Calculation of the degree of blackness of metallic melts based on the data of technological control of temperature and time during the melting of structural steel grades

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The article presents the results of calculating the emissivity of iron-carbon melts – semi-finished products formed in steel-smelting units: a converter and an electric arc furnace for further production of carbon structural steel grades. The calculation is based on the model of melt cooling due to radiation. Large samples were used for the calculation. The samples were extracted from the aggregate data of systematic measurements of the melt time and temperature in the technological cycle of steel smelting. It is shown that in the temperature range of 1560–1700 °C, the emissivity value lies in the range from 0.01 to 0.058. The dependence of the emissivity on temperature is of an activation nature and is satisfactorily described by the obtained exponential approximation.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. K. Vildanov

OOO "OgneuporTradeGroup"; NUST "MISiS"

Author for correspondence.
Email: svildanov@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Петров, В.А. Экспериментальное определение спектральной степени черноты металлов и сплавов при высоких температурах / В.А. Петров, В.Я. Чеховской, А.Е. Шейндлин // ТВТ. 1963. Т.1. №1. С.24–29. – (Petrov, V.A. Experimental determination of the spectral degree of blackness of metals and alloys at high temperatures / V.A. Petrov, V.Ya. Chekhovskoy, A.E. Sheindlin // TVT. 1963. V.1. №1. P.24–29.)
  2. Косенков, Д.В. Тепловое излучение ряда жидких металлов / Д.В. Косенков, В.В. Сагадеев, Н.Ф. Кашапов // ТВТ. 2022. Т.60. №6. С.855–869 – (Kosenkov, D.V. Thermal radiation of a number of liquid metals / D.V. Kosenkov, V.V. Sagadeev, N.F. Kashapov // TVT. 2022. V.60. №6. P.855–869.)
  3. Косенков, Д.В. Изменение нормальной спектральной излучательной способности при плавлении элементов / Д.В. Косенков, В.В. Сагадеев // ЖТФ. 2022. Т.92. №3. С.342 – 347. – (Kosenkov, D.V. Change in normal spectral emissivity during melting of elements / D.V. Kosenkov, V.V. Sagadeev // J. Tech. Phys. 2022. V.92. №3. P.342–347.)
  4. Голубева, И.Л. Тепловое излучение бинарных жидких сплавов металлов / И.Л. Голубева, В.В. Сагадеев, К.Б. Панфилович // Изв. вузов. Авиац. техника. 2004. №2. С.50–53. – (Golubeva, I.L. Thermal radiation of binary liquid metal alloys / I.L. Golubeva, V.V. Sagadeev, K.B. Panfilovich // News of universities. Aviation engineering. 2004. №2. P.50–53.)
  5. Шварёв, К.М. Интегральная излучательная способность и электронные характеристики жидких сплавов никеля и германия / К.М. Шварёв, В.С. Гущин, Е.С. Левин // ТВТ. 1977. Т.18. №3. С.678–680. – (Shvarev, K.M. Integral emissivity and electronic characteristics of liquid nickel and germanium alloys / K.M. Shvarev, V.S. Gushchin, E.S. Levin // TVT. 1977. V.18. №3. P.678–680.)
  6. Сагадеев, В.В. Тепловое излучение жидких бинарных металлических систем / В.В. Сагадеев // Расплавы. 2010. № 2. С. 54 – 60. – (Sagadeev, V.V. Thermal radiation of liquid binary metallic systems / V.V. Sagadeev // Melts. 2010. №2. P.54–60.)
  7. Сагадеев, В.В. Излучательная способность жидких металлов и сплавов : монография / В.В. Сагадеев, В.А. Аляев. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. 175 с. – (Sagadeev, V.V. Emissivity of liquid metals and alloys : Monograph / V.V. Sagadeev, V.A. Alyaev. – Kazan : KNITU Publishing House, 2018. 175 p.)
  8. Onho, J. Temperature dependence of spectral emissivity for Fe and related transitions metals / J. Onho // Trans. Soc. Instrum. Control Eng. 1978. V.14. P.283–290.
  9. Watanabe, H. Phase (liquid/solid) dependence of the normal spectral emissivity for iron, cobalt, and nickel at melting points / H. Watanabe, M. Susa, H. Fukuyama, K. Nagata // Intern. J. Thermophys. 2023. V.24. №2. P.473–488.
  10. Morita, Z. An experimental analysis on the temperature measurement of molten iron and iron alloys by two-color pyrometer / Z. Morita, K. Fujita, M. Kitaura // Tetsu-to-Hagane. 1971. V.57. №6. P.104–113.
  11. Mori, T. On the emssivities of molten metals and iron alloys / T. Mori, K. Fujimura, T. Higashi, H. Yoshimoto // Tetsu-to-Hagane. 1971. V.57. №7. P.100–114.
  12. Fujita, K. The spectral emissivity and color temperature of metals / K. Fujita, T. Yamaguchi // Tetsu-to-Hagane. 1981. V.67. №1. P.113–122.
  13. Watanabe, M. Normal spectral emissivity and heat capacity of Pd-Fe melts measured at constant pressure under electromagnetic levitation with a static magnetic field / M. Watanabe, M. Adachi, M. Uchikoshi, H. Fukuyama // High Temperatures-High Pressures. 2023. V.52. P.263–283.
  14. Шварёв, К.М. Интегральная излучательная способность сплавов кремния с железом, кобальтом и никелем в области температур от 900 до 1750 °C / К.М. Шварёв, Б.А. Баум, П.В. Гельд // ТВТ. 1973. Т.11. Вып.1. С.78–83. – ( Shvarev, K. M. Integral emissivity of silicon alloys with iron, cobalt and nickel in the temperature range from 900 to 1750 °C / K.M. Shvarev, B.A. Baum, P.V. Geld // TVT. 1973. V.11. Is.1. P.78–83.)
