（钢铁冶金专业论文）基于光纤红外辐射原理的中间包连续测温技术研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于光纤红外辐射原理的中间包连续测温技术研究 摘要 随着连铸技术的迅速发展，快速、准确、连续地测定中间包内钢水的温度变 化日益重要。作为冶炼与连铸的中间环节，中问包钢水连续测温对提高钢坯质量、 减少拉漏和絮死、稳定连铸操作提高拉速等有直接影响。而至今，国内外绝大多 数钢铁企业均采用一次消耗性热电偶间断测量钢水温度。因此，开发费用低、使 用方便的中间包钢水连续测温技术一直是冶金工作者为之努力的方向。 本文采用光纤红外辐射测温的方法测量中间包钢液的温度。在预备试验中， 通过几次试验分析，光纤红外辐射测温方法可以用于中间包连续测温。正式试验 使用中频感应炉来模拟中间包钢液温度的变化，用热电偶点测测得钢水的真实温 度，在同一测温点测得红外测温仪的温度，利用两者的测温值拟合出曲线，并对 红外测温仪所测的温度值进行修正。 研究结果表明： ( 1 ) 预备试验中，两种测量方法热电偶点测和红外辐射测温系统点测的温度 趋势相一致，拟合后差值都在3 7 。c ，由此确定出红外辐射测温方法可以用于钢水 的测温研究； ( 2 ) 正式试验中，红外测温方法和热电偶点测的温度趋势相同，只要插入热 电偶点测的位置与红外辐射测温方法的测温位置相同，两者之间温差很小，一般 都小于5 6 ； ( 3 ) 试验结果表明这套连续测温系统与一次消耗性热电偶测温系统相比，降 低了测温成本并且实现了钢水温度的连续测量，更好地反映了钢液的温度变化情 况； ( 4 ) 本套测温系统适合用于中间包温度的测量。 关键词；连铸中间包连续测温光纤红外辐射 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o nc o n t i n u o u st e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti nt u n d i s hb a s e d o ni n f r a r e dr a d i a t i o np r i n c i p l e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o r1 1 i g hq u a l i t ys t e e l i ti s v e r yi m p o r t a n tt oc o n t i n u o u sm e a s u r et h ec h a n g eo fm o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r ei nt u n d i s h s i n c et u n d i s hi st h ev e s s e lc o n n e c t i n gl a d l ea n dm o u l d ，t h et e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e l i nt h i sv e s s e lh a sag r e a te f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fc a s t i n ga n dq u a l i t yo fs l a b ，a n d c o n t i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc a l la v o i dt h eo c c u r r e n c eo fb r e a k o u ta n d c l o g g i n g p r e s e n t l y , m o s ts t e e lc o m p a n i o na d o p to n e o f rt h e r m o c o u p l e st om e a s u r et h e t e m p e r a t u r ei nt t m d i s h t h e r e f o r e ，i ti st h et i m et od e v e l o pt h et e c h n o l o g yt om e a s u r e t h et e m p e r a t u r eo f m o l t e ns t e e lc o n t i n u o u s l yw i t hl o wc o s ta n dc o n v e n i e n c e i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo fo p t i c a lf i b e rr a d i a t i o nw a sa p p l i e dt om e a s u r et h e m o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r ei nt u n d i s h i nt h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tw i t h o p t i c a l f i b e rr a d i a t i o nc a nb e u s e df o r c o n t i n u o u s t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti nt u n d i s h i nt h ef o r m a le x p e r i m e n t s ， m e d i u m f r