钢液过程温度的控制课件

钢液过程温度的控制作者：郭振宇钢液过程温度的控制作者：郭振宇1

攀钢西昌钢钒公司炼钢精炼作业区投产至今虽然在中包温度的控制上比较稳定，但中包温度的精确控制对整个工艺过程的进行和铸坯的质量至关重要，因此我们有必要对温度的过程控制进行详细的研究，来进一步提高中包温度的合格率。一、研究背景二、生产流程铁水→脱硫提钒→转炉炼钢→精炼→连铸攀钢西昌钢钒公司炼钢精炼作业区投产至今虽然在中包2三、工艺过程涉及的问题吹氩搅拌对钢液温度的影响三、工艺过程涉及的问题吹氩搅拌对钢液温度的影响31、钢包热状态对钢液温度的影响对流钢液包衬辐射渣辐射对流钢包钢液传热图对流（2）钢包传热方程的建立A包壁传热方程的建立：对包衬内传热采用柱坐标计算:用差商代替微商，并整理可得：其中：三、工艺过程涉及的问题（1）钢包传热分析钢包中钢液传热分析如右图:

1、钢包热状态对钢液温度的影响对流钢液包衬辐射渣辐射对流钢包4

计算不同耐火材料之间的传热时，为保证计算精度，要把控制体边界设在不同耐火材料交界面处。包壁控制体划分示意图如图：进入控制体热量：离开控制体热量：控制体内热量增加：根据热平衡原理：

进入控制体的热量-离开控制体的热量=控制体内热量的增加RdrQoQi三、工艺过程涉及的问题计算不同耐火材料之间的传热时，为保证计算5带入平衡式可得：边界条件为：B包底传热方程的建立由于钢包内径远大于钢包底耐火材料厚度，可认为包底只有径向传热。同种耐火材料内部节点用下式差分计算：其差分式为其中三、工艺过程涉及的问题带入平衡式可得：边界条件为：B包底传热方程的建立其6三、工艺过程涉及的问题在计算包底不同材料之间的传热时，采用与包壁计算同样的方法。其差分方程为：其中边界条件

1、钢包包衬蓄热，由于钢包的使用次数不同，包衬耐火材料的厚度也不同，从而引起包衬蓄热变化。2、高温钢液进入钢包后，大约需要30min左右，包衬蓄热方达平衡，而在此之前由于包衬大量吸热，钢液温度降低较快。3、在正常操作条件下，出完钢后很短的时间即进行吹氩操作，钢液的温降速度也较快，由于此时包衬吸热并未达至平衡，因此不能认为此时钢液的温降完全是因吹氩操作造成的。C包衬蓄热计算如右式：三、工艺过程涉及的问题在计算包底不同材料之间的7其计算公式为：其中三、工艺过程涉及的问题将上式整理可得：（1）

对（1）积分,可得钢流的热损失量。引起钢液的温降为：由上式可以看出，1、出钢温度越高损失的热量越多；2、出钢量越大温降越小。3、钢种不同，比热容也不同，温降也不同。钢液从初炼炉流到钢包过程中，通过对流和辐射向外散失热量，损失的热量与出钢温度、钢液流股流量、出钢口直径、出钢口到钢包钢液面高度等因素有关。假定出钢过程为钢液柱连续从出钢口流出，出钢时间一定，钢液散热的变化由钢流辐射面积的变化引起。2、出钢过程温降对钢液温度的影响其计算公式为：其中三、工艺过程涉及的问题将上式整理可得：（18渣内部温度的变化可认为是传到热的结果，且钢包内径远大于渣层厚度，可完全忽略径向传热，所以渣内部传热可看做是一维不稳态传热。渣表面损失由对流和辐射组成，其模型如图：固体渣层熔渣钢液y=0Y≤y≤Y+ΔYy=Ll1y=L2Ts,ks,cps,ρs渣散热模型三、工艺过程涉及的问题3、渣对钢液温度的影响渣内部温度的变化可认为是传到热的结果，且钢包内径9传热方程式为：

（0≤y≤L1）初始条件：Ts=Ti,t=0，Tm=Ti,t=0

边界条件：

y=L1，Ts=Tm,y=0三、工艺过程涉及的问题渣表面散热：

前期，渣层表面散热较快，温降较大。后期，散热量逐渐减小，最终达到一稳定值，温降值基本保持不变。渣层越薄，表面散热量越大。渣层厚度小于50mm时，渣层对渣表面散热量影响较大。渣厚大于50mm时，不同渣层厚度对渣表面的热损失基本相同。传热方程式为：（0≤y≤L1）初始条件10三、工艺过程涉及的问题4、合金加入对钢液温度的影响合金加入对钢液温度的影响分为三个阶段：（1）合金被加热，从初始环境温度上升到与钢液相同温度（2）合金熔化（3）合金溶于钢液一般认为，加入合金用来化学加热和脱氧时，温度变化为正，其他情况为负。加入合金放热公式为：加入合金引起的温度变化公式：合金加入到钢液中，对钢液的温度影响较小，在合金补加量不大的情况下，可忽略合金补加对钢液温度的影响。三、工艺过程涉及的问题4、合金加入对钢液温度的影响合金加入对11三、工艺过程涉及的问题5、喂铝线对钢液温度的影响铝线浸入钢液后在线表面上凝有一层钢壳，铝在钢壳内熔化，在此期间，钢壳阻碍了铝溶入钢液。然而，一旦端部的钢壳熔化，熔化了的铝即溶入钢液中。同时，迅速产生溶解热，导致铝线周围的钢壳迅速熔化掉。钢壳融化掉后，又允许钢液与剩下部分的固体铝接触。一层新的钢壳在铝线上凝固，铝的侵入深度进一步增加，直到铝线表面的钢壳又熔化掉为止。当铝溶解时，热流又一次释放出来，整个周期在喂线过程中是连续的、重复的。所以铝线的熔化、溶解分为两个过程，即铝线在钢壳内的熔化和钢壳的熔化。

A根据铝线的熔化机理及假定形成的钢壳厚度为一般包芯线的外壳厚度，计算喂线对钢液产生的物理热：（1）形成钢壳的钢液量出钢液温度降到钢的凝固点温度产生的物理热：三、工艺过程涉及的问题5、喂铝线对钢液温度的影响铝线12三、工艺过程涉及的问题（2）铝线在钢壳内的熔化热量对钢液温度不产生任何影响。（3）熔化的铝升到与钢壳相同的温度产生的物理热：（4）铝线端部钢壳的熔化并升温至钢液温度产生的物理热：（5）熔化升至钢壳温度的铝升温到与钢液相同的温度产生的物理热：（6）钢壳熔化并升到钢液温度产生的物理热：产生的总物理热为：三、工艺过程涉及的问题（2）铝线在钢壳内的熔化热量对钢液温度13三、工艺过程涉及的问题（7）铝线喂入钢液产生的化学热铝线喂入钢液产生的化学热包括铝的溶解热和铝与氧的反应热：a铝的溶解热

