中間包通道式感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

中間包通道式感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

在連續(xù)鑄造過程中，中間包內(nèi)鋼水注射溫度的穩(wěn)定性是影響鑄造機產(chǎn)量和鑄造質(zhì)量的重要因素。然而,由于開澆時中間包包襯的吸熱、換鋼包時和澆注末期中間包內(nèi)無高溫鋼水的供給以及整個澆注過程中通過鋼包和中間包熔池表面及耐火材料包壁損失的熱量,中間包內(nèi)鋼水溫度不可避免地存在著較大的波動(可能高達30℃左右)。因此,尋求外部熱源來補償中間包內(nèi)鋼水溫降,使鋼水澆注溫度保持在目標值附近,越來越受到人們關(guān)注。近年來,冶金工作者已開發(fā)了多種中包加熱技術(shù),其中等離子體加熱和通道式感應(yīng)加熱為主要加熱方式。等離子體加熱的基本原理是通過等離子體將電能轉(zhuǎn)化為熱能,利用傳導(dǎo)和輻射兩種換熱方式將熱能傳遞給鋼水。然而該技術(shù)的使用效果常不盡人意,其主要原因是:中間包液面渣太厚,起弧困難;中間包注流區(qū)鋼水液面波動大;設(shè)備工作噪聲太大,使人難以承受;等離子產(chǎn)生的電磁輻射對弱電系統(tǒng)有較大干擾;等離子火焰在固定區(qū)域加熱,易使局部區(qū)域溫度過高造成耐火材料消耗大等。因此,盡管國際上還有不斷完善使用這一技術(shù)的報道,但國內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)已停用、拆除早期引進的這種加熱方式。與等離子體加熱相比,通道式感應(yīng)加熱技術(shù)具有投資小、利于中間包內(nèi)鋼水夾雜物上浮、加熱均勻以及工作環(huán)境安全系數(shù)較高等優(yōu)點。然而,感應(yīng)加熱設(shè)備在中間包內(nèi)部安裝位置及其冷卻方式的合理性、現(xiàn)有中間包平臺空間的有限性等對感應(yīng)加熱及其附屬設(shè)備安裝的限制一直制約著中間包通道式感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展與推廣應(yīng)用。鑒于中包加熱技術(shù)對煉鋼—連鑄生產(chǎn)流程及其鑄坯質(zhì)量優(yōu)化控制的重要性,本文將對頗具發(fā)展?jié)摿Φ耐ǖ朗礁袘?yīng)加熱的基本原理和設(shè)備構(gòu)成進行系統(tǒng)闡述,分析討論通道式感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計現(xiàn)狀和設(shè)備操作使用中的關(guān)鍵問題及其解決方法。在此基礎(chǔ)上,論述了中間包通道式感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用發(fā)展趨勢,以期為實現(xiàn)低過熱恒溫澆注技術(shù)和進一步提升中間包的冶金效果提供理論依據(jù)。1中央包式加熱的原理以及基本設(shè)備的組成1.1口型鋼鐵芯內(nèi)產(chǎn)生磁通的結(jié)果如圖1所示,中間包感應(yīng)加熱的基本工作原理為:當加熱器線圈中饋給單相交流電后,口字型鐵芯內(nèi)會產(chǎn)生交變的磁通Φ,該交變的磁通Φ使其附近通道內(nèi)的鋼水產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E,進而使通道內(nèi)的鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流j。