CN103870707B - 预测纯钙包芯线熔化及气化过程温度变化规律的方法 - Google Patents

Abstract

一种预测纯钙包芯线熔化及气化过程温度变化规律的方法，属于炼钢工艺技术领域。在冶炼钢水的钙处理过程中，根据纯钙包芯线喂入钢包的喂线速率、钙线直径等具体工艺技术参数，通过计算和实验得到纯钙包芯线与钢液之间的对流换热系数，结合钙芯与钢带之间的接触传热条件，利用有限单元计算方法，将纯钙包芯线中的钙芯和钢带作为两个有接触关系的独立传热物体进行分析，找到纯钙包芯线喂入钢液后的温度变化规律，得到金属纯钙包芯线熔化气化的临界点；从而在生产过程中确定最佳工艺技术参数。适用于炼钢过程中进行的钙处理工艺参数优化与确定。

Description

预测纯钙包芯线熔化及气化过程温度变化规律的方法

技术领域

本发明属于炼钢工艺技术领域，特别是涉及一种预测纯钙包芯线熔化及气化过程温度变化规律的方法，适用于钙处理工艺的工艺参数优化。

背景技术

在冶炼钢水时，为了减少氧化物夹杂的总量、改善氧化物夹杂形态、解决连铸过程中水口结瘤等问题，在精炼结束后要进行钙处理工艺。由于喂入钢水纯钙包芯线后钙元素收得率高、钙处理成本低、生产效率高以及操作稳定等优势，将大有取代传统硅钙线的趋势。

由于纯钙包芯线进入钢液后，无法直接测量其温度的变化，同时钙是易燃易氧化金属，在常态不能实现传热试验检测，因此不能得到钙线的熔化气化过程及机理。

建立方程计算模型是人们至今解决复杂问题的一个重要手段，把数学解析方法与试验方法结合在一起通过对包芯线喂入钢液过程中传热特征的分析推导理论喂线速度方程式；建立简单的完整的熔化模型数学公式一直是人们所研究的方向，但是对于复杂的问题简单的公式往往不能满足所有的方案，而且这些公式的不足是得到的芯线熔化时间，总是简单的考虑芯线的直径和芯皮厚度有关，而没有考虑芯线和芯皮两种物质各自不同的导热系数，以及两种物质各自的熔化和气化温度等相关因素。如《金属芯线喂入钢包过程CFD数值模拟及工艺优化研究》一文中运用流体计算和有限元软件模拟了金属芯线喂入钢包过程的温度场，但其虽然计算出了钙铁线深入钢液中时急速冷却钢液形成的钢壳，但其流场和温度场并没有耦合计算，这样计算的弊端是计算过程繁复，且没有考虑钢液流动对金属芯线传热的影响，这样的计算结果与实际生产实验相差甚远。

发明内容

本发明目的在于提供一种预测纯钙包芯线熔化及气化过程温度变化规律的方法，通过有限元数值模拟分析和试验相结合的方法，运用有限元软件，建立纯钙包芯线喂入钢包过程的温度场仿真模型，对模型施加对流换热边界条件，对流换热系数由实验确定，充分考虑到钢液流动对纯钙包芯线传热的影响。计算分析纯钙包芯线喂入钢液后的熔化及气化过程，找到金属纯钙包芯线熔化气化的临界点。这样能 更精确和全面的了解纯钙包芯线在钢液中的传热机理，进而对喂线工艺参数和纯钙包芯线结构参数等进行优化，为纯钙包芯线的开发和应用提供理论依据。

此发明思路明确且易掌握，还解决了以往数值解析法不能解决的如全面考虑了钢液流动、各物质导热系数、各物质熔化气化温度等对纯钙包芯线传热的综合影响等难题。

本发明是在冶炼钢水的钙处理过程中，根据纯钙包芯线喂入钢包的喂线速率、钙线直径等具体工艺技术参数，通过计算和实验得到纯钙包芯线与钢液之间的对流换热系数，结合钙芯与钢带之间的接触传热条件，利用有限单元计算方法，将纯钙包芯线中的钙芯和钢带作为两个有接触关系的独立传热物体进行分析，找到纯钙包芯线喂入钢液后的温度变化规律，得到金属纯钙包芯线熔化气化的临界点。具体工艺步骤如下：

1)根据钙线进入钢水的速度，纯钙包芯线与钢液之间的强制对流换热条件按以下方式确定。

$h=A\·{\left(\frac{D\·v\·\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{0.8}\·{\left(\frac{C\·\mathrm{\μ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{0.4}\·\left(\frac{\mathrm{\λ}}{D}\right)$

