連鑄中間包通道式感應(yīng)加熱技術(shù)

1、毛斌陶金明蔣桃仙(中冶連鑄北京冶金技術(shù)研究院 ,北京 100081 )摘 要 連鑄實(shí)踐表明 ,低過熱度的恒溫澆注對獲得良好的鑄坯質(zhì)量和穩(wěn)定操作是非常重要的 。但是在連鑄 過程中 ,中間包存在各種熱損失 ,需要外部熱源加以補(bǔ)償 ,其中之一是中間包通道式感應(yīng)加熱技術(shù) 。綜述了中 間包通道式感應(yīng)加熱技術(shù)的設(shè)備構(gòu)成 、加熱原理 、流動特征 、夾雜物去除機(jī)理及使用效果等 。關(guān)鍵詞 中間包 ,通道式 ,感應(yīng)加熱中圖分類號 tf777 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 atun d ish chann e l type in duc t ion hea t in g techn o logy for con t in uou s

2、 ca st in gmao b in, tao j inm ing, j ian g taoxian(b e ijing m e ta llu rgica l techno logy in stitu te, cctec , b e ijing 100081 )a bstrac t low and stab le sup e rhea t ca sting is effec tive to imp rove strand qua lity and stab ilizeop e ra tion in con tinuou s ca sting. in con tinuou s ca sting

3、 p roce ss, hea t lo sse s in tund ish is existed, ou tside hea t sou rce s a re requ ired to comp en sa te hea t lo sse s. tund ish channe l typ e induc tion hea ting techno lo2 gy a re summ a rized, wh ich inc lude equ ipm en t con struc tion, hea ting p rinc ip le, flow cha rac te ristic s, re2 m

4、ove m echan ism of inc lu sion s and u se effec ts e tc.key w o rd s tund ish, channe l typ e, induc tion hea ting1 前言近年來 ,連鑄技術(shù)發(fā)展的實(shí)踐表明 ,低過熱度的 恒溫澆注對改善鑄坯質(zhì)量和穩(wěn)定操作起著重要的作用 。而控制中間包的鋼水溫度或過熱度是提高生產(chǎn)率 、改進(jìn)凝固組織 、提高產(chǎn)品質(zhì)量的最有效的方法之 一 。然而在整個(gè)連鑄過程中 ,中間包不同程度地存在熱損失 ,特別是澆注初期 、鋼包交換和澆注末期等 不正常澆注期 ,不可避免地引起較大的溫降 。因此 ,尋求外部熱源補(bǔ)償中間包

5、鋼水的溫降 、精確地控制 最佳過熱度 ,使進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水溫度穩(wěn)定 ,越來越 引起人們的重視 。近年來 ,中間包冶金技術(shù)的發(fā)展 也需要用外部熱源作為補(bǔ)償中間包鋼水溫降的手段 。因此 ,近幾十年來已開發(fā)出多種形式的中間包加熱技術(shù) ,其中主要有等離子體加熱技術(shù)和通道式 感應(yīng)加熱技術(shù) 。國內(nèi)曾自行研發(fā)過等離子體加熱技術(shù) ,也引進(jìn) 了等離子體加熱技術(shù) ,但使用效果都不盡人意 。其 主要原因一是起弧困難 ;二是由于中間包鋼水液面控制不穩(wěn) ,等離子體弧難于維持 ,導(dǎo)致熄弧 ; 三是使用時(shí)噪聲大 ,使人難以承受 ;四是等離子體產(chǎn)生的電 磁輻射對弱電系統(tǒng)有比較大的干擾 ; 五是加熱效率較低 。因此采用中間包感

6、應(yīng)加熱技術(shù)可能是上策 。通道式感應(yīng)加熱技術(shù)用于熔化金屬和合金特別 是有色金屬已有幾十年的歷史 ,但用于連鑄中間包鋼水加熱則是近二十多年的事 。工業(yè)試驗(yàn)和在線應(yīng)用表明 ,它能有效地補(bǔ)償中間包鋼水的溫降并使其 溫度均勻 ,同時(shí)能有效地提高中間包內(nèi)鋼水清潔度 , 減少非金屬夾雜物 。具有加熱均勻 、效率高 、設(shè)備簡單 、投資省 、運(yùn)行安全可靠 、操作維護(hù)方便并具有冶 金效果好等優(yōu)點(diǎn) ,很適合現(xiàn)有中間包的技術(shù)改造 。2 設(shè)備構(gòu)成圖 1為典型的新日鐵中間包雙通道感應(yīng)加熱裝 置全景示意圖 。通道式感應(yīng)加熱裝置都由耐火材料制成的隔墻 將中間包分隔成注入室和分配室 。在耐火材料的隔 墻內(nèi)部上下貫通地安裝感應(yīng)加

7、熱器 ,在感應(yīng)加熱器的周邊靠近中間包底部設(shè)置連接兩個(gè)室的通道 。根據(jù)通道設(shè)置不同 ,可以分為包外單通道式 、包內(nèi)雙通道式和三通道式 (見圖 2 ) 。其設(shè)備構(gòu)成大致是 :圖 3 中間包通道式感應(yīng)加熱原理就電路而言 ,它類似一臺單相交流變壓線圈相當(dāng)于變壓器的一次回路 ,通道中流動相當(dāng)于二次回路 ,視為一匝 。由變壓器的作可知 ,當(dāng)一次回路中的線圈饋給單相工頻交后 ,交變的電流就在鐵芯的閉合磁路中建立,交變的磁通 就在由鐵芯匝鏈的通道中中感應(yīng)起電勢 。圖 2 中間包通道式感應(yīng)加熱裝置示意圖e = dd t1 ) 感應(yīng)加熱器 : 感應(yīng)加熱器用于激發(fā)磁通 ,類似于帶一次線圈的單相變壓器 ,由閉合磁路的

8、鐵芯 和多匝線圈組成 。鐵芯由可移動的 形鐵芯和固定 軛鐵組成 ,前者可根據(jù)需要移出中間包 ,后者是一條 條形軛鐵 ,固定在中間包上 。感應(yīng)加熱器安裝在上下貫通的非磁不銹鋼內(nèi)套內(nèi) ,它既作為耐火材料的 支承也作為冷卻用空氣的通道 ,也便于使感應(yīng)加熱 器精確定位 。2 ) 通道 :由耐火材料制成 ,埋設(shè)在靠近中間包 底部的隔墻內(nèi) ,作為鋼水加熱和流動的通道 。3 ) 單相交流電源 : 電源的組成是多種多樣 ,主要由多級三相變壓器 、三相變單相的轉(zhuǎn)換器 、功率因 數(shù)補(bǔ)償電容及斷路器等組成 。為加熱裝置提供穩(wěn)定 的單相工頻交流電源 。4 ) 控制系統(tǒng) :包括功率調(diào)節(jié) 、溫度檢測 、顯示和 記錄等功能

9、 ,用于加熱裝置的調(diào)控和顯示 。5 ) 冷卻系統(tǒng) :一般采用風(fēng)冷式 ,一是使用安全 ,二是可以提高熱效率 。需要指出的是 ,由于非磁不銹鋼保護(hù)套和中間 包殼體都被感應(yīng)加熱器鐵芯所匝鏈 ,為防止在其中 感生的感應(yīng)電流形成回路 ,兩者都需要開一個(gè)由絕緣材料隔離的隙縫 。3 工作原理和技術(shù)特點(diǎn)3. 1 工作原理其中 t為時(shí)間 。由于鋼水的導(dǎo)電性 , 該勢在鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流j =e其中 為鋼水電導(dǎo)率 。感應(yīng)電流在鋼成回路 ,其方向與一次回路中的電流的方向此在鋼水中產(chǎn)生焦耳熱2 j 用來加熱鋼水 。簡言之 ,供給一次回路中的過電磁感應(yīng)傳輸給二次回路的鋼水中 ,這就式感應(yīng)加熱的基本原理 。由于感應(yīng)電流在

10、組成回路 ,其產(chǎn)生的焦耳熱直接加于鋼水內(nèi)道式感應(yīng)加熱裝置有較高的熱效率 。由此鋼包注入中間包注入室的鋼水經(jīng)通道時(shí)被應(yīng)電流產(chǎn)生的焦耳熱加熱 (實(shí)際上通道兩側(cè)室和分配室同樣有感應(yīng)電流流動 ,也產(chǎn)生焦加熱了的鋼水從通道流入分配室 ,并與其中鋼水混合 ,因此中間包分配室中的鋼水能在內(nèi)升溫 ,并借助流動而使溫度均勻化 。3. 2 技術(shù)特點(diǎn)1 ) 加熱效率高由于通道式感應(yīng)加熱電磁感應(yīng)原理 ,直接向鋼水內(nèi)加熱 ,其損失熱效率一般可高達(dá) 90 %以上 。2 ) 加熱的響應(yīng)性和控制性好因?yàn)橥ㄋ?、時(shí)間間隔 、澆注條件等因素很容易借助電氣控制 ,再配以連續(xù)測溫技術(shù)可防止中間包內(nèi)鋼水溫度 的波動 。3 ) 鋼水無

