钢包吹氩引起的钢水温降分析

钢包吹氩引起的钢水温降分析
李　晶　傅　杰　王　平 黄成钢　张　平　张志诚
(北京科技大学)
(大冶特殊钢股份有限公司)
摘　要　通过现场实验测试,认为钢包炉吹氩搅拌过程中,氩气升温吸热对钢液温降的影响极少。

分析认为钢液产生较大温降主要原因是包衬蓄热和吹氩过程中形成的钢液裸露面对外散热,同时指出钢包内钢液温度的分层可减少通过包衬散热所带来的热损。

关键词　L F 炉　钢包　吹氩　温降
Analysis on Molten Steel Temperature Drop
Caused by Argon Blowing
Li Jing Fu Jie Wang Ping
(University of Science &T echnology Beijing )Huang Chengg ang Zhang Ping Zhang Zhicheng
(Day e Special Steel Co.Ltd.)
Abstract Via experim ents and t esting on site,the fact that argon absorbs heat during heat-ing is considered to have very litt le influence on t emperat ure drop of molten steel during stirring by blow ing argon.T he analysis show s that t emperat ure drop of m olt en steel is m ainly caused by heat absorbed by ladle lining and heat radiat ed f rom the exposed surf ace of m olt en st eel during argon blow ing.M eanw hile,it is indicated that stratification of molten steel temperature in ladle m ay re-duce heat loss caused by radiat ion from ladle lining .
Keyword s LF ladle argon -blow ing tem perature drop
1　前　言
近年来,LF 炉在我国炼钢行业得到了广泛应用,其生产技术也在不断的完善和发展。

同电弧炉相比,LF 炉的熔池要深得多,因此必须采用相应的搅拌手段促进钢渣反应和夹杂上浮,同时使加热过程中钢包内钢液的温度均匀上升。

目前国内所用的LF 炉大多数采用吹氩搅拌,分析吹氩搅拌所造成的热损,研究LF 炉的热平衡,对实现LF 炉内钢液处理温度的合理控制有着重要意义。

2　问题的提出
大冶特殊钢股份有限公司四炼分厂,现有引进的60t 钢包炉一座,并配有VD 装置。

通过对50多炉的数据分析表明,钢包在加热工位,吹氩量为
80NL/min,在不加入渣料及铁合金且不加热的情况下,LF 炉钢水的平均温降比LF -VD 过程钢水的平均温降大。

LF 处理过程钢液的平均温降为1.4～1.6℃/min,高于LF-VD 过程平均温降0.6～0.8℃/min 。

如果LF 过程与LF-VD 过程研究的边界都选包壁外壳和渣面,那么这两个过程的工艺差别仅在于LF 过程采用了吹氩搅拌,而LF-VD 过程未吹氩,因此认为可能是由于吹氩操作而导致了钢液温降加快。

3　影响钢液温降的因素分析3.1　氩气吸热
假定吹入钢液的氩气排出的温度与钢水温度相同,则氩气吸热理论计算公式为:
Q =4180C p V (T m -T a )
联系人:李晶,博士,(100083)北京科技大学电冶金研究所
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式中　Q ——氩气吸热量
　C p ——氩气比热,Nm 3
õ℃　V ——吹氩量,Nm 3/min T m ——钢液温度,℃　T a ——氩气初始温度,℃
设钢液温度为1600℃,氩气初始温度为25℃,四分厂LF 炉实际吹氩量为80NL /m in ,代入上式可得氩气吸热为120kJ/m in,对于60t 的LF 炉,由此引起的钢水温降速度仅为0.002℃/min 。

由此可见,氩气吸热对钢水温降的影响完全可以忽略不计。

3.2　钢包包衬蓄热
60年代,Henael 和Keverial 对钢液热损失的研究指出[1]
:出钢过程中的热损,耐火材料蓄热占87%,钢流辐射和对流散热占10%,渣的表面辐射散热占3%;在静置过程,渣的表面热损失不足5%,在粗略计算时可忽略对钢水温度的影响;而在浇铸过程的热损中有55%～60%损失于包壁,15%～20%损失于包底,25%～30%损失于渣中[2]。