其中：A为综合换热系数，3.6～6.8×10^-3。综合换热系数A的范围确定，取决于现场试验反复校核有限元计算结果。

D为钙线直径(m)；V为钙线进入钢水速度(m·s^-1)；ρ为钢水密度，(Kg·m^-3)；μ为钢水的动力粘度，(Kg·s·m^-2)；C为钢水比热，(J·Kg^-1·℃^-1)；λ为钢水的导热系数，(W·m^-1·℃^-1)。

综合换热系数A的校核过程如下：如V＝1.5mmin时，先将综合换热系数A附任意数值，将其求得的相应对流换热系数代入模型，具体步骤如2)、3)、4)项；将数值模拟求出的钙芯熔化时间t_j与试验得到相应速度下的时间t_s进行比较，其差值为Δt＝t_j-t_s。不断调整数值模拟计算时代入的A值，直到Δt<0.05s。A值即为该工艺参数下的对流换热系数。

2)根距钙线的长度与横断面的尺寸比，判断传热主要是在2D平面内进行，采用2D有限元技术建立钙芯－钢带－钢液传热模型(3D计算也在保护范围内)。

3)根据钙芯、芯皮、钢液的物性参数，喂线速率、钢液温度、钙芯直径等工艺技术参数，以及相应喂线速率下的强制对流换热边界，求解模型。得到纯钙包芯线喂线过程温度分布规律。

4)根据钙芯的熔点和沸点，判断钙芯是否到达熔化及气化温度。

本发明效果是：该项技术在冶炼各类钢种的钙处理过程中，采用有限元数值模拟和现场试验相结合的方法，对纯钙包芯线从喂入钢液后的熔化过程进行了机理研究，得出了纯钙包芯线在钢液中的行为规律。根据不同钢水温度、喂线速率、芯皮厚度、纯钙包芯线直径等工艺参数，求得其相应的钙芯熔化、气化临界时间，从而在生产过程中确定最佳工艺技术参数，为钙处理工艺的优化提供了方向。

附图说明

图1纯钙包芯线传热有限元模型。

图2钢液温度1570℃下不同喂线速率纯钙包芯线中心温度随时间的变化。

图3钢液温度1570℃下不同喂线速率纯钙包芯线熔化时间。

图4钢液温度1570℃下不同喂线速率纯钙包芯线气化时间。

图5不同钢液温度下某一时刻(3s)纯钙包芯线横截面温度分布。

图6同一喂线速率(1.75m/s)下不同钢液温度纯钙包芯线气化时间。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的预测纯钙包芯线熔化及气化过程温度变化规律的方法，做进一步详细描述。

1)首先进行模型工艺参数的选取：

金属Ca的物性参数如下表所示。

2)确定钢水与钙线之间的对流换热系数：

钢水与钙线之间的传热为第三类边界条件，钙线以某一速率进入钢水，则为强制对流换热边界条件。

对综合换热系数A进行校核：如V＝1.5mmin时，先将综合换热系数A附任意数值，按以下方式计算

$h=A\&CenterDot;{\left(\frac{D\&CenterDot;v\&CenterDot;\mathrm{\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}\right)}^{0.8}\&CenterDot;{\left(\frac{C\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{0.4}\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{D}\right)$

将其求得的相应对流换热系数代入模型，具体步骤如2)、3)、4)项；将数值模拟求出的钙芯熔化时间t_j与试验得到相应速度下的时间t_s进行比较，其差值为Δt＝t_j-t_s。 不断调整数值模拟计算时代入的A值，直到Δt＜0.05s。A值即为该工艺参数下的对流换热系数。

3)有限元模型的建立：

由于钙线的长度远远大于其横断面尺寸，传热基本是在二维平面内进行的，沿钙线长度方向上的传热可以忽略不计，因此本模型采用2D有限元技术，对钙线模型进行二维建模并划分有限元网格，钙线传热有限元模型如图1所示。

4)求解模型，并进行数据分析。

将不同喂线速率、钢水温度、钢带厚度等计算参数代入模型，并进行求解，求出相应条件下，纯钙包芯线熔化及气化温度变化规律。分析得到不同喂线速率对钙芯熔化及气化的影响、不同钢水温度和不同钢带厚度对钙芯气化的影响，以及考虑钙蒸汽压的钙芯气化计算等。

具体操作过程举例说明：

实施例1：

1)首先设定试验和计算参数：纯钙包芯线中钙的含量≥95％，钙芯质量∶钢带质量≥3∶7。纯钙包芯线直径为8.82mm(其中纯钙芯直径7.7mm，芯皮厚0.56mm)；钢水温度1570℃，钙线初始温度为室温20℃，钙线以某一速率进入钢水(V＝1.5mmin)。