11、污染 因?yàn)榻柚鹘?jīng)通道中的感應(yīng) 電流的焦耳熱來加熱鋼水 ,無需氣氛控制 。4 ) 通道埋設(shè)在中間包底部附近 ,由于熱對流和 電磁力的箍縮效應(yīng) ,形成有利于夾雜物上浮的上升 流 ,使鋼水中夾雜物減少 ,提高鋼水的清潔度 ,這是感應(yīng)加熱方式的優(yōu)點(diǎn)之一 。5 ) 作業(yè)環(huán)境良好 由于配置加熱裝置 ,不會對 操作空間造成大幅度的制約 ; 又因感應(yīng)線圈可以采 用風(fēng)冷 ,完全避免了冷卻水與鋼水的接觸 ,故安全性 高 。6 ) 安裝維護(hù)方便 盡管感應(yīng)器鐵芯上下貫通 安裝在中間包上 ,但因其分上下兩部分 ,感應(yīng)器與中 間包很容易裝卸 ,操作方便 。不足之處是設(shè)備上有一定程度的制約 ,因?yàn)樾枰谥虚g包上安裝感應(yīng)加

12、熱器 、通道和風(fēng)冷管道等 ,需要占用中間包及其小車的一定空間 ; 此外中間包 容量也會有所減小 ; 特別是中間包與鋼包回轉(zhuǎn)臺之間的距離較短 ,這些都嚴(yán)重制約了現(xiàn)有中間包采用通道式感應(yīng)加熱技術(shù) 。4 加熱特性和電氣特性4. 1 輸入中間包的熱量估計(jì)在配置中間包感應(yīng)加熱器時(shí) ,必須處理好輸入 的加熱功率 、最大加熱功率和最佳加熱功率這三者的關(guān)系 :1 ) 輸入加熱功率 : 這取決于中間包的容量 、澆 注量 、加熱時(shí)間和溫控精度等因素 。2 ) 最大加熱功率 : 從中間 包鋼 水 的熱 平衡 分 析 ,最大溫降出現(xiàn)在澆注初期 ,因此 ,感應(yīng)加熱器的最大功率應(yīng)能補(bǔ)償澆注初期的最大溫降 。3 ) 最佳加

13、熱功率 : 從結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)看 ,為了使感應(yīng) 加熱器的體積和操作簡化 ,必須確定最佳加熱功率 。通常按一鋼包的鋼水在中間包內(nèi)溫度變化來計(jì)算溫度補(bǔ)償所必須的加熱容量 。假定中間包內(nèi)鋼水 溫度是均勻的 ,并且從鋼包到中間包和從中間包到結(jié)晶器的澆注量是相等的 ,則中間包內(nèi)鋼水的熱平 衡由公式 ( 1 )表示 :tl 鋼包內(nèi)鋼水溫度 / ;t 中間包內(nèi)鋼水溫度 / ;h 中間包內(nèi)的熱損失 /j /m in;p 向中間包內(nèi)鋼水加入的熱量 /j /m in;t 從中間包開澆起始的澆注時(shí)間 /m in。 由公式 ( 1 ) 可見 , 其左邊是中間包內(nèi)鋼水單位 時(shí)間所吸收的熱量 ; 右邊的第一項(xiàng)是鋼包單位時(shí)間加入中

14、間包的熱量 ,第二項(xiàng)是中間包鋼水的熱損失 ,主要是內(nèi)襯耐火材料的導(dǎo)熱和鋼液面的輻射熱 。從 中間包內(nèi)鋼水溫度變化過程看 ,澆注初期 ,中間包內(nèi)襯耐火材料蓄熱小 ,而耐火材料的熱損失大 ,其后溫度回升 ,隨后受到鋼包內(nèi)鋼水溫度降低的影響又慢 慢降低 。一般來說 ,澆注時(shí)間越長 ,與目標(biāo)溫度的偏離也越大 ,因此 ,必須增加加熱能力 。假定將中間包內(nèi)鋼水溫度控制在目標(biāo)溫度 tc ,則公式 ( 1 )的左邊有 dt = 0 ,因此有d tp = - cp q ( tl - tc ) + h( 2 )將 ( 2 )式兩邊除以cp q ,得到 p h= - ( t - t+= tc )lcp qcp q其

15、中 t為相對目標(biāo)溫度的溫度差 。因此有 :p = cp q t( 3 )由此可見 ,加入的熱量 p 由澆注量和必要的溫升決定 。而 t 是計(jì)算及流入和流出中間包的鋼水 溫度差及中間包全部熱損失的實(shí)際的必要溫升 。4. 2 電氣特性在實(shí)際配置中間包感應(yīng)加熱器時(shí) ,不僅需要作 熱平衡的分析 ,而且也需要作感應(yīng)加熱器的電氣特性的分析 。中間包感應(yīng)加熱器的電氣特性受到電源 頻率 、通道長度等的影響 。一般說來 ,在電流一定的 情況下 ,電源頻率越高 ,電壓也越高 ,功率平緩增加 ,而功率因數(shù)則明顯降低 ; 通道越長 ,電壓也越高 ,功率則明顯增加 , 而功率因數(shù)緩慢增高 , 效率基本不 變 ;在一定電

16、壓下 ,輸入功率與通道長并不是單調(diào)遞 增的 ,而是有個(gè)最大值 ,實(shí)際使用的通道長度應(yīng)選在 使輸入功率達(dá)到最大值的附近 ,大約 1m 左右 。實(shí)際裝置的設(shè)計(jì) ,應(yīng)考慮上述的電氣特性 ,既要向鋼水輸入必要的功率 ,又要考慮中間包的安裝空 間的制約 ,以此決定最合適的感應(yīng)加熱器的形狀 。5 流動特性和夾雜物去除機(jī)理5. 1 箍縮效應(yīng)在通道內(nèi)鋼水中流動的感應(yīng)電流 ,伴生指向通dtcp w d t = cp q ( tl - t ) - h + p式中cp 鋼水等壓比熱 /j / kg·w 中間包內(nèi)鋼水重量 / kg;q 澆注量 / kg /m in;道中心的電磁力 , 該電磁力箍縮鋼水 ,

17、使其截面收縮 ,稱為箍縮效應(yīng) ( p inch effec t)見圖 4。許多作者運(yùn)用三維數(shù)值模擬方法 ,計(jì)算件下的流場 (見圖 5) ,并且運(yùn)用模擬實(shí)驗(yàn)和 等手段作了驗(yàn)證 。結(jié)果證明 ,由熱對流引起動是主要的 ,而由電磁力引起的流動則是次 上述流場可以看出 ,加熱后的鋼水由于密度利于夾雜物上浮的上升流 。而實(shí)測表明 ,由效應(yīng) ,鋼水從通道中流出時(shí)形成射流 ,在澆的附近形成均勻混合的區(qū)域 。因此 ,在中間附近埋設(shè)通道是感應(yīng)加熱方式的優(yōu)點(diǎn)之一圖 4 箍縮效應(yīng)箍縮效應(yīng)有利也有弊 。有利的是在通道中被加熱的鋼水借箍縮效應(yīng)向通道外壓出 ,與中間包內(nèi)的 鋼水激烈混合 ,很快能使溫度均勻 ;鋼水流動的結(jié)果

18、減小中間包內(nèi)鋼水流動的滯止區(qū) ,使鋼水能比較徹 底地混合 。不利的是 ,如箍縮效應(yīng)過強(qiáng) ,導(dǎo)致通道內(nèi)鋼水截面縮小 ,使通道耐火材料受到損傷 ,也可使通 道內(nèi)電流產(chǎn)生脈動 ,影響運(yùn)行的穩(wěn)定性 。為了防止由于箍縮效應(yīng)引起的這種電不穩(wěn)定 性 ,可以從理論上求得電穩(wěn)定的條件 。由通道中感 應(yīng)電流產(chǎn)生的磁壓6 使用效果通道式感應(yīng)加熱技術(shù)在一些公司尤其20 i2川崎 、新日鐵 、大同特鋼 、住友等公司進(jìn)行了( 4 )pd 8a的研究和應(yīng)用 ,取得了較好的效果 。現(xiàn)將日式中 0 真空磁導(dǎo)率 /h /m;i2 通道中的感應(yīng)電流 /a ,它是與通道半 徑和滲透厚度有關(guān)的復(fù)雜函數(shù) ;a 通道截面積 /m2 。 另

