J55钢管连铸坯中杂质元素的来源及消除方法

蔡园华

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

随着现代化建设的不断加快，钢材产品的价格也在逐渐升高，同时也带动了钢材企业的经济效益，新建或正在新建中的钢材生产企业不断涌现，目前钢材生产行业的现状必将会导致后续几年钢铁行业的竞争更加激烈[1]。钢材产品的质量及生产成本是钢材生产企业的生存关键，而钢的纯净度优势决定钢材的质量。以此，目前钢材生产行业的重点研究内容是钢材生产的出你孤独，尤其是钢材连铸坯的夹杂物更是成为了钢材生产企业的重点关注问题。目前对于现行工艺条件下的J55钢管连铸坯的杂质元素的来源还不明确，对此本文为了解决钢材生产企业钢水洁净度水平以及各项基本工序对杂质的去除影响问题，对J55钢管连铸坯中杂质元素的来源进行分析，并提出一种新的消除杂质元素的方法，从而高J55钢管现有产品的质量，为钢材生产企业的可持续发提供帮助。

1 J55钢管连铸坯中杂质元素的来源

随着工业生产的发展以及相关生产技术的进步，对于J55钢管的性能要求也越来越高，为了能够适应工业生产高强度、高寿命的生产需要，纯净J55钢管的研制和开发是十分必要的[2]。J55钢管连铸坯中含有杂质元素的主要表现为总氧含量较高，非金属元素数量多，分布不均匀、脆性夹杂物较多等。J55钢管连铸坯中大量杂质元素的主要来源包括：首先，炼钢过程中脱氧以及脱硫环节的产物没有进行及时的排放，大量元素储存在连铸坯当中；其次，随着炼钢工艺的进行，钢液的温度会随之降低，而连铸坯中的杂质元素的溶解度受到影响，造成溶解降低，导致不能够进行溶解的杂质元素以非金属化合物的形式沉淀在连铸坯当中；第三，在冶炼过程中产生了较多的炉渣、熔渣以及耐火材料随着钢液一同进入到连铸坯当中，形成杂质；最后，当钢液接触到大气中的气体时产生了氧化物，形成了杂质元素。

为了更加清晰的确定J55钢管连铸坯中杂质元素的来源，结合J55钢管生产工艺流程进行详细的说明。通常情况下，在J55钢管生产工艺中，冶炼好的原材料需要进行预处理后才能在转炉中进行下一步的吹炼工序。预处理实际上是将钢水进行脱硫、脱碳、脱氧等处理，在向钢水中添加脱碳剂、脱硫剂等材料时，会造成一定杂质元素的产生[3]。同时，钢水中可能含有规模较大的脱硫、脱氧产物可能没有进行及时的过滤存在钢水当中形成了杂质元素。完成预处理后的钢水在与炉渣以及耐火材料接触后被共同融入到连铸坯当中，并且残渣与连铸坯表面也会产生相应的氧化反应，造成更多的杂质元素产生。

在连铸过程中，除了上述环节会产生杂质元素外，还包括以下两种情况产生杂质元素，分别是保护渣效果较差和液体流通口位置没有假设保护装置的情况。在这两种情况下，连铸坯中的钢液会引发二次氧化反应，进一步产生杂质元素[4]。因此，通过上述分析得出，在J55钢管过程中，钢的冶炼以及连铸过程实质上就是J55钢管连铸坯中产生杂质元素的过程。在钢材生产企业中，完全避免J55钢管连铸坯中产生杂质元素是不可能的，但可以通过本文下述两个方式对其中的资质元素进行消除。

2 J55钢管连铸坯中杂质元素消除方法设计

2.1 消除上浮杂质元素

在进行J55钢管冶炼时，连铸坯中含有的某一部分杂质元素会随着上浮的速度向残渣中的顶部渣层结构运动，当残渣达到顶层后停留的平均时间会明显小于连铸坯中钢水的停留时间。因此，夹杂在其中的杂质元素上浮部分可以通过顶渣层消除。对于顶渣层中杂质元素的界定要设置一个临界大小，杂质元素一旦超过临界点，则表示为上浮杂质元素，利用该方法去除。该方法的表达式为：

公式（1）中，v表示为连铸坯中杂质元素的上浮速度以及钢液的水平速度；表示为冶炼J55钢管时钢液的密度；表示为冶炼J55钢管时杂质元素的密度；l表示为杂质元素的直径；a表示为冶炼过程中的重力加速度。

2.2 消除粘附杂质元素

J55钢管连铸坯中杂质元素除了会自动上浮的元素外，还包括粘附在连铸坯当中的杂质元素，在连铸坯的底部、外壁以及挡板等连铸坯的固体表面上，形成一种具有一定浓度的边界层[5]。通常情况下，生产J55钢管时，这层边界层的厚度约为15mm～65mm，在这一层边界层之内的杂质元素不会沿着某一方向上浮，因此无法通过本文上述方法对其进行消除。通过吸附的方式将粘附在连铸坯中的杂质元素消除的表达式为：

公式（2）中，β表示为粘附在连铸坯中的杂质元素数量；S表示为固体表面面积；R表示为杂质元素的半径长度；τ表示为固体表面的剪切力；表示为边界层外杂质元素的数量密度。

3 实验论证分析

为了进一步验证本文上述提出的消除方法具有一定的应用价值，选择某钢材生产企业的J55钢管连铸坯作为实验对象，分别利用本文方法与传统消除方法对3个连铸坯中含有的杂质元素进行消除，共进行6次实验，其中利用本文消除方法设为实验组，利用传统消除方法设为对照组，最后通过相应的测量计算出两种方法处理后的连铸坯中的杂质元素质量分数，并将实验结果绘制成如表1所示。

表1 实验组与对照组实验结果对比

根据表1中的数据可以看出，实验组中的杂质元素质量分数明显低于对照组杂质元素的质量分数。因此，通过实验进一步证明本文提出的消除方法可以消除J55钢管连铸坯中绝大多数的杂质元素，在钢材生产过程中具有更高的应用价值，利用本文提出的消除方法可以有效保证J55钢管的生产质量，提供钢材生产企业的生产水平。

4 结语

本文通过对J55钢管连铸坯中杂质元素的来源进行详细的分析，并以此为基础，提出了新的消除J55钢管连铸坯中杂质元素的方法。

通过对比实验的形式进一步证明了该方法的有效性。同时，除本文消除方法外，还可以通过调整生产的工艺流程对J55钢管连铸坯中的杂质元素质量分数进行控制，例如改变脱氧制度，在条件允许的情况下，降低脱氧剂的用量；提高钢包顶渣的冶炼效果等。