此外,由于钢包的使用次数不同,包衬耐火材料的厚度也不相同,从而引起包衬蓄热量的变化。

一般来讲,钢包的使用次数越多,包衬的吸热量越小,但包衬蓄热仍会使钢液温度明显降低。

对60t 钢包的研究表明,高温钢液进入钢包后,大约需要30m in 左右,包衬的吸热才能达到平衡(见图1)
[3]。

而在此之前,由于包衬大量吸热,钢
液的温度降低较快。

在正常操作条件下,出完钢后
很短的时间内即进行吹氩操作,钢液的温降速度也较快,但由于此时包衬吸热并未达到平衡,因此并不能认为钢液的温降完全是因吹氩操作所造成的。

3.3　钢液裸露面的散热
在LF 炉的处理过程中,一直都在进行吹氩搅拌,当吹氩强度过大时,会将钢液表面的渣层吹开而使部分钢液裸露于大气中。

吹氩强度越大,钢包上部钢液裸露的面积越大,钢水直接向大气中对流和辐射的热损增大。

钢包吹氩时,如果钢液不发生翻腾,可降低钢液的温降速度,一般为1℃/m in [4]。

钢包在静置加盖且钢水表面无渣覆盖的条件下,通过钢水表面
辐射的热损失和通过传导损失于包壁的热量相当[5]。

图1　包衬蓄热随时间的变化
采用光电测温计在吹氩现场测温,对近10炉的测温数据进行统计,结果表明钢液裸露面比渣面的温度高约300～400℃,而且越靠近裸露面,渣面的温度也越高。

在渣面与包壁接触处,测得的渣面温度略高,估计是由于渣结壳后与包壁产生了缝隙所致。

同时还发现渣温降低到一定程度之后,其温度变化不大。

由于辐射散热量与温度存在四次方的关系,因此钢液裸露面即使很小,其散热量也远大于渣面的散热量。

可认为吹氩过程中钢液裸露面的形成是引起钢水温降大的主要原因之一。

3.4　钢包内钢液的温度分层
有关研究表明,当渣层厚度为6in .(1in .=25.4m m )时,2h 之内渣层完全绝热[6]。

实际生产中,钢包由LF 炉至VD 需11～12min,有时由于操作原因,此时间也会相应延长,在此期间,钢液完全被厚度为150～200mm 渣层覆盖,据上述研究结果可认为这一段时间渣面的辐射热损很小,热量主要通过传导方式损失于包衬中。

在这种情况下,由于钢液内部的热对流,会在钢液内部形成温度梯度,即出现温度分层。

对80t 钢包内钢液温度分布的计算表明[7]
,温度分层随镇静时间的延长而加剧,在包底形成低温区,靠近包壁处有温度梯度出现(见图2)。

对150t 钢包的计算结果也与此相一致[8]。

钢液损失于包衬中的热量与钢液和包衬的温差成正比关系[8]。

温度分层的出现,使钢液和包壁的温差大大减小,从而有效地降低了钢液向包壁的热传导能力,尤其是钢包底部低温区的形成,所产生的影响将更大。

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图2　80t钢包内钢液的温度分布
图3为吹氩搅拌时钢包内钢水的温度分布情况,由图可以看出在吹氩搅拌时钢包内钢水的温度分层完全消除,没有低温区形成。

此时钢液与包壁的温差很大,热损失也相应大大增加,钢液温降明显。

图3　吹氩搅拌时钢包内温度分布
4　结　论
(1)吹氩搅拌过程中,氩气吸热对钢水温降的影响极少,包衬蓄热与钢液的大幅度温降有很大关系,钢液裸露面的形成是造成钢液热损增大的主要原因,会明显加快钢液的温降速度。

(2)钢包内钢液出现温度分层可减小钢液与包衬的温差,通过包衬散热所带来的热损也相应减少。

(3)与LF-V D过程相比,由于LF过程要进行吹氩搅拌操作,钢液的温降速度相对较大。

参考文献
1　G.Henzel,JR.J.Keverial,Lad le T em perature Loss,Proceed-ing s of Electric Furance Conference,1961:435～453
2　M.A.Omotani,L.J.Heas lip,A.M clean,Ladle Temperatur e Control During Continuous Casting,I&SM,1983,10:29～35 3　DANIEL I内部资料
4　张鉴.炉外精炼的理论与实践,冶金工业出版社,1991
5　J.Sz ekely,J.W.Evans,Radiaive Heat Loss from th e S urface of M olten Steel Held in Ladle,Transaction of T he M etallurgi-cal S ociety of AIM E,Vol.245,1969,6
6　J.H.Lu dely,J.S zek ely,Combined Radiative Convective Heat L os s from Surface of a S olidifying M elt,Iron and S teel Inst, Vol.204,1966:12～15
7　O.J.Ilegbu si,J.Szekely,M elt Stratification in Ladles,T ran s-action IS IJ,Vol.127,1987:563～569
8　Y.S.Koo,T.Kang,I.R.Lee,Y.K.Shin,H.Y.Gal,T hermal
C ycle M odel of Ladle for S teel Temperatur e con trol in M elt
and Its Applicaion,1989Steelm akin g Conference Proceed-ing s:415～427
(收稿日期:1998-02-11)
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