  15. Watanabe, M. Normal spectral emissivity and heat capacity at constant pressure of Fe-Ni melts / M. Watanabe, M. Adachi, H. Fukuyama // J. Mater. Sci. 2017. V.52 (16). P.9850–9858.
  16. Gregor, G. Emissivity and temperature determination on steel above the melting point / G. Gregor, R. Kozakov, D. Uhrlandt, H. Schoepp, A. Sperl // Weld World. 2013. №57. P.595–602.
  17. Schoepp, H. Temperature and emissivity determination of liquid steel S235 / H. Schoepp, A. Sperl, R. Kozakov, G. Gott, D. Uhrlandt, G. Wilhelm // J. Phys. D : Appl. Phys. 2012. №45. P.1–9.
  18. Iuchi, T. A. method for simultaneous measurement of temperature and emissivity, and its application to steel processing / T. Iuchi // Trans. ISIJ. 1979. V.19. P.474–483.
  19. Селезнёв, Н.П. Экспериментальное определение степени черноты и влияния теплового экрана при теплообмене излучением / Н.П. Селезнёв, В.В. Чернов // Современные материалы, техника и технологии. 2015. №3(3). С.226–232. – (Seleznev, N.P. Experimental determination of the degree of blackness and the influence of a thermal screen during radiant heat exchange / N.P. Seleznev, V.V. Chernov // Modern Mater. Eng. Tech. 2015. №3(3). P.226–232.)
  20. Ishikawa, T. Emissivity measurement of high temperature melts combining with an electrostatic levitation method / T. Ishikawa, J. Okada, Y. Watanabe // The Jap. Soc. Mech. Eng. 2014. №11. P.8–9.
  21. Вильданов, С.К. О статистической изменчивости измеримых объектов, возникающих при непрерывной разливке стали / С.К. Вильданов // Расплавы. 2021. №1. С.90–102. – (Vildanov, S.K. On the statistical variability of measurable objects arising during continuous casting of steel / S.K. Vildanov // Melts. 2021. №1.P.90–102.)
  22. Вильданов, С.К. Применение методов математической статистики к измерению температуры стали в сталеразливочном и промежуточном ковшах при непрерывной разливке стали / С.К. Вильданов, Г.С. Подгородецкий // Изв. вузов. Чер. металлургия. 2021. №7. С.510–518. – (Vildanov, S.K. Application of mathematical statistics methods to measuring steel temperature in steel-pouring and intermediate ladles during continuous steel casting / S.K. Vildanov, G.S. Podgorodetsky // News of universities. Ferrous metallurgy. 2021. №7. P.510–518.)
  23. Вильданов, С.К. Оценка эффективности применения огнеупорной теплоизолирующей смеси в сталеразливочном ковше / С.К. Вильданов // Огнеупоры и техническая керамика. 2021. №5–6. С.12–18. – (Vildanov, S.K. Evaluation of the efficiency of using a refractory heat-insulating mixture in a steel-pouring ladle / S.K. Vildanov // Refractories and technical ceramics. 2021. №5–6. P.12–18.)
  24. Ключников, А.Д. Теплопередача излучением в огнетехнических установках / А.Д. Ключников, Г.П. Иванцов. – М. : Энергия, 1970. 399 с. – (Klyuchnikov, A.D. Heat transfer by radiation in fire-technical installations / A.D. Klyuchnikov, G.P. Ivantsov. – M. : Energia, 1970. 399 p.)
  25. Эккерт, Э.Р. Теория тепло- и массообмена / Э.Р. Эккерт, Р.М. Дрейк. – М.-Ленинград : Государственное энергетическое изд-во, 1961. 680 с. – (Eckert, E.R. Theory of heat and mass transfer / E.R. Eckert, R.M. Drake. – Moscow-Leningrad : State Energy Publishing House, 1961. 680 p.)
  26. Protopapas, P. Theory of transport in liquid metals. I. Calculation of self-diffusion coefficients / P. Protopapas, H.C. Andersen, N.A.D. Parlee // The J. Chem. Phys. 1973. №1. V.59. P.15–25.
  27. Zhang, B. Calculation of self-diffusion coefficients in iron / B. Zhang // AIP Advances. 2014. №4. P.1–6.
  28. Meyer, A. Iron self-diffusion in liquid pure iron and iron-carbon alloys / A. Meyer, L. Hennig, F. Kargl, T. Unruh // J. Physics : Condensed Mater. 2019. V.31. P.1–5.
  29. Fukuyama, H. Normal spectral emissivity, specific heat capacity and thermal conductivity of type austenitic stainless steel containing up to 10 mass% B4C in a liquid state / H. Fukuyama, H. Higashi, H. Yamano // J. Nuclear Mater. 2022. №568. P.1–12.
  30. Cagran, C. Normal spectral emissivity of the industrially used alloys NiCr20TiAl, Inconel 718, X2CrNiMo18-14-3, and another austenitic steel at 684.5 nm / C. Cagran, H. Reschab, R. Tanzer, W. Schützenhöfer, A. Graf, G. Pottlacher // Intern. J. Thermophys. 2009. №30. P.1300–1309.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependence of the melt blackness degree ε1 on the temperature during smelting of 38G2SF steel

Download (352KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of the melt blackness degree ε2 on the temperature during smelting of 32G2 steel

Download (318KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the melt blackness degree ε3 on the temperature during smelting of 35GS steel

Download (342KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the melt blackness degree ε4 on the temperature during smelting of A500C steel

Download (334KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the melt blackness degree ε5 on the temperature during smelting of S500WC steel

Download (318KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences