Studies on oxide inclusion control for steel cleanliness in ladle furnace and continuous casting mold

Abstract

Refining in the ladle is the last step to control endogenous inclusion in the steel production stage, so it is very important to simulate the inclusion produced during the deoxidation process. In particular, calcium is additionally added for ease of flotation, and there are many allotropes and the number of reactions involved is very large, making it very complex to understand its reaction mechnism. To simulate this, the three phase flow consisting of the molten steel – Ar gas – slag at the front end should be preceded, and the implementation of the alumina inclusion generation by primary deoxidation reaction should be implemented. To simulate the three phase flow consisting of molten steel – Ar gas – slag, the quasi single phase model and drift flux model were used to reflect the interaction force between gas and melt. A model for slag deformation was developed and combined with the fluid flow module. The experiment was conducted through a water model, which is 1/8 of the actual ladle size, and the reliability of the model was verified by comparing the area of the plume eye formed at the top of the ladle. We developed a chemical reaction model that can solve the species transport according to the introduction of deoxidizers such as Al and Ca and simulate primary deoxidation and secondary deoxidation using the flow result calculated in the previous stage. Through calculations that combine thermodynamic theory and kinetic theory, chemical reaction results can be traced at every position inside the ladle at every time step and the process to reach equilibrium is predicted. When the amount of Ca was low and the solid calcium aluminate phases became the equilibrium phase, it was confirmed that the equilibrium was not reached during the conventional operation time because it took a very long time to reach the equilibrium. Flow analysis in mold is important because unstable flow could trap slag and mold flux and it lead to exogenous inclusion. Fluid flow patterns within a conventional slab continuous-casting mold are closely linked to the port angle of the submerged entry nozzle (SEN). Fluid flow is unstable below a certain port angle, with large fluctuations near the port outlet as well as jet stream oscillation and repeated vortex formation and dissipation within the mold. However, such phenomena are not observed above a certain port angle, at which the flow pattern becomes stable. This behavior was investigated via both numerical simulation and water model experimentation; two different regions were identified with flow patterns varying according to the SEN port angle. In addition, a close quantitative relationship was identified between changes in the port angle and fluid velocity variations. For SEN port angles in the range 0–15°, the flow velocity in the upper circulation zone oscillated in an unstable manner. For port angles of 20° or more, the flow velocity of the same zone decreased significantly and stabilized. When the gas was injected, the unstable region elongated to 0–20°. The present study offers insight toward developing a clearer understanding of the complex chemical reaction in the ladle furnace and flow patterns in casting molds which is deeply related to inclusion.

래들에서의 정련은 철강생산 단계에서 형성되는 내인성 개재물을 제어할 수 있는 마지막 단계이므로 탈산 과정에서 생성되는 inclusion을 모사하는 것은 매우 중요하다. 특히, 부상분리의 용이성을 위해 추가적으로 투입되는 칼슘은 많은 동소체가 존재하고 관여하는 반응의 개수가 매우 많아 그 반응을 구현하기 매우 복잡하다. 이를 모사하기 위해서는 앞단의 용강–아르곤 가스–슬래그로 이루어진 다상 유동을 구현해야 하며 알루미늄 투입으로 이루어지는 일차탈산에 의한 알루미나 개재물 모사가 선행되어야 한다. 용강–아르곤 가스–슬래그로 이루어진 세가지 상의 유체유동을 모사하기 위해 quasi single phase model과 drift flux모델을 이용해 가스와 용강간의 힘을 계산하고 슬래그 변형에 대한 모델을 개발하여 유체해석 모델과 결합하였다. 실제 ladle size의 1/8인 수모델을 통해 대체실험을 진행하였고 래들 상단부에서 형성되는 plume eye의 면적과 비교를 통해 모델에 대한 신뢰성을 검증하였다. 유동해석 결과를 이용해 알루미늄과 칼슘과 같은 탈산제 투입에 따른 화학종 이송방정식을 풀고 1차 탈산반응, 2차 탈산반응을 모사할 수 있는 화학반응 모델을 개발하였다. 열역학과 속도론을 접목한 계산을 통해 매시간 마다 래들 내부의 모든 위치에서 일어나는 화학반응의 결과를 추적할 수 있었고 평형으로 도달하기 까지의 공정을 예측하였다. 칼슘의 투입량이 적어 고상의 칼슘알루미네이트가 평형상이 되는 경우, 평형에 도달하기까지 매우 오랜시간이 걸려 기존한 래들의 조업시간 동안 평형에 도달하지 못함을 확인하였다. 몰드 내부에서의 유체유동은 슬래그나 몰드플럭스의 혼입을 야기할 수 있고 이는 외인성 개재물이 발생하는 주요 원인이 될 수 있기 때문에 이를 제어하는 것은 매우 중요하다. 연속 주조 몰드 내부에서의 유체 흐름은 침지 노즐의 각도와 매우 밀접한 관련이 있다. 유체 유동은 특정 노즐의 각도보다 작으면 불안정하여 포트 출구 근처뿐만 아니라 몰드 전반부에서 유체 제트의 진동에 의한 반복적인 와류 형성이 유발된다. 하지만, 특정 노즐의 각도보다 커지게 되면 유체유동이 매우 안정한 양상을 보인다. 전산모사와 수모델 실험을 통해 이러한 현상에 대한 연구를 진행하였다. 이때, 침지 노즐의 각도를 달리하여 유체유동을 분석하였고 침지 노즐과 유속의 변화에 대한 보다 정량적인 관계를 파악하였다. 침지 노즐이 0–15° 인 구간에서는, 몰드 상단부의 영역에서 유속이 매우 불안정하게 진동함을 확인하였다. 20° 이상의 침지 노즐에서는 형성되는 유속값이 매우 작고 진동 또한 매우 작아 안정한 양상을 보였다. 가스가 투입되면 기존에 안정한 영역이었던 0–15° 구간이 0–20°도로 증가함을 확인하였다. 침지 노즐에 따라 형성되는 제트 각도와 표면 유동간의 관계를 정량적으로 분석하고 안정한 몰드 상단부에 안정한 유동이 형성될 수 있는 보다 일반적인 조건을 제시하였다. 본 연구에서는 개재물과 깊은 관련이 있는 래들에서 일어나는 복잡한 화학반응과 연속 주조 몰드 내부에서의 유동패턴에 대해 보다 심도깊은 이해를 제공한다.