由于鋼液中合金化合物粒子的存在，使得非均質(zhì)形核的脫氧核心結(jié)構(gòu)不同于均質(zhì)形核，因此，非均質(zhì)形核生成臨界半徑脫氧產(chǎn)物時(shí)，其所需要的臨界自由能變化ΔGhetero*與均質(zhì)形核也不同，這個(gè)差異可用關(guān)于兩相接觸角的函數(shù)f(θ)來彌補(bǔ)，見式(5)和式(6)。兩相之間的接觸角θ越大，給形核造成的困難也越大。

夾雜物的形核與夾雜物和鋼液間的界面張力有關(guān)，式(7)~式(9)為關(guān)于界面張力的函數(shù)。可知，夾雜物與鋼液間的界面張力降低，臨界過飽和度S*降低，夾雜物的形核率升高。

式中：I為1 cm3的鐵液每秒形核率；kB為玻耳茲曼常數(shù)，1.381×10-23J/K；A為不同氧化物對應(yīng)的常數(shù)，氧化鋁的A為1032m-3/s。

圖9所示為界面張力γsl對于CaO-Al2O3型以及SiO2-MnO型夾雜形核率的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)界面張力減少時(shí)，這2種類型的夾雜的形核率也相應(yīng)提高。這說明，較小的界面張力有助于脫氧產(chǎn)物的生成，同時(shí)整個(gè)形核周期變短，也使得這些非金屬夾雜的尺寸分布變得更加平衡。

圖9形核率與界面張力的關(guān)系

夾雜物與鋼液間的界面張力不僅會影響夾雜物的形核率，還會影響形核半徑的大小。以Al2O3為例，Al2O3的形核半徑和鋼液與Al2O3的界面張力的關(guān)系可以用式(10)來描述。

式中：γ為半徑為r的Al2O3與鋼液的界面張力，N/m；γ0為r無窮大(零曲率)時(shí)鋼液與Al2O3的界面張力，2.328 N/m；Γ為表面過剩量，mol/m2。

脫氧產(chǎn)物形核半徑與界面張力的關(guān)系如圖10所示，可知，Al2O3和鋼液之間的界面張力會直接影響Al2O3的形核半徑。當(dāng)Al2O3和鋼液的界面張力降低時(shí)，Al2O3的形核半徑也會相應(yīng)減小。因此，界面張力的降低會推動形核的發(fā)生，也會縮小形核半徑的大小。本研究熱模擬試驗(yàn)的結(jié)果也顯示，隨著鋼液中初始氧、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，重軌鋼中非金屬夾雜物的尺寸呈減小的趨勢。

圖10脫氧產(chǎn)物形核半徑與界面張力的關(guān)系

3.3界面張力對夾雜物聚集的影響

在鋼液中，非金屬夾雜物的形成、碰撞、團(tuán)聚、長大和去除會對鋼水的潔凈度產(chǎn)生很大的影響。由于夾雜物在鋼液中的長大行為有多種方式，如擴(kuò)散長大、不同運(yùn)動引起的團(tuán)聚碰撞以及夾雜物之間的相互作用等都將造成粒子在鋼液中復(fù)雜且不規(guī)律的運(yùn)動。因此本文在僅考慮夾雜物擴(kuò)散長大的前提下，對其運(yùn)動進(jìn)行分析。鋼液中的脫氧產(chǎn)物的凝聚時(shí)間t見式(11)。可知，夾雜物的聚集時(shí)間與夾雜物的尺寸相關(guān)，尺寸越小的粒子團(tuán)聚所需要的時(shí)間越少。與尺寸較大的粒子相比，小尺寸的粒子產(chǎn)生碰撞并聚合的概率更大，可進(jìn)一步形成更大尺寸的粒子，這些團(tuán)聚的粒子上浮速度加快，上浮且去除的效率更高。鄭立春及其團(tuán)隊(duì)的研究揭示，當(dāng)鋼液的表面張力以及其與夾雜物之間的界面張力下降時(shí)，會導(dǎo)致鋼液與夾雜物的接觸角擴(kuò)大，從而使得夾雜物的聚集度提高，結(jié)果如圖11所示。本研究熱模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)也顯示，當(dāng)鋼中氧、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高時(shí)，鋼渣反應(yīng)前后夾雜物的去除率會有所提高。

圖11氧化鋁夾雜潤濕性和聚集度的關(guān)系

式中：X為橫截面半徑，X=r/3，cm；K為形狀因子，10~100；DV為體積擴(kuò)散率，cm2/s。

綜上，工業(yè)生產(chǎn)調(diào)研與小爐熱模擬試驗(yàn)均證明，鋼液中氧硫元素會對夾雜物的去除產(chǎn)生影響，鋼液中夾雜物總量并不完全與氧、硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正比關(guān)系。鋼廠在冶煉重軌鋼的過程中，不應(yīng)以超低硫、超低氧元素含量為目標(biāo)，而應(yīng)利用表面活性元素對氧化物夾雜在鋼液中運(yùn)動的影響，在鐵水預(yù)處理過程中適當(dāng)減少脫硫劑的使用或在轉(zhuǎn)爐渣料中減少石灰成分，以保證LF進(jìn)站前鋼中含有一定量的硫元素。初步建議精煉時(shí)鋼液中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.014%，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.003%，更易于脫氧產(chǎn)物的形核、團(tuán)聚與運(yùn)動上浮。

4結(jié)論與展望

1)鋼中氧、硫元素含量的提高對鋼渣反應(yīng)過程中夾雜物去除有顯著的效果。固定鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨著初始硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，鋼渣反應(yīng)30 min后，終點(diǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降到0.002 6%；固定鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨著全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，終點(diǎn)全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降到0.001 4%以下。

2)在全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.001 2%的前提下，鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.007%上升到0.016%時(shí)，夾雜物的去除率從10%上升到60%左右；在鋼中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.007%的前提下，鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.001 2%上升到0.004 4%，夾雜物的去除率從10%上升到70%左右；夾雜物的平均尺寸隨著鋼中氧、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高呈減小的趨勢。這是由于氧、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加使鋼液表面張力及其與夾雜物間的界面張力降低，夾雜物的形核率增大、形核半徑減小，小尺寸的夾雜物粒子更易于團(tuán)聚長大并從鋼液中上浮去除。

3)鋼廠可在保持渣成分穩(wěn)定、鋼液溫度降幅不大且精煉時(shí)長穩(wěn)定的情況下，不必一味追求超低硫的指標(biāo)，在LF化渣前控制硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)到0.014%、氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)到0.003 0%，可提高鋼中非金屬夾雜物的去除率，同時(shí)降低夾雜物尺寸。

4)由于硫化物主要是在鋼液凝固過程中析出，本文注重研究熔融金屬中表面活性元素對脫氧產(chǎn)物的影響，因此未將硫化物夾雜一同統(tǒng)計(jì)分析。國內(nèi)對重軌鋼夾雜的研究一般傾向于深脫硫以減少鑄坯中硫化物的析出。下一步，作者將繼續(xù)開展熱模擬試驗(yàn)，對夾雜物成分變化做更深一步的探究，同時(shí)考慮脫氧產(chǎn)物與凝固析出物，研究初始氧、硫含量對硫化物夾雜、氧硫復(fù)合夾雜的影響，從而得到LF精煉進(jìn)站前氧、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)合理的控制范圍。