钢水覆盖剂传热及熔融结构的数学模型

钢水覆盖剂传热及熔融结构的数学模型朱立光张玉文张淑会摘要文中利用传热学原理,建立了覆盖剂传热及熔融结构数学模型,分析了各因素对覆盖剂各层厚度和熔化速度的影响。关键词钢水覆盖剂数学模型TheThermolConductionandMeltingConstrucctionMathematicalModelofCoverAgentforMoltenSteelZhuLiguangZhangyuwenZhangshuhui(HeBeiUniversityofScienceandTechnology)AbstractInthispaperbyusingthermalpriciple,thethermalconductionandmoltenconstructionmathematicalmodelofcoveragentissetup,thefactorsofinfluenceoneverylayerandmoltenspeedofcoveragentareanalized.Keywordsmoltensteelcoveragentmathematicalmodel1前言钢水覆盖剂与结晶器保护渣相类似,其熔化模型多为三层结构,即粉状层、烧结层和熔融层,因此,钢水覆盖剂具有较为全面的冶金功能。钢水覆盖剂要充分发挥其冶金功能,当其加在钢水表面上时,形成具有合理厚度分布的三层结构是必需的。钢水覆盖剂三层结构的形成及厚度分布与其熔化温度和传热状态密切相关。本研究运用传热学原理,建立钢水覆盖剂在使用过程中的传热数学模型,揭示其传热状态,描述其自上而下的温度分布,对于实现合理的渣层结构和优化其熔化温度起到理论指导作用。2数学模型的建立假定三层内的传热为稳定状态,即三层内的温度梯度是稳定的,各层传热不随温度的变化而变化,且不考虑覆盖剂的熔化热。根据上述的假设,钢水覆盖剂的温度分布模型如图1所示。图1钢液面上三层结构覆盖剂在稳定传热下的温度分布示意图在稳定传热的条件下,通过第一层(粉状层)、第二层(烧结层)和第三层(熔融层)所传导的热通量应相等,即:通过粉状层的热通量:Q1=λ1×(t2-t1)/s1(1)通过烧结层的热通量:Q2=λ2×(t3-t2)/s2(2)通过熔融层的热通量:Q3=λ3×(t4-t3)/s3(3)式中s1、s2、s3——粉状层、烧结层和熔融层的厚度/mmλ1、λ2、λ3——粉状层、烧结层的熔融层的导热系数/W.(m.k)-1t1、t2、t3、t4——覆盖剂表面的温度、烧结终了温度、熔化温度和钢水表面温度/℃或KQ1=Q2=Q3,如果加到钢水表面覆盖剂的总厚度为h时,则有:s1+s2+s3=hλ1×(t2-t1)/s1=λ2×(t3-t2)/s2λ3×(t4-t3)/s3=λ2×(t3-t2)/s2各层的导热系数λ1、λ2、λ3为已知时,设a=λ1×(t2-t1)b=λ2×(t3-t2)c=λ3×(t4-t3)由以上联立方程可解得:s1=a×h/(a+b+d)(4)s2=b×h/(a+b+c)(5)s3=c×h/(a+b+c)(6)3分析与讨论3.1熔化温度对覆盖剂各层厚度的影响设覆盖剂的总厚度h=30mm,覆盖剂的表面温度t1=200℃,烧结终了温度t2=900℃,覆盖剂的熔化温度t3分别取1200℃、1250℃、1300℃、1400℃、1450℃、1500℃,钢水表面温度t4=1620℃,各层的导热系数(W/(m.k))∶λ1=0.60、λ2=0.8、λ3=1.0。经过计算可得表1中覆盖剂的各层厚度,图2为各层厚度随熔化温度变化的曲线。表1不同熔化温度下覆盖剂的各层厚度名称mm熔化温度/℃1200125013001350140014501500粉状层11.6711.7811.8712.0012.1212.2312.35烧结层6.667.859.0610.2911.5412.8214.12熔融层11.6710.379.067.716.354.953.53熔化温度/℃图2覆盖剂各层厚度随熔化温度变化的曲线由图2可知,随着熔化温度的升高,粉状层和烧结层的厚度增加,而熔融层的厚度急剧减少。这说明随着覆盖剂熔化温度的提高,在其总厚度一定的条件下,粉状层和烧结层的总厚度增加而熔融层变薄,这样覆盖剂的总的保温性能会变好。但为了使覆盖剂既具有一定的保温性能,并且也能形成一定厚度的熔融层具有吸附钢液夹杂、防止二次氧化的能力,其熔化温度不能太高，亦不能太低，如果熔化温度太高，则熔融层太薄，不仅使覆盖剂防止二次氧化、吸附夹杂的能力减弱,而且还可能引起钢液增炭;另一方面,随着熔化温度的升高,烧结层变的很厚,这样容易引起钢渣结盖,导致处理包中钢渣操作的困难。一般取在1200℃到1450℃范围内。3.2覆盖剂的总厚度对其各层厚度的影响设总厚度h依次取(mm):20、25、30、35、40,各层面温度:t1=200℃、t2=900℃、t3=1400℃、t4=1620℃,各层的导热系数(W/(m.k))∶λ1=0.60、λ2=0.8、λ3=1.0。通过计算得表2中覆盖剂的各层厚度,图3为各渣层厚度随覆盖剂总厚度变化的曲线。