e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c ew a su s e dt os i m u l a t et h ec h a n g eo fm o l t e ns t e e l t e m p e r a t u r ei nt u n d i s h t h et h e r m a lc o u p l ew a su s e dt om e a s u r et h et e m p e r a t u r eo f m o l t e ns t e e ld i s c o n t i n u o u s l y , a n da tt h es a l n et i m et h et e m p e r a t u r ei sm e a s u r e db yt h e e q u i p m e n tb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f f i b e rr a d i a t i o n a tl a s tt h el e a s t s q u a r e sp r o c e d u r e i s u s e dt ob u s i n e s sd a t a - p r o c e s s i n g t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s ，t h et w ot e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t sw i t ht h e t h e r m a lc o u p l ea n dt h ei n f r a r e dr a d i a t i o ns y s t e ms h o wt h es a m et e n d e n c y b o t h d i f f e r e n c ei si nt h er a n g eo f3 - 7 。ca f t e rf i t t i n g i tc a nb ec o n f i r m e dt h a tt h ei n f r a r e d r a d i a t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc a nb e u s e d t ot h e s t u d y o ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n to fm o l t e ns t e e l ( 2 ) i nt h ef o r m a le x p e r i m e n t s ，t h et w ot e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t sw i t ht h et h e r m a l c o u p l ea n dt h ei n f r a r e dr a d i a t i o ns y s t e ms h o wt h es a m et e n d e n c y t h ed i f f e r e n c ei sl e s s t h a n5 - 6 。ci ft h em e a s u r i n gp o i n t so ft h et h e r m a lc o u p l ea n dt h ei n f r a r e dr a d i a t i o n s y s t e ma r et h es a m e f 3 ) t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r e s e n tc o n t i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s y s t e mc a nr e d u c e t h ec o s ta n dr e a l i z et h ep u r p o s eo fc o n t i n u o u s m o l t e ns t e e l t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t h 1t h ei n f r a r e dr a d i a t i o nt h e r m o m e t r i cs y s t e mi sf i tt om e a s u r et h et e m p e r a t u r eo f - i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o l t e ns t e e li nt u n d i s h k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，t u n d i s h ，c o n t i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，o p t i c a l f i b e r ，i n f r a r e dr a d i a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砂1 诛 日期：砌j 、) 、27 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：1 霹朱 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪下半叶以来，世界钢铁工业的技术经济面貌发生了革命性的变化，出 现了两轮大规模的创新高潮( 转炉炼钢、连续铸钢) ，推动了工业发达国家实在从 钢铁产品数量扩张到结构优化的战略转移。