电炉出钢过程温降规律的研究

1、电炉出钢过程温降规律的研究杨 强 刘 浏 摘 要 根据传热学方程,计算了电炉出钢过程钢包炉衬温度分布及钢水温度随时间变化的规律。给出计算措施及现场应用的可行性。核心词 温降规律 温降模型 电炉tudyon aw of Temerature DrpDrg Tappingfrom Eecic rc Furnacea Qing Liu iu(Centra Iron & Se Rearh nstitute,Bijg) sactccoding t t hrmodynamic quatios,te laws o lale lnngteperature srbutioad e ral-tie tematref mlten teel i ladledrin aping ar calulted.This paer alo prove algrims fr the sultionsand hei easibiy a sie. Kyords lawoftemptur op model f emperatre dr ectricfurace1前言随着市场对高质量、低价格钢材的规定，钢材供应商为提高其产品竞争力

2、都在努力改善炼钢工艺和炼钢设备,以便进一步减少生产成本和提高产品质量。电炉LF炉连铸三位一体生产工艺已经成为当今电炉短流程炼钢不可分割的部分。对钢水温度的精确估计和控制在现代钢种生产中起着举足轻重的作用，国内和国外在这方面均做了大量工作16，但由于炼钢现场的多样性和复杂性,其计算成果或是不抱负,或是只合用于某一种现场。本文的目的在于通过模拟计算电炉出钢以及钢水运送过程的温降,为此后控制电炉生产过程中钢包及钢水温度提供理论根据。2 电炉出钢过程钢水温度数学模型 电炉出钢过程的钢水温降由如下三部分构成：从电炉出钢口到钢水接触钢包底(或包中钢水)之前由于自由辐射和对流导致的钢水温降;钢水入包之后,由于钢水上表面对流辐射，包衬蓄热,钢包外表面、钢包内表面尚未被钢水覆盖但即将被覆盖部分的对流辐射导致了钢水的温降；出钢过程中，加合金导致了钢水温降。其中前两部分的模型如图1(a),(b)所示。图1 电炉出钢钢流温降模型(a),以及钢水沿包壁、包底的传热模型（b) 计算中钢包尺寸以抚顺特殊钢有限公司60t钢包炉作为参照。包壁、包底耐火材料由内到外分为高铝B32、高铝-、黏土轻质、硅酸铝（纤维毯)四层，

3、下文的计算已经考了各自的密度、比热容、导热系统等。同步在分析和计算这三个过程的温度变化之前,做了如下的假设: （1)电炉出钢过程中,出钢口钢水温度等于冶炼完毕时钢水温度;电炉出钢过程中钢水流量恒定;钢水注入包内符合自由落体运动规律;钢流横截面为圆形。 ()钢水注入包后,包壁看作无限长圆筒，包底看作无限大平板;钢流搅动钢水使得包内钢水温度均匀且不存在炉渣的影响；自出钢0之后开始加合金并且合金熔化均匀,出钢完毕合金熔化完毕。 （）计算钢包散热与蓄热时假定壁中温度只沿径向分布,包底中温度只沿轴向分布。21 出钢过程中钢流温降 该过程钢水的能量方程为：（1）2. 钢包散热与蓄热 钢包散热与蓄热重要就是得到包壁、包底中的温度场分布。根据前面假设,可以得到任一时刻从x=0到=Lr(见图1(b)传热方程及其边界条件、初始条件。 (2)23出钢过程中钢包对钢水温度的影响 此时钢水的能量平衡方程式为： Ms()p，ss+MCTq()+E（s()，K)=Cp,r0ns(TnT()） (3) 方程左边为吸热部分，右边为放热部分。其中左式第一项为时间内包中钢水吸取热量，第二项为时间内钢包包衬吸取热量,第三项为

4、钢包内外表面、包中钢水的对流辐射热，第四项为加合金对钢水温降的影响,右式是时间流入包内钢水带来的热量。q()A用下式表达，即:q()=（)Ab+q()Ar（)+qsu（)Au+qis（)Ss(4) 由于包中钢水高度随时间逐渐增长，因此实际计算钢水实时温度是一种反复叠代的过程。即把出钢时间进行等分，在第一种时间段里通过式(1)、(2)、(4)计算钢包蓄热量的变化，钢包包壁、包底和大气对流辐射热损失,然后通过式()计算该时间段完毕钢水温度;在第二个时间段时，以第一种时间段结束的钢水温度以及包衬温度场分布作为初始条件通过式()、(2)、（4)再次计算钢包蓄热量的变化,钢包包壁、包底的对流辐射热损失,然后通过式（3)计算该时间段完毕钢水温度。如此反复计算直到第n个时间段,此时钢水温度即为出钢完毕钢水温度。 计算成果与讨论.1 钢流温降的影响 图2为当钢水量为50t,T0=1650,出钢流量分别为.25t/n，71/n,10tm,12.t/min和1t/in时得到的钢流温降随钢流高度和钢水流量S变化的数据。对图数据进行回归解决,得到钢流温降随钢流量S和钢柱高度H变化规律的经验公式为：T=1052