表2不同总厚度下覆盖剂的各层厚度名称mm总厚度/mm2025303540粉状层8.0810.1012.1214.1316.15烧结层7.699.6211.5413.4615.38熔融层4.235.296.357.408.46图3覆盖剂的各层厚度随总厚度变化的曲线由上表及图3可知,随着覆盖剂总厚度增大,各层厚度都增大,但粉状层和烧结层的厚度增大的较快,而熔融层增大的相对较慢,这样,随着覆盖剂总厚度的增大,其保温绝热性能可显著提高。增大覆盖剂的总厚度,熔化温度等温面t3上移,实际相当于起到了降低覆盖剂熔化温度的作用。在实际使用过程中,从经济角度考虑,覆盖剂不能太厚;另一方面随着厚度的增加,烧结层会变的很厚,会出现钢渣结盖、处理困难的问题。覆盖剂的总厚度也不能太薄,否则就不能起到应有的保温冶金功能。根据现场使用经验,覆盖剂的总厚度可以取在20～40mm左右。3.3粉状层导热系数对覆盖剂各层厚度的影响设覆盖剂的总厚度h=30mm,各层面温度t1=200℃、t2=900℃、t3=1400℃、t4=1620℃,烧结层和粉状层的导热系数(W/(m.k)):λ2=0.8、λ3=1.0。假设以上各参数取值一定,变化粉状层导热系数λ1时,通过计算程序得表3中覆盖剂的各层厚度,图4分别为各渣层厚度随粉状层导热系数λ1变化的曲线。图4覆盖剂的各层厚度随粉状层导热系数变化的曲线表3不同粉状层导热系数下覆盖剂的各层厚度名称mm导热系数0.40.50.60.70.80.91.0粉状层9.3310.8212.1213.2414.2415.1215.91烧结层13.3312.3711.5410.8110.179.609.09熔融层7.346.806.355.955.595.285.0由表3及图4:在覆盖剂总厚度一定的条件下,随着粉状层绝热性能提高即其导热系数λ1减小,粉状层厚度急剧减小,烧结层变大,熔融层的厚度也增加,即熔化温度t3的等温面上移,覆盖剂总体的保温性能降低。在覆盖剂的配制中,粉状层导热系数可以取在0.5～1.0(W/(m.k))。3.4炭质材料及熔点较高的组成物对覆盖剂熔化速度的影响覆盖剂必须能够覆盖于钢液面上,这就有必要确定及控制其熔化速度。覆盖剂的熔化速度主要与其配入的炭质材料有关,炭质材料阻止各种矿相间的化作用合反应,降低了覆盖剂的熔化速度,如图5所示［1］。图5碳对熔化速度的影响1-α%SiO22-β%CaO3-γ%Al2O3随着含碳量的增加,覆盖剂的熔化速度降低,碳的配入量一般要超过5%(不锈钢用覆盖剂和无碳覆盖剂除外)。如表4、5所示,列出了三种覆盖剂的化学成分及理化性能［2］。表4覆盖剂的化学成分/%覆盖剂SiO2CaOAl2O3Na2OCMgOFeOFe2O3SA34～482～616～227.5～8.58～100.5～20.5～40.5～5＜2B32～312～1513～185～69～122～52～50.5～4＜0.4C36～49～1317～247～112～42～40.5～5＜0.4表5覆盖剂的理化性能覆盖剂半球温度℃熔速(1450℃)s原高mm熔融层厚度mm烧结层厚度mm粉状层厚度mmA135224(半球)260.5～0.8205B123430(全塌)250.51204C136650(全塌)380.52810由上表分析:三种覆盖剂A、B、C的含碳量基本相当,但各自配入的高熔点物质(SiO2和Al2O3)含量不同,其中c＞A＞B,三者的半球温度(熔化温度)C(1366)＞A(1352)＞B(1234),在1450℃时,熔化速度C＜B,A、B的试样总高度基本相当,但由于A的熔点较高,所以粉状层较厚,熔融层相对较薄,其保温性能较好。这三者中覆盖剂C的高熔点组成物含量最大,熔化温度最高,熔化速度最小。这样在试样原高(总厚度)增大,熔点升高的情况下,其熔融层最薄,烧结层与粉状层相对很厚,所以其保温性能最好。在覆盖剂的配制中,应保证其熔化速度在1450℃下,应在20s以上。此外,由熔融模型各层厚度分布可看出,烧结层相对很厚。由上面讨论可知:覆盖剂的绝热保温作用,可由使用细粒的炭质材料来增加碳的含量,以降低覆盖剂的体积密度来进行控制,也可通过使用熔点较高的组成物加以控制。在这些因素中,不可独立而确切地应用其中的一种,必须通过模拟实验来评价。4结论(1)随着覆盖剂熔化温度的升主,粉状层和烧结层的总厚度增加,熔融层变薄,覆盖剂的保温性能提高。要保证三层厚度的合理分布,需要在一定的范围确定其熔化温度。(2)随着覆盖剂总厚度的增加,粉状层和烧结层的总厚度增加很快,而熔融层厚度增加相对较慢,覆盖剂的保温性能提高。(3)随着粉渣层导热系数的增加,粉渣层变薄,烧结层变厚,熔融层厚度增加较小,覆盖剂的总体保温性能升高。(4)在覆盖剂的研制中,可以使用炭质材料和熔点较高的组成物,来控制其熔化速度。(5)在覆盖剂的研制中,应综合考虑各因素来控制烧结层的厚度。联系人:朱立光,博士,讲师,唐山市(63009)河北理工学院冶金系作者单位：河北理工学院参考文献1贾强等.铸钢保护渣译文集.重庆：重庆大学出版社,1986：233.2陈家祥.连续铸钢手册.北京：冶金工业出版社,1990：989.3蒋光羲.冶金炉热工基础.重庆：重庆大学出版社,1992：42.