該感應(yīng)電流j所產(chǎn)生的焦耳熱Q用來加熱通道內(nèi)的鋼水。1.2感應(yīng)加熱器透水整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖2給出了一種中間包感應(yīng)加熱基本設(shè)備構(gòu)成示意圖。由圖可知,該中間包感應(yīng)加熱裝置由口字型鐵芯和線圈、方形無底非磁不銹鋼保護套、耐火材料通道以及冷卻系統(tǒng)等構(gòu)件組成。各個構(gòu)件的基本作用如下所述。(1)感應(yīng)加熱器由口字型鐵芯和多匝線圈組成。其中,口字型鐵芯由一個可移動的Π型鐵芯和一個固定的條形軛鐵組成,以便于安裝維護。感應(yīng)加熱器的主要作用是在鋼水內(nèi)部產(chǎn)生交變的磁通Φ。(2)非磁不銹鋼保護套由兩只凹形套體連接而成,其接縫處用電絕緣材料隔開,鐵芯裝在保護套內(nèi)。其主要作用是:作為加熱器外部耐火材料的支承;精確控制加熱器位置;風(fēng)冷時,保護套作為通風(fēng)管道,水冷時,保護套與線圈之間可安裝冷卻設(shè)備。(3)通道由Al2O3-C質(zhì)耐火材料制成,埋設(shè)于中間包隔墻的底部。其主要作用是:加熱鋼水;將注流區(qū)的鋼水引入澆注區(qū)。(4)冷卻系統(tǒng),一般包括風(fēng)冷式和水冷式。其主要作用是通過冷卻介質(zhì)將工作中的鐵芯和線圈自身產(chǎn)生的熱量帶走以保護加熱設(shè)備。2通道式加熱設(shè)備的設(shè)計現(xiàn)狀2.1雙線圈感應(yīng)加熱器目前,常規(guī)的感應(yīng)加熱設(shè)備主要采用單線圈感應(yīng)加熱器(如圖1所示)來補償澆注過程中中間包內(nèi)鋼水的熱損失。該種加熱器在安裝時,需將鐵芯有線圈的一側(cè)置于中間包內(nèi),無線圈的一側(cè)置于中間包外。為使用安全和提高加熱效率,單線圈加熱器的冷卻方式一般采用風(fēng)冷式。如圖2所示,風(fēng)冷式需在中間包操作平臺上安裝冷卻風(fēng)機和管道及其固定設(shè)備,并將上下貫通的非磁不銹鋼保護套作為冷卻用空氣通道。然而,中間包與大包之間的空間有限,這將不利于通道式感應(yīng)加熱技術(shù)在現(xiàn)有中間包操作平臺上使用。此外,由于加熱裝置的安裝位置占用了中間包的內(nèi)部空間,中間包總?cè)萘繉⒂兴鶞p少。與原包相比,由于換鋼包期間拉速保持不變,裝有加熱裝置的中間包熔池內(nèi)液面位置下降速度增加,這將有可能導(dǎo)致中間包出口處發(fā)生渦旋卷渣,降低了鑄坯質(zhì)量。為克服這些缺點,毛斌等人提出了采用雙線圈感應(yīng)加熱器來補償澆注過程中中間包內(nèi)鋼水的熱損失。如圖3所示,雙線圈感應(yīng)加熱器的鐵芯是由∏型鐵芯和固定軛鐵構(gòu)成;線圈固定在∏形鐵芯的下部。經(jīng)耐火材料砌筑后,雙線圈加熱器與其附近的“8”字形通道可形成一個封閉的整體。該封閉的整體安裝在靠近中間包注流區(qū)的外側(cè)。與單線圈加熱裝置相比,雙線圈加熱裝置的位置將不會引起中間包內(nèi)部容量減小。此外,該加熱裝置的冷卻方式為:(1)線圈由銅管繞制而成,管內(nèi)可直接通入優(yōu)質(zhì)去離子水冷卻,銅管外部涂有絕緣層;(2)鐵芯與保護套之間安裝迥形冷卻管;(3)鐵芯上部嵌上若干銅板,以增強鐵芯內(nèi)部熱量的導(dǎo)出。與風(fēng)冷相比,水冷方式具有設(shè)備小、噪音低、冷卻效率高等優(yōu)點。然而,水冷式的冷卻設(shè)備大部分由銅材制成,對電磁感應(yīng)設(shè)備的使用效果存在一定影響。此外,鋼水澆注過程中水冷式也具有一定的安全隱患。2.2鋼水流場采用方式影響加熱器效率在一定的加熱器形式下,通道的布置方式是影響加熱器的加熱效率、中間包內(nèi)鋼水流場合理性的主要因素。