而今，随着相关行业科学技术的进步， 特别是控制技术的发展，连铸正朝着高效、近终形方向发展【1 1 。我国连铸经历了起 步晚、发展艰难、引进移植、自创体系、快速发展、高效化改造等阶段。近十几 年来，我国连铸发展的速度已达到世界主要产钢国的增长水平，并且在连铸技术 及装备的研究方面取得了突破性进展。 1 1 连铸的工艺流程 连铸是液态钢液用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺，它是连 接炼钢与轧钢的环节。连铸所用的钢水通常是经过二次精炼的钢水。连铸工艺流 程如图1 1 所示： 燃一转1 精炼- 连铸- 轧制 电炉_ j 图1 1 连铸t 艺流程图 f i g1 1 t h ef o l l o wc h a r to f c o n t i n u o u sc a s t i n g 连铸生产的正常与否，不但影响到炼钢生产任务的完成，而且也影响到轧材 的质量和成材率。此外连铸自身的发展还会带动冶金系统其它行业的发展，它对 企业结构和产品结构的优化，有着重要的促进作用。 一台连铸机如图1 2 所示，主要是由钢包运载装置、中间包、中间包车、结 晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉矫装置、切割装置和铸坯运动装置等 部分组成。浇钢时把载有钢水的钢包通过钢包运载装置运送到连铸机上方，经钢 包底部的水口，将钢水注入中间包中。打开中间包塞棒或水口，钢水流入结晶器 中，钢液沿结晶器周边冷凝成壳。带有液芯，并且具有一定厚度的坯壳在拉坯机 的驱动下，离开结晶器，沿着弧形排列的夹辊支撑下移。与此同时，铸坯被二次 】 东北大学硕士学位论文第一章绪论 冷却装置进一步冷却并继续凝固。当引锭杆进入拉矫机后，自动脱离铸坯，出二 次冷却区后，铸坯进入空冷区，直至完全凝固。完全凝固的铸坯进入切割机，被 切成一定长度的铸坯，最后铸坯运往轧制车间轧制让i 。 1 一钢包2 冲间包3 浸入式水口4 - 结晶器5 - 二冷区6 一支撑辊7 - 矫直8 - 切割机 图1 2 弧形连铸机示意图 f i 9 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a r c - c u r v e dt y p ec o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e 1 2 连铸技术的优越性 与传统模铸工艺相比，连续铸钢工艺具有如下优点u 1 ： ( 1 ) 简化生产工序( 如图1 3 所示【4 j ) ： ( 2 ) 提高了金属收得率和成材率； ( 3 ) 降低了能源消耗； ( 4 ) 生产过程机械化、自动化程度提高； ( 5 ) 钢铁生产流程趋于高效化、集约化、产品品种生产专业化、优质化、多 样化等。 - 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 模铸 同 转炉。l _ _ j 乙 脱锭 冒 均热初轧。 画旱。画 画。一刨 0 丽 图l3 钢液模铸与连铸工艺流程对比图 f i g 1 3c o m p a r i s o nb e t w e e nc o n t i n u o u sc a s t i n ga n di n g o tc a s t i n g 1 3 国内外连铸技术的发展 1 3 1 国外连铸技术的发展概况 国外连铸技术近十年来自身完善和优化速度很快。1 9 9 8 年美国钢产量为0 9 3 亿吨，连铸比为9 5 3 ，p i 本钢产量为0 9 0 7 亿吨，连铸比为9 6 9 ，欧盟1 5 国钢产量为1 5 3 亿吨，连铸比为9 5 8 ，澳大利亚钢产量虽然仅为0 0 8 8 亿吨， 但连铸比却达到9 9 4 5 1 。2 0 0 0 年全球粗钢产量已经突破8 亿吨大关，全球钢铁 工业的连铸比已经达到8 5 以上1 6 j 。 国外连铸技术的发展大致可分为以下几个阶段1 7 “j ： 第一阶段( 1 8 4 0 1 9 3 0 年) ，连续浇铸金属液思想的启蒙阶段。其代表人物是美 国人塞勒斯( s e l l e r s ) 和贝塞麦( b e s s e m e r ) 。1 8 4 0 年塞勒斯获得了连续铸铅专利， 1 8 5 6 年贝塞麦采用水冷旋转双辊连铸机浇铸出了金属锡箔、铅板和玻璃板，并获 得专利。而最早( 1 8 8 7 年) 提出与现代连铸机相似的连铸设备建议的是德国人戴伦 ( r m d a e l e n ) ，在其开发的设备中己包括了上下敞开的结晶器、二次冷却段、引锭 杆和铸坯切割装置等。 第二阶段( 1 9 4 0 1 9 4 9 年) ，钢的连续铸造特征技术的开发阶段。其代表人物是 现代连铸之父德国人琼汗斯( s j u n g h a n s ) ，1 9 4 3 年琼汗斯在德国建成了第一台浇铸 钢液的试验连铸机。当时提出的振动水冷结晶器、浸入式水1 2 、结晶器保护剂等 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 模铸 黼田 l 脱锭 冒 均热初轧。 曼画旱。县 罚画。j 刨 o 涨 图13 钢液模铸与连铸工艺流程对比图 f i g 】3c o m p a r i s o nb e t w e e nc o n t i n u o u sc a s t i n ga n di n g o tc a s t i n g 1 3 国内外连铸技术的发展 131 国外连铸技术的发展概况 o 国外连铸技术近十年来自身完善和优化速度很快。1 9 9 8 年美国钢产量为09 3 亿吨，连铸比为9 5 3 ，日本钢产量为0 9 0 7 亿吨，连铸比为9 6 9 ，欧盟1 5 国钢产量为1 5 3 亿吨，连铸比为9 5 8 澳大利亚钢产量虽然仅为0 0 8 8 亿吨， 但连铸i - p , t l l 达到4 口j 。