19、一方面 ,鋼水靜壓力 :鋼廠的使用效果簡述如下 。6. 1 川崎公司川崎公司千葉制鐵所在 1 號連鑄機(jī)上 機(jī)試驗(yàn)和應(yīng)用 。( 1 ) 主要參數(shù)1 ) 鋼種 : su s304、su s430;2 ) 中間包容量 : 8 t;3 ) 加熱通道型式 :包外單通道 ;4 ) 加熱功率 : m ax 1000 kw , 50h z,多級( 2 ) 主要效果1 ) 中間包內(nèi)溫降由未加熱時(shí) 10 20加熱時(shí)的 05 ;2 ) 溫控精度為目標(biāo)溫度的 ±2. 5 ;pst = p0 +gh式中p0 大氣壓 / pa;鋼水密度 / kg /m3 ;g 重力加速度 /m / s2 ;h 通道頂部至鋼液面

20、的深度 /m。 由此導(dǎo)出電穩(wěn)定的條件是 :pst pd( 5 )( 6 )由條件 ( 6 ) 可知 , 加熱功率要隨中間包鋼水靜壓大小而調(diào)整 ,特別是澆注初期和末期尤為重要 。5. 2 流動模擬中間包內(nèi)鋼水的流動是支配夾雜物上浮分離 、溫 度均勻性和控制性的重要因素 。實(shí)驗(yàn)表明 ,由于感應(yīng)加熱引起的鋼水激烈流動 ,起因于通道內(nèi)被加熱鋼3) su s304板坯皮下 ( 020mm )的大型與不加熱時(shí)比較減少 1 /41 /12;4 ) 非正常澆注期的板卷表面質(zhì)量可以熱提高到正常澆注期的水平 。6. 2 大同特鋼公司( 1 ) 主要參數(shù)1 ) 鋼種 :汽車用低合金鋼 、軸承鋼和不銹鋼 ;2 ) 中

21、間包容量 : 20 t3 ) 加熱通道型式 :包外單通道 ;4 )加熱功率 : 1000 kw。( 2 ) 主要效果1 ) 升溫速度 : 在拉速 0. 6m /m in 下 , 輸入加熱 功率 950 kw ,在 10m in內(nèi)升溫 17 ;2 ) 溫控精度為目標(biāo)溫度的 ±3 。6. 3 住友公司住友公司在和歌山制鐵所的第一制鋼廠 2號大 方坯連鑄機(jī)上使用感應(yīng)加熱裝置 。( 1 ) 主要參數(shù)1 ) 鋼種 :高碳鋼 、軸承鋼 、滲碳鋼 ;2 ) 中間包容量 : 13 t;3 ) 加熱通道型式 :包內(nèi)雙通道 ;4 ) 加熱功率 : 1000 kw , 50h z。( 2 ) 主要效果1

22、) 溫控精度 : 15 16 ±2 ;2 ) 在低于 10 的低過熱度和 m em s下 , 對于< 0. 1 % c的大方坯無中心縮孔和中心偏析 ;3 ) 在低于 20 的低過熱度和 m em s下 , 對于> 0. 45 % c的大方坯無中心縮孔和中心偏析 ;4 ) 由于低過熱度 ,不僅能獲得大的等軸晶區(qū) ,而且晶粒細(xì)化 。6. 4 新日鐵公司新日鐵八幡廠在大方坯連鑄機(jī)上進(jìn)行了提高中 間包鋼水清潔度等的試驗(yàn)和應(yīng)用 。( 1 ) 主要參數(shù)1 ) 鋼種 :鋁沸騰鋼 ;2 ) 中間包容量 : 30 t;3 ) 加熱通道型式 :包內(nèi)雙通道 ;4 ) 加強(qiáng)功率 : 1000 kw。( 2 ) 主要效果1 ) 升溫速度 : 2 /m in;2 ) 加熱前后中間包內(nèi)鋼水清潔度的比較見圖圖 6 中間包內(nèi)鋼水清潔度圖 7 薄板材表面缺陷的改進(jìn)6。由圖 6可見 ,中間包內(nèi)鋼水清潔度大幅度提高 。3 ) 加熱前后薄板材表面缺陷的比較見圖 7 ,由 圖 7可見 ,加熱后薄板材的表面缺陷