铝的溶解热反应为：

Al(1)→[Al]△H=-2.3×106J/kg溶解热为：

b铝与氧的反应热铝脱氧反应为：[Al]+3/2[O]==1/2Al2O3ΔHAl=—601575.5J/mol反应热为：

总化学热为：

铝线喂入钢液后对钢液产生的热量为物理热和化学热之和。喂铝线升温完全决定喂入量，当喂入量小时，升温还要抵消温降。所以在实际生产中表现为不升温或者降温。三、工艺过程涉及的问题（7）铝线喂入钢液产生的化学热铝线喂入14钢包吹氩是钢包精炼的重要特征。吹氩对钢液产生热量损失，造成钢液温降。（1）氩气带走热量的理论计算公式为：由此造成的钢液温降为：由上式可见，氩气升温造成的钢液温降极小，不是引起钢液温降的真正原因。（2）钢液裸露面造成钢液温降，钢包吹氩时，若钢液面不裸露，钢液的温降速率与钢包不吹氩的温降基本相同，由此可以推断，钢包吹氩引起的钢液面裸露及损失于渣中的热量对钢液的温降起作用。（3）钢包内钢液的温度分层温度分层随时间的延长而加剧，在包底形成低温区，靠近包壁处有温度梯度出现。由于温度分层的出现，钢液和包壁的温差降低，从而降低了钢液向包壁的热传导能力，尤其钢包底形成低温区。有吹氩搅拌的情况下，消除了钢液温度分层，没有形成低温区，使高温钢液与包壁接触，钢液与包壁有较大的温差，增加了钢液向包壁的热传导能力，损失于包衬的热量增大，钢液温降明显。三、工艺过程涉及的问题6、吹氩搅拌对钢液温度的影响钢包吹氩是钢包精炼的重要特征。吹氩对钢液产生热量损失，造成钢15四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程通过生产数据分析得出下列各表仅供参考。(1)．非直上数据：单位℃（不同钢种在各个工艺阶段的温降）转炉升温出钢损失温度小平台温降小-LFLF升温LF出-中包Q235B380.9057.729.9611.450.1344.36Q345C348.5076.2514.0011.2536.7543.00Stb34406.9251.3110.467.08-0.5445.46Stb32376.1142.229.789.67-9.1135.67Q345B374.3274.338.1813.6118.4040.11由于多种因素的共同作用，不同钢种在各阶段温降不同，所以有必要对不同钢种在各工序的温降进行如下总结。在出钢到小平台温降比较大，在40-76℃之间。在LF的出站温度一般比中包温度高45℃左右。其它阶段的温降都较低。1、在实际生产过程中的温度分析钢种过程四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程通过生产16四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程(2).直上数据：单位℃（不同钢种在各个工艺阶段的温降）

转炉升温出钢损失温度小平台温降小—中包Q235B362.0936.8321.1740.65Stb32375.2150.8320.6150.31从上表看出，钢种不同在不同过程的温降也不同。(3).同时对过程时间进行分析统计得出下表：单位min

出钢时间到小平台时间小平台时间到电加热时间电加热处理时间上钢时间非直上5.551.788.2914.1151.8913.09直上5.751.4019.8914.97直上的钢比非直上的钢多在小平台待10min，这10min降温基本上在10℃左右。四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程(2).17四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程

(4)从而得出在实际生产过程中不同工艺过程的平均温降如下表：单位℃/min（不同钢种在各个工艺阶段的温降速率）出钢平均温降小平台平均温降小平台到LF温降LF到中包Q235B10.401.120.810.81Q345B13.741.570.800.80Stb349.251.170.500.50Stb327.611.100.690.69Q345C13.390.920.960.96b.直上出钢平均温降小平台平均温降小平台到中包温降Q235B6.411.060.81Stb328.841.040.69a.非直上出钢后15分钟内，散热较快，温降较大。20分钟后，散热量逐渐减小，最终达到一稳定值，温降值基本保持不变。四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程(4)18出钢损失温度小平台温降小-LFLF升温LF出-中包大修罐77.7214.511.450.1344.36前期罐50.2511.0011.2536.7543.00中期罐51.3110.467.08-0.5442.46末期罐42.229.789.67-9.1140.67小修罐60.3313.1813.6118.4042.11由上表可看出，由于钢包的使用次数不同，包衬耐火材料的厚度也不同，从而引起包衬蓄热变化。高温钢液进入钢包后，大约需要20min左右，包衬蓄热方达平衡，而在此之前由于包衬大量吸热，钢液温度降低较快。

通过对以往数据分析，从而得出不同罐次在不同工艺过程的平均温降如下表：单位℃/min2、罐次不同对温度影响的分析罐次过程四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程出钢损失温度小平台温降小-LFLF升温LF出-中包大修罐7719前20分钟内，渣层表面散热较快，温降较大。20分钟后，散热量逐渐减小，最终达到一稳定值，温降值基本保持不变。渣层越薄，表面散热量越大。渣层厚度小于50mm时，渣层对渣表面散热量影响较大。渣厚大于50mm时，不同渣层厚度对渣表面的热损失基本相同。3、渣厚对温度影响的分析温度/℃时间/min四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程前20分钟内，渣层表面散热较快，温降较大。20分钟后，散热量20五、控制好过程温度的注意事项在出钢到小平台温降比较大，在40-76℃之间。在LF的出站温度一般比中包温度高45℃左右。钢种不同在各阶段的温降也不同。直上的钢比非直上的钢多在小平台待10min。这10min降温基本上在10℃左右。前15分钟内，渣层表面散热较快，温降较大。20分钟后，散热量逐渐减小，最终达到一稳定值，温降值基本保持不变。渣层越薄，表面散热量越大。渣层厚度小于50mm时，渣层对渣表面散热量影响较大。渣厚大于50mm时，不同渣层厚度对渣表面的热损失基本相同。由于钢包的使用次数不同，包衬耐火材料的厚度也不同，从而引起包衬蓄热变化。高温钢液进入钢包后，大约需要20min左右，包衬蓄热方达平衡，而在此之前由于包衬大量吸热，钢液温度降低较快。喂入铝线和加入合金量大时，适当考虑温度升降情况。五、控制好过程温度的注意事项在出钢到小平台温降比较大，在4021谢谢！谢谢！22钢液过程温度的控制作者：郭振宇钢液过程温度的控制作者：郭振宇23

攀钢西昌钢钒公司炼钢精炼作业区投产至今虽然在中包温度的控制上比较稳定，但中包温度的精确控制对整个工艺过程的进行和铸坯的质量至关重要，因此我们有必要对温度的过程控制进行详细的研究，来进一步提高中包温度的合格率。一、研究背景二、生产流程铁水→脱硫提钒→转炉炼钢→精炼→连铸攀钢西昌钢钒公司炼钢精炼作业区投产至今虽然在中包24三、工艺过程涉及的问题吹氩搅拌对钢液温度的影响三、工艺过程涉及的问题吹氩搅拌对钢液温度的影响251、钢包热状态对钢液温度的影响对流钢液包衬辐射渣辐射对流钢包钢液传热图对流（2）钢包传热方程的建立A包壁传热方程的建立：对包衬内传热采用柱坐标计算:用差商代替微商，并整理可得：其中：三、工艺过程涉及的问题（1）钢包传热分析钢包中钢液传热分析如右图:

1、钢包热状态对钢液温度的影响对流钢液包衬辐射渣辐射对流钢包26

计算不同耐火材料之间的传热时，为保证计算精度，要把控制体边界设在不同耐火材料交界面处。包壁控制体划分示意图如图：进入控制体热量：离开控制体热量：控制体内热量增加：根据热平衡原理：

进入控制体的热量-离开控制体的热量=控制体内热量的增加RdrQoQi三、工艺过程涉及的问题计算不同耐火材料之间的传热时，为保证计算27带入平衡式可得：边界条件为：B包底传热方程的建立由于钢包内径远大于钢包底耐火材料厚度，可认为包底只有径向传热。同种耐火材料内部节点用下式差分计算：其差分式为其中三、工艺过程涉及的问题带入平衡式可得：边界条件为：B包底传热方程的建立其28三、工艺过程涉及的问题在计算包底不同材料之间的传热时，采用与包壁计算同样的方法。其差分方程为：其中边界条件

1、钢包包衬蓄热，由于钢包的使用次数不同，包衬耐火材料的厚度也不同，从而引起包衬蓄热变化。2、高温钢液进入钢包后，大约需要30min左右，包衬蓄热方达平衡，而在此之前由于包衬大量吸热，钢液温度降低较快。3、在正常操作条件下，出完钢后很短的时间即进行吹氩操作，钢液的温降速度也较快，由于此时包衬吸热并未达至平衡，因此不能认为此时钢液的温降完全是因吹氩操作造成的。C包衬蓄热计算如右式：三、工艺过程涉及的问题在计算包底不同材料之间的29其计算公式为：其中三、工艺过程涉及的问题将上式整理可得：（1）

