Dissolution of Cored Wire in Steel Melt : Optimization of Feeding Rate

Calcium treatment is an established operation in the production of steels. Most importantly, it serves to modify detrimental inclusions in the melt for improved castability and superior product properties. Due to calcium’s low melting point and high vapour pressure, its addition to liquid steel is challenging and yields are generally low. The current standard method for addition is cored wire feeding, in which a calcium-bearing compound is injected into the melt inside a sacrificial metal tube. The depth at which the compound is released has a pronounced impact on its yield and depends on the rate at which the wire is injected. A mathematical model is constructed to predict the time after which release occurs and thus estimate injection depth. It is based on one-dimensional heat transfer and respects phase change effects, i.e., solidification of melt on the cold wire surface and subsequent melting of the wire and compound. Equations are derived using the finite difference method and the model is solved numerically using an implicit method. The model is applied to two different steel grades – one austenitic (AISI 316L), one super-duplex (SAF 2507) – and predictions are tested for the former grade in a 75-ton industrial ladle furnace. Results indicate that a decreased feeding rate (<100 m/min) leads to better calcium yield. Positive effects were also observed with downward melt stirring and a good slag coverage. Improved yield can lead to savings in process and material cost. The results also provide insights into the cored wire feeding process which may be useful for future process development, both for calcium and other additions.Kalciumbehandling är en etablerad process vid tillverkning av stål. Framförallt används den för modifieringen av skadliga inneslutningar i smältan för att förbättra gjutbarheten och produktegenskaper. På grund av kalciums låga smältpunkt och höga ångtryck är det svårt att tillsätta det till flytande stål och utbytet är i allmänhet låg. Den nuvarande standardmetoden för tillsats är inmatning av tråd, där ett kalciumhaltig ämne matas in i smältan inuti en metallhölje som smälter bort. Djupet på vilket ämnet frigörs påverkar utbytet och beror på hur snabbt tråden matas. En matematisk modell konstrueras för att beräkna den tid efter vilken frisättning sker. Den bygger på endimensionell värmeöverföring och tar hänsyn till fasförändringseffekter, dvs. stelning av smältan på den kalla trådytan och smältning av tråd och kalciumämne efteråt. Ekvationer härleds med hjälp av finita differensmetoden och modellen löses numeriskt med hjälp av en implicit metod. Modellen tillämpas på två olika stålsorter – en austenitisk (AISI 316L) och en superduplex (SAF 2507) – och förutsägelser testas för den förstnämnda sorten i en 75-tons industriell skänkugn. Resultaten visar att en minskad matningshastighet (< 100 m/min) leder till ett ökat kalciumutbyte. Positiva effekter observerades med nedåtgående smältomrörning och god slaggtäckning. Ett förbättrat utbyte kan leda till besparingar i fråga om process- och materialkostnader. Resultaten ger också insikter i processen för inmatning av tråd, vilket kan vara användbart för framtida processutveckling, både för kalcium och andra tillsatser