5、42H/S (5)图2钢流温度随高度的变化3.2 包衬蓄热的影响 通过计算可以得到任一时刻、任一位置包壁、包底中的温度分布。图3(a)给出了空包烘烤完毕时包内壁温度为1000、800、500三种工况下相应的出钢结束时包壁径向温度分布 曲线。由图可见,钢水对包壁温度分布的影响重要集中在距壁面m以内(图中虚直线以左)的范畴,在m以外包壁温度基本上不受钢水温度的影响。包底轴向温度分布也具有类似的成果。图3(）给出了包底表面温度随出钢时间变化的状况。图3 包壁径向温度分布曲线（a)和包底内表面不同步刻的温度变化规律() 对于不同的出钢开始时钢包内表面温度，计算出钢后钢水温降值绘于图4。图 不同钢包内表面初始温度相应的钢水温降值 对图4数据进行多项式回归，得到式（6)的经验公式。其中Tr为包壁内表面初始温度。=75.982908-0.0394Tr3.6072710-5T2r-1.909210T3r（6)3出钢过程钢水温降的计算成果 图给出了一组当出钢时间为5min，包中钢水温度随加入的锰铁量和进程时间的实时变化规律。由图可见，i的出钢时间里,一开始时钢水温度下降较快，后来逐渐趋向平缓,这重要是随

6、着流入钢包钢水量的增多,包里钢水的蓄热量增长，包衬吸热、包壁和钢水面的对流辐射对钢水温度的影响也逐渐减少。经计算得到8，每吨钢增长1kg锰铁，钢水温降值大概为22。除锰铁外，其他合金的加入量及其导致的温降量见表1。图5 当出钢时间为5mi时,包中钢水温度随时间和加入锰铁量变化的实时值表1出钢过程合金加入量及其温降值合金名称硅粉焦碳粉硅铁高锰电极粉合金加入量/kg20200102100钢水降温度/.kg-1-1.514.1-.1.211 图6给出了当其他一切影响钢水温度的因素拟定的状况下,出钢结束时包中钢水总温降值随出钢总时间和包中原有残钢量(图中百分数表达的是残钢量占总出钢量的比值）的变化规律。由图6可以看出,当包中原有残钢量为，出钢时间为310mn时,出钢过程的总温降为500，每增长1%的残钢量，温降大体为.。 图6出钢完毕包中钢水温降值随出钢时间和残钢量的变化规律根据图5数据和表1,得到钢水温度值随合金加入量i（kg/t钢)的经验公式:T=100.9-2.213i 这里令1=Mn=10,2=S=-0.8,3C1.86,Si-Fe=-0.50,5=电极粉=.86。对图6的数据做线性回

7、归可以得到如下的钢水温度值同残钢量（%）和出钢时间t的经验公式:T160.7737-7994-3.43805t (8) 若觉得公式(5)(8)之间的温降值是不有关的,得到出钢过程钢水实时温度T为：T0(T0,H,S，Tr,i,I,t）k1(/)+k2+k3T2r+4T3r.2ii5+(9)这里T0是常量,是T0，H，,Tr,i，I，t的函数,k1k6和15的值由公式(5)（)得到。4 结 论 通过对电炉出钢过程的模拟计算，可以拟定出钢过程的钢水温降。钢流温降决定于钢水流量S和出钢高度。由于出钢时间较短,包壁散热对钢水温度基本没有影响,但包壁蓄热，特别是距包壁内表面mm以内内区域的包衬蓄热对出钢温降影响较大，即钢包内壁温度T对出钢温降有明显影响。出钢过程中加入的合金量及其种类以及包内残存钢渣量都对出钢温降有明显的影响,粗略地可用公式()来估算。符号阐明：r钢流横截面积的半径/mCP钢水比热.(kg.)-钢水对外对流换热系数/.M2.K1）钢水黑度系数（无量纲)s钢水密度/kg.3环境温度/K钢流速度m.s1T电炉出钢口处钢水温度KMs()时刻包内钢水质量/kMr包衬质量（涉及已经和即将被

8、钢水浸没的部分/kgin钢水达到钢包液面的速度.s-1in钢水达到钢包液面的温度/K(）任一时刻包内钢水温度/T*任一时刻包衬内的有效温度Ab包底面积/mAr()包壁外表面辐射面积2is包壁内表面即将被钢水覆盖的面积/2Au钢水表面面积/m2qb()包底外表面热流量Wcm.-1qr()包壁外表面热流量W.cm.s-qsu（)钢水表面热流量W.s1()包壁内表面没有被钢水覆盖的热流量W.cm.-1联系人:杨强，北京市(10081)钢铁研究总院工艺研究所作者单位:钢铁研究总院参照文献1张再华，王志道.10钢水罐热损失测定及分析.冶金能源,1998(6）,1:442李顶宜,王志道.10t钢罐不同罐衬构造连铸全过程温降规律热态实验研究.炼钢,989,4：2223马哲远，姜周华等.F精炼过程钢水温度预报模型特殊钢，第8卷增刊:pp.224 CETomain,E.A.Uptoad .AWli, h ffect ofLadle Refrctoy ad Pacticon Steel TperaturControl, &SM,une1986：345R.Widdows，Ladl ompositin and Tmeur CotroIronmakin nd Stelking,981 No.5：19206Josph W.Hinka and .W.Miler，Tepeatue Los i Liud eel-Refrcory SysteIro and Steel Enginee, ugus190：1231337 杨贤荣等,辐射换热角系数手册，国防工业出版社，192，pp2

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