2)确定边界条件。钢水与钙线之间的传热为第三类边界条件。

钢水温度设定为1570℃，钙线初始温度为室温20℃。将综合换热系数A附任意数值，按以下方式计算

$h=A\&CenterDot;{\left(\frac{D\&CenterDot;v\&CenterDot;\mathrm{\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}\right)}^{0.8}\&CenterDot;{\left(\frac{C\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{0.4}\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{D}\right)$

将其求得的相应对流换热系数代入模型，具体步骤如具体实施方式的2)、3)、4)项；将数值模拟求出的钙芯熔化时间t_j与试验得到相应速度下的时间t_s进行比较，其差值为Δt＝t_j-t_s。不断调整数值模拟计算时代入的A值，直到Δt＜0.05s。A值即为该工艺参数下的对流换热系数。

不同喂线速率下钢水与钙线的对流换热系数见下表

喂线速率v，m/s	1.5	1.75	2	3	4	5
							对流换热系数h，w/m2.℃(×103)	12.67	14.33	15.96	22.06	27.77	33.20

3)有限元模型的建立：

模型采用2D有限元技术，对钙线模型进行二维建模并划分有限元网格，模型单 元数为2060，节点数为2109。

4)求解模型，并进行数据分析

为了得到喂线速率对钙吸收率的影响，对纯钙包芯线不同喂线速率的熔化时间进行了计算，计算采用的喂线速度分别为1.5m/s、1.75m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s，计算过程如上面3个步骤。计算结果可以得到钢液温度1570℃下不同喂线速率纯钙包芯线横截面温度分布见图2。

以纯钙包芯线中心温度升到钙的熔点(839℃)时，纯钙芯全部熔化为标准，计算出当喂线速率分别为1.5m/s、1.75m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s时，纯钙包芯线熔化时间分别为：1.43s、1.40s、1.38s、1.29s、1.23s、1.19s，见图4。

为了进一步考察钙线在钢液中的传热机理，在前面计算结果的基础上，进行了进一步的计算分析，将计算时间延长到4s。计算采用的喂线速度分别为1.5m/s、1.75m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s。计算结果得到了钢液温度1570℃下不同喂线速率钙线中心温度随时间的变化，见图3。

以纯钙包芯线中心温度升到钙的沸点(1484℃)时，纯钙芯全部达到气化温度为标准，计算出当喂线速率分别为1.5m/s、1.75m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s时，纯钙包芯线达到气化温度的时间分别为：3.36s、3.28s、3.20s、2.99s、2.85s、2.75s，见图5。

实施例2：

前三个步骤如实施例1中1)、2)、3)。

4)求解模型，并进行数据分析

采用在相同喂线速率下的不同钢水温度，考察钢水温度变化时纯钙包芯线的温度变化规律以及纯钙包芯线达到气化温度的时间。

图5为在同一时刻(3s)不同钢液温度下纯钙包芯线横截面温度分布，从图中可以看出，钢水温度越高，在相同时刻，钙线横截面的温度分布越高。距钙线中心3.85mm处是个拐点，表明钙芯的传热速率大于钢带，钢带为传热过程的限制性环节。以纯钙线中心温度升到钙的沸点(1484℃)时，纯钙芯全部达到气化温度为标准，计算喂线速率相同，钢水温度分别为1540℃、1550℃、1560℃、1570℃、1580℃时，纯钙线达到气化温度所需的时间分别为：3.69s、3.51s、3.39s、3.28s、3.19s，计算结果如图6所示。

Claims (1)

1.一种预测纯钙包芯线熔化及气化过程温度变化规律的方法，其特征在于，工艺步骤如下：

(1)根据钙线进入钢水的速度，纯钙包芯线与钢液之间的强制对流换热条件按以下方法确定：

其中：h为对流换热系数，W·m^-2·℃^-1；A为综合换热系数，3.6～6.8×10^-3，综合换热系数A的范围确定，取决于现场工业实验反复校核有限元计算结果；D为钙线直径，m；v为钙线进入钢水速度，m·s^-1；ρ为钢水密度，Kg·m^-3；μ为钢水的动力粘度，Kg·s·m^-2；C为钢水比热，J·Kg^-1·℃^-1；λ为钢水的导热系数，W·m^-1·℃^-1；

(2)根据钙线的长度与横断面的尺寸比，判断传热主要是在2D平面内进行，采用2D有限元技术建立钙芯－钢带－钢液热结构耦合模型；

(3)根据钙芯、钢带、钢液的物性参数和喂线速率、钢液温度、钙芯直径工艺参数，以及步骤(1)中求得的相应喂线速率下的强制对流换热边界，求解模型；得到纯钙包芯线喂线过程温度分布规律；

(4)根据钙芯的熔点和沸点，判断钙芯是否到达熔化、气化温度。