而通道的布置方式主要由加熱器的位置決定。2.2.1中間包的設(shè)計及澆注圖4為H型中間包加熱設(shè)備示意圖。如圖所示,加熱器將中間包分成注流區(qū)和澆注區(qū),兩區(qū)之間由埋設(shè)在加熱器兩側(cè)底部的直形耐火材料通道連接。在通道的導(dǎo)流作用下,被加熱的鋼水可全部進入澆注區(qū),熱利用率高。此外,由于通道內(nèi)被加熱的鋼水與澆注區(qū)內(nèi)鋼水存在溫度差,通道內(nèi)的鋼水進入澆注區(qū)后可形成向上的流股,該流股利于鋼水內(nèi)夾雜物的上浮和去除以及鋼水溫度的均勻。但在該工況下,為使通道內(nèi)的鋼水加熱充分,需盡量增加通道的長度,這將導(dǎo)致中間包整體寬度增加。因此,需對現(xiàn)有的中間包車、軌道乃至中包平臺進行改造,推廣應(yīng)用有一定局限性。為減小裝有感應(yīng)加熱設(shè)備的中間包整體寬度,新日鐵公司開發(fā)了如圖5所示的中間包通道式感應(yīng)加熱裝置。與上述H型中間包加熱裝置相比,圖中的兩種感應(yīng)加熱裝置設(shè)計均減小了中間包的寬度。然而,對于雙通道感應(yīng)加熱裝置,如圖5(a)所示,中間包內(nèi)加熱器裝置及冷卻設(shè)備的安裝制約了通道的長度,使得鋼水在通道內(nèi)的停留時間短,鋼水加熱不充分。對于三通道感應(yīng)加熱裝置,如圖5(b)所示,中間包內(nèi)的注流區(qū)和澆注區(qū)由通道1連接在一起,為使感應(yīng)線圈四周的鋼水能形成閉合的感應(yīng)電流回路,需在口字型鐵芯軛鐵下方設(shè)置如圖5(b)中所示的通道2。澆注過程中,在感應(yīng)加熱裝置的作用下,注流區(qū)內(nèi)被加熱的鋼水經(jīng)通道1進入澆注區(qū)。在熱對流和箍縮效應(yīng)的作用下,該股鋼水可與澆注區(qū)內(nèi)的鋼水充分混合,利于鋼水內(nèi)夾雜物的上浮和去除及鋼水溫度的均勻。然而,由于通道2所連接的是兩側(cè)的澆注區(qū)且圖中通道1所示兩個通道為對稱通道,通道2內(nèi)被加熱的鋼水只能靠箍縮效應(yīng)和自然對流作用來流動。隨著澆注過程的進行,停滯在通道2內(nèi)的鋼水的溫度將不斷升高最后保持平衡,這將對通道耐火材料的使用壽命及生產(chǎn)成本造成較大壓力。最近提出一種緊湊式十字形中間包通道式感應(yīng)加熱裝置,有望避免以上缺點,并滿足鋼廠現(xiàn)有中包平臺的使用條件。2.2.2道內(nèi)鋼水被加熱圖6為中冶連鑄提出的雙線圈感應(yīng)加熱裝置示意圖。與上述的單線圈感應(yīng)加熱裝置相比,該裝置中感應(yīng)線圈附近的通道長度有所增長,利于充分加熱通道內(nèi)鋼水。然而,穩(wěn)態(tài)澆注過程中,受到由通道1流向澆注區(qū)的鋼水流股的影響,加熱通道2內(nèi)的鋼水的活躍程度將大大降低。特別是在換鋼包期間以及澆注末期,由于中間包的注流區(qū)無鋼水的補充,埋設(shè)在中間包底部的通道2內(nèi)的鋼水只能靠箍縮效應(yīng)和自然對流作用來流動,這將導(dǎo)致通道2內(nèi)已被加熱的鋼水無法及時到達澆注區(qū),熱利用效率降低。此外,雙線圈感應(yīng)加熱裝置的安裝也將增加中間包總寬度,不利于對現(xiàn)有中間包操作平臺的改造。3文獻中的伸縮式感應(yīng)加熱裝置實驗結(jié)果如圖7所示,通道式感應(yīng)加熱設(shè)備在使用過程中,通道內(nèi)鋼水中感應(yīng)電流在磁場的作用下產(chǎn)生了指向通道中心的電磁力。該電磁力可使通道內(nèi)鋼水橫截面產(chǎn)生收縮現(xiàn)象,稱之為箍縮效應(yīng)。箍縮效應(yīng)有利也有弊。有利的是,其能將通道內(nèi)已加熱的鋼水壓出,并與澆注區(qū)內(nèi)鋼水混合,提高了熱利用效率,加強了中間包內(nèi)鋼水溫度的均勻程度。不利的是,當箍縮效應(yīng)過強時,通道內(nèi)鋼水橫截面減小,使得通道內(nèi)鋼水的感應(yīng)電流產(chǎn)生脈動,影響穩(wěn)定生產(chǎn)。此外,通道內(nèi)鋼水橫截面收縮過大時會引起進入澆注區(qū)的鋼水速度增加,這將會造成對中間包包壁的沖刷。然而,為補償在中間包開澆初期、換鋼包期間以及澆注末期中間包內(nèi)鋼水的較大溫降,感應(yīng)線圈內(nèi)的工作電流將有所增大,通道內(nèi)鋼水的感應(yīng)電流也將隨之加大,這將可能引發(fā)箍縮效應(yīng)負作用的產(chǎn)生。特別是澆注初期和末期,通道內(nèi)不能充滿鋼水,否則箍縮效應(yīng)變得顯著,嚴重時,會使鋼水中斷。因此,如何避免箍縮效應(yīng)的負作用是通道式感應(yīng)加熱設(shè)備使用中的關(guān)鍵問題。為避免箍縮效應(yīng)的負作用,日本川崎鋼鐵公司在裝有通道式感應(yīng)加熱設(shè)備的7t中間包(如圖8所示)上進行了實驗研究。實驗鋼種為不銹鋼304和不銹鋼403。該裝置的最大功率為1070kW,電流工作頻率為50Hz。中間包采用熱電偶連續(xù)測溫,以自動調(diào)節(jié)加熱器感應(yīng)線圈的工作電流。實驗結(jié)果表明,對于該裝置,為避免開澆期間箍縮效應(yīng)負面影響的產(chǎn)生,開澆期間最優(yōu)的輸入功率變化情況是:加熱設(shè)備在開澆后15s開始工作,輸入功率為300kW左右,之后分別在38s和60s時增至650kW和1000kW,具體操作情況如圖9所示。圖10為有無感應(yīng)加熱兩種工況下頭個澆次期間中間包內(nèi)鋼水溫度的變化情況。其中,虛線為目標溫度。圖11為整個澆注過程中輸入功率變化與兩次實驗效果。由此可知,中間包內(nèi)鋼水溫降由未采用感應(yīng)加熱時的10～20℃降低到加熱時的0～5℃,且整個澆注過程中溫控精度為目標溫度的±3℃左右。圖12為川崎鋼鐵公司提出的中間包通道式感應(yīng)加熱裝置示意圖。為避免箍縮效應(yīng)負作用的產(chǎn)生,YutakaYoshii等人在該裝置上研究了工作液位與輸入功率以及通道內(nèi)鋼水的感應(yīng)電流的關(guān)系。其中,中包容量為7t(工作液位為600mm),鋼種成分為C/0.1%～0.15%,Si/0.25%～0.35%,Mn/0.65%～1.10%,P/0.01%～0.018%,S/0.005%～0.0010%,Al/0.02%～0.03%。結(jié)果如圖13所示,可知:在不同工作液位下,輸入功率有一個上限范圍,超過該上限值時將會產(chǎn)生箍縮效應(yīng)的負作用。此外,在該工況下,當通道內(nèi)鋼水感應(yīng)電流密度D滿足關(guān)系式:D≤0.1H+0.45時,就可以避免箍縮效應(yīng)的負作用。綜上所述,在一定的加熱裝置情況下,中間包開澆初期、換鋼包期間以及澆注末期這三個時期內(nèi)最易出現(xiàn)箍縮效應(yīng)的負作用。而這三個時期的共性為中間包內(nèi)鋼水的工作液面隨時間發(fā)生變化。因此,對于某一特定的中間包通道式感應(yīng)加熱裝置,需通過實驗或其他手段來計算出不同工作液位下合適的感應(yīng)加熱器輸入功率和通道內(nèi)感應(yīng)電流大小以避免箍縮效應(yīng)負作用的產(chǎn)生。4中間包鋼水加熱設(shè)計注意事項對連鑄中間包通道式感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了系統(tǒng)的分析與論述,獲得如下結(jié)論和認識:(1)在加熱器和冷卻方式選擇時