对（1）积分,可得钢流的热损失量。引起钢液的温降为：由上式可以看出，1、出钢温度越高损失的热量越多；2、出钢量越大温降越小。3、钢种不同，比热容也不同，温降也不同。钢液从初炼炉流到钢包过程中，通过对流和辐射向外散失热量，损失的热量与出钢温度、钢液流股流量、出钢口直径、出钢口到钢包钢液面高度等因素有关。假定出钢过程为钢液柱连续从出钢口流出，出钢时间一定，钢液散热的变化由钢流辐射面积的变化引起。2、出钢过程温降对钢液温度的影响其计算公式为：其中三、工艺过程涉及的问题将上式整理可得：（130渣内部温度的变化可认为是传到热的结果，且钢包内径远大于渣层厚度，可完全忽略径向传热，所以渣内部传热可看做是一维不稳态传热。渣表面损失由对流和辐射组成，其模型如图：固体渣层熔渣钢液y=0Y≤y≤Y+ΔYy=Ll1y=L2Ts,ks,cps,ρs渣散热模型三、工艺过程涉及的问题3、渣对钢液温度的影响渣内部温度的变化可认为是传到热的结果，且钢包内径31传热方程式为：

（0≤y≤L1）初始条件：Ts=Ti,t=0，Tm=Ti,t=0

边界条件：

y=L1，Ts=Tm,y=0三、工艺过程涉及的问题渣表面散热：

前期，渣层表面散热较快，温降较大。后期，散热量逐渐减小，最终达到一稳定值，温降值基本保持不变。渣层越薄，表面散热量越大。渣层厚度小于50mm时，渣层对渣表面散热量影响较大。渣厚大于50mm时，不同渣层厚度对渣表面的热损失基本相同。传热方程式为：（0≤y≤L1）初始条件32三、工艺过程涉及的问题4、合金加入对钢液温度的影响合金加入对钢液温度的影响分为三个阶段：（1）合金被加热，从初始环境温度上升到与钢液相同温度（2）合金熔化（3）合金溶于钢液一般认为，加入合金用来化学加热和脱氧时，温度变化为正，其他情况为负。加入合金放热公式为：加入合金引起的温度变化公式：合金加入到钢液中，对钢液的温度影响较小，在合金补加量不大的情况下，可忽略合金补加对钢液温度的影响。三、工艺过程涉及的问题4、合金加入对钢液温度的影响合金加入对33三、工艺过程涉及的问题5、喂铝线对钢液温度的影响铝线浸入钢液后在线表面上凝有一层钢壳，铝在钢壳内熔化，在此期间，钢壳阻碍了铝溶入钢液。然而，一旦端部的钢壳熔化，熔化了的铝即溶入钢液中。同时，迅速产生溶解热，导致铝线周围的钢壳迅速熔化掉。钢壳融化掉后，又允许钢液与剩下部分的固体铝接触。一层新的钢壳在铝线上凝固，铝的侵入深度进一步增加，直到铝线表面的钢壳又熔化掉为止。当铝溶解时，热流又一次释放出来，整个周期在喂线过程中是连续的、重复的。所以铝线的熔化、溶解分为两个过程，即铝线在钢壳内的熔化和钢壳的熔化。

A根据铝线的熔化机理及假定形成的钢壳厚度为一般包芯线的外壳厚度，计算喂线对钢液产生的物理热：（1）形成钢壳的钢液量出钢液温度降到钢的凝固点温度产生的物理热：三、工艺过程涉及的问题5、喂铝线对钢液温度的影响铝线34三、工艺过程涉及的问题（2）铝线在钢壳内的熔化热量对钢液温度不产生任何影响。（3）熔化的铝升到与钢壳相同的温度产生的物理热：（4）铝线端部钢壳的熔化并升温至钢液温度产生的物理热：（5）熔化升至钢壳温度的铝升温到与钢液相同的温度产生的物理热：（6）钢壳熔化并升到钢液温度产生的物理热：产生的总物理热为：三、工艺过程涉及的问题（2）铝线在钢壳内的熔化热量对钢液温度35三、工艺过程涉及的问题（7）铝线喂入钢液产生的化学热铝线喂入钢液产生的化学热包括铝的溶解热和铝与氧的反应热：a铝的溶解热

