質元素質量分數明顯低于對照組雜質元素的質量分數。因此，通過實驗進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的雜質元素，在鋼材生產過程中具有更高的應用價值，利用本文提出的消除方法可以有效保證J55鋼管的生產質量，提供鋼材生產企業的生產水平。

4 結語

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

通過對比實驗的形式進一步證明了該方法的有效性。同時，除本文消除方法外，還可以通過調整生產的工藝流程對J55鋼管連鑄坯中的雜質元素質量分數進行控制，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。