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，其所需要的臨界自由能變化ΔGhetero*與均質(zhì)形核也不同，這個差異可用關(guān)于兩相接觸角的函數(shù)f(θ)來彌補，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)?？芍?，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，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，同時整個形核周期變短，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，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。本研究熱模擬試驗的結(jié)果也顯示，隨著鋼液中初始氧、硫元素質(zhì)量分數(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，如擴散長大、不同運動引起的團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)律的運動。因此本文在僅考慮夾雜物擴散長大的前提下，對其運動進行分析。鋼液中的脫氧產(chǎn)物的凝聚時間t見式(11)。可知，夾雜物的聚集時間與夾雜物的尺寸相關(guān)，尺寸越小的粒子團聚所需要的時間越少。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，可進一步形成更大尺寸的粒子，這些團聚的粒子上浮速度加快，上浮且去除的效率更高。鄭立春及其團隊的研究揭示，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，會導(dǎo)致鋼液與夾雜物的接觸角擴大，從而使得夾雜物的聚集度提高，結(jié)果如圖11所示。本研究熱模擬試驗數(shù)據(jù)也顯示，當(dāng)鋼中氧、硫質(zhì)量分數(shù)升高時，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為體積擴散率，cm2/s。

綜上，工業(yè)生產(chǎn)調(diào)研與小爐熱模擬試驗均證明，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)量分數(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，而應(yīng)利用表面活性元素對氧化物夾雜在鋼液中運動的影響，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進站前鋼中含有一定量的硫元素。初步建議精煉時鋼液中硫質(zhì)量分數(shù)約為0.014%，氧質(zhì)量分數(shù)約為0.003%，更易于脫氧產(chǎn)物的形核、團聚與運動上浮。

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)量分數(shù)，隨著初始硫質(zhì)量分數(shù)的升高，鋼渣反應(yīng)30 min后，終點硫質(zhì)量分數(shù)可降到0.002 6%；固定鋼中硫質(zhì)量分數(shù)，隨著全氧質(zhì)量分數(shù)的升高，終點全氧質(zhì)量分數(shù)可降到0.001 4%以下。

2)在全氧質(zhì)量分數(shù)約為0.001 2%的前提下，鋼中硫質(zhì)量分數(shù)從0.007%上升到0.016%時，夾雜物的去除率從10%上升到60%左右；在鋼中硫質(zhì)量分數(shù)為0.007%的前提下，鋼中全氧質(zhì)量分數(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)量分數(shù)的升高呈減小的趨勢。這是由于氧、硫質(zhì)量分數(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長穩(wěn)定的情況下，不必一味追求超低硫的指標，在LF化渣前控制硫質(zhì)量分數(shù)到0.014%、氧質(zhì)量分數(shù)到0.003 0%，可提高鋼中非金屬夾雜物的去除率，同時降低夾雜物尺寸。

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，對夾雜物成分變化做更深一步的探究，同時考慮脫氧產(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精煉進站前氧、硫質(zhì)量分數(shù)合理的控制范圍。