铝的溶解热反应为：

Al(1)→[Al]△H=-2.3×106J/kg溶解热为：

b铝与氧的反应热铝脱氧反应为：[Al]+3/2[O]==1/2Al2O3ΔHAl=—601575.5J/mol反应热为：

总化学热为：

铝线喂入钢液后对钢液产生的热量为物理热和化学热之和。喂铝线升温完全决定喂入量，当喂入量小时，升温还要抵消温降。所以在实际生产中表现为不升温或者降温。三、工艺过程涉及的问题（7）铝线喂入钢液产生的化学热铝线喂入36钢包吹氩是钢包精炼的重要特征。吹氩对钢液产生热量损失，造成钢液温降。（1）氩气带走热量的理论计算公式为：由此造成的钢液温降为：由上式可见，氩气升温造成的钢液温降极小，不是引起钢液温降的真正原因。（2）钢液裸露面造成钢液温降，钢包吹氩时，若钢液面不裸露，钢液的温降速率与钢包不吹氩的温降基本相同，由此可以推断，钢包吹氩引起的钢液面裸露及损失于渣中的热量对钢液的温降起作用。（3）钢包内钢液的温度分层温度分层随时间的延长而加剧，在包底形成低温区，靠近包壁处有温度梯度出现。由于温度分层的出现，钢液和包壁的温差降低，从而降低了钢液向包壁的热传导能力，尤其钢包底形成低温区。有吹氩搅拌的情况下，消除了钢液温度分层，没有形成低温区，使高温钢液与包壁接触，钢液与包壁有较大的温差，增加了钢液向包壁的热传导能力，损失于包衬的热量增大，钢液温降明显。三、工艺过程涉及的问题6、吹氩搅拌对钢液温度的影响钢包吹氩是钢包精炼的重要特征。吹氩对钢液产生热量损失，造成钢37四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程通过生产数据分析得出下列各表仅供参考。(1)．非直上数据：单位℃（不同钢种在各个工艺阶段的温降）转炉升温出钢损失温度小平台温降小-LFLF升温LF出-中包Q235B380.9057.729.9611.450.1344.36Q345C348.5076.2514.0011.2536.7543.00Stb34406.9251.3110.467.08-0.5445.46Stb32376.1142.229.789.67-9.1135.67Q345B374.3274.338.1813.6118.4040.11由于多种因素的共同作用，不同钢种在各阶段温降不同，所以有必要对不同钢种在各工序的温降进行如下总结。在出钢到小平台温降比较大，在40-76℃之间。在LF的出站温度一般比中包温度高45℃左右。其它阶段的温降都较低。1、在实际生产过程中的温度分析钢种过程四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程通过生产38四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程(2).直上数据：单位℃（不同钢种在各个工艺阶段的温降）

转炉升温出钢损失温度小平台温降小—中包Q235B362.0936.8321.1740.65Stb32375.2150.8320.6150.31从上表看出，钢种不同在不同过程的温降也不同。(3).同时对过程时间进行分析统计得出下表：单位min

出钢时间到小平台时间小平台时间到电加热时间电加热处理时间上钢时间非直上5.551.788.2914.1151.8913.09直上5.751.4019.8914.97直上的钢比非直上的钢多在小平台待10min，这10min降温基本上在10℃左右。四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程(2).39四、在实际生产中钢水从出钢到中包所经历的温度变化过程

(4)从而得出在实际生产过程中不同工艺过程的平均温降如下表：单位℃/min（不同钢种在各个工艺阶段的温降速率）出钢平均温降小平台平均温降小平台到LF温降LF到中包Q235B10.401.120.810.81Q345B13.741.570.800.80Stb349.251.170.500.50Stb327.611.100.690.69Q345C13.390.920.960.96b.直上出钢平均温降小平台平均温降小平台到中包温降Q235B6.411.060.81