2 0 0 0 年全球粗钢产量已经突破8 亿吨大关全球钢铁 工业的连铸比已经达到8 5 以上j 。 国外连铸技术的发展大致可分为以下几个阶段1 8 】： 第一阶段( 1 8 4 0 1 9 3 0 年) ，连续浇铸金属液思想的启蒙阶段。其代表人物是美 国人塞勒斯( s e l l e r s ) 和贝塞麦( b e s s e m e r ) 。1 8 4 0 年塞勒斯获得了连续铸铅专利， 1 8 5 6 年贝塞麦采用水冷旋转双辊连铸机浇铸出了金属锡箔、铅板和玻璃板，并获 得专利。而最早( 1 8 8 7 年) 提出与现代连铸机相似的连铸设备建议的是德国人戴伦 ( rm d a e l e n ) ，在其开发的设备中己包括了上下敞丌的结晶器、二次冷却段、引锭 杆和铸坯切割装置等。 第_ 阶段( 1 9 4 0 1 9 4 9 年) ，钢的连续铸造特征技术的开发阶段。其代表人物是 现代连铸之父德国人琼汁斯( s j u n g h a n s ) ，1 9 4 3 年琼汗斯在德国建成了第一台浇铸 钢液的试验连铸机。当时提出的振动水冷结晶器、浸入式水口、结晶器保护剂等 钢液的试验连铸机。当时提出的振动水冷结晶器、浸入式水口、结晶器保护剂等 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 模铸 同 转炉。l _ _ j 乙 脱锭 冒 均热初轧。 画旱。画 画。一刨 0 丽 图l3 钢液模铸与连铸工艺流程对比图 f i g 1 3c o m p a r i s o nb e t w e e nc o n t i n u o u sc a s t i n ga n di n g o tc a s t i n g 1 3 国内外连铸技术的发展 1 3 1 国外连铸技术的发展概况 国外连铸技术近十年来自身完善和优化速度很快。1 9 9 8 年美国钢产量为0 9 3 亿吨，连铸比为9 5 3 ，p i 本钢产量为0 9 0 7 亿吨，连铸比为9 6 9 ，欧盟1 5 国钢产量为1 5 3 亿吨，连铸比为9 5 8 ，澳大利亚钢产量虽然仅为0 0 8 8 亿吨， 但连铸比却达到9 9 4 5 1 。2 0 0 0 年全球粗钢产量已经突破8 亿吨大关，全球钢铁 工业的连铸比已经达到8 5 以上1 6 j 。 国外连铸技术的发展大致可分为以下几个阶段1 7 “j ： 第一阶段( 1 8 4 0 1 9 3 0 年) ，连续浇铸金属液思想的启蒙阶段。其代表人物是美 国人塞勒斯( s e l l e r s ) 和贝塞麦( b e s s e m e r ) 。1 8 4 0 年塞勒斯获得了连续铸铅专利， 1 8 5 6 年贝塞麦采用水冷旋转双辊连铸机浇铸出了金属锡箔、铅板和玻璃板，并获 得专利。而最早( 1 8 8 7 年) 提出与现代连铸机相似的连铸设备建议的是德国人戴伦 ( r m d a e l e n ) ，在其开发的设备中己包括了上下敞开的结晶器、二次冷却段、引锭 杆和铸坯切割装置等。 第二阶段( 1 9 4 0 1 9 4 9 年) ，钢的连续铸造特征技术的开发阶段。其代表人物是 现代连铸之父德国人琼汗斯( s j u n g h a n s ) ，1 9 4 3 年琼汗斯在德国建成了第一台浇铸 钢液的试验连铸机。当时提出的振动水冷结晶器、浸入式水1 2 、结晶器保护剂等 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 观念为现代连铸机奠定了基础。结晶器振动己成为连铸机的标准操作。 第三阶段( 1 9 5 0 1 9 7 6 年) ，传统连铸技术发展的成熟阶段。连铸技术阻惊人的 速度向前发展，连铸机型经历了从直立型、直弯型、到弧型的转变，实现了工业 化应用目标，出现了5 0 0 0 多个有关连铸的不同专利。其中，代表性的技术详见表 1 1 。 表1 1 第三阶段代表性技术 t a b l e1 1 r e p r e s e n t a t i v et e c h n i q u e sa tt h et h i r ds t a g e 年份代表一陛技术 1 9 5 0 正 琼汉斯开发了铸坯电磁搅拌技术 1 9 5 2 盘 萨伯尔获得了弧型铸机专利 德国曼内斯曼( m a n n e s m a nd e m a g h u t t e n t e e h n i k 1 9 5 3 缸 m e t a l g e w i n n u n g a g ) 公司开发了结晶器电磁搅拌技术 1 9 5 4 年德国曼内斯曼公司开发了中间包塞棒控制技术 1 9 6 1 正康 斯特公司( c o n c a s ts t a n d a r d a c , ) 开发出立弯板坯连铸机 康卡斯特公司获得钢包回转台专利 1 9 6 2 住 法国东方优质钢公司( s a f e s t ed e sa c i e r sf i n sd ei e s t ) 和 德国曼内斯曼公司开始使用保护渣保护浇铸 英国巴洛光亮钢有限公司( b a t l o wb r i g h ts t e e l sl t d ) 研制成功 1 9 6 4 芷 了中间包塞棒白动控制系统 美国人奥尔森( 0 1 s o n ) 提出了渐进弯曲矫直技术 1 9 6 5 正 德国曼内斯曼公司采用浸入式水口浇注技术 1 9 6 6 年德国曼内斯曼公司采用了钢包注流保护技术和多辊驱动的矫直机 1 9 6 7 矩 德国曼内斯曼公司试验压缩浇铸方法 加拿大阿尔果马钢公司( t h ea l g o m as t e e lc o r p l t d ) 建立了工字 1 9 6 8 正 型坯连铸机 1 9 6 9 芷 德国曼内斯曼公司进行了1 2 0 。平角喷嘴( 水) 试验 1 9 7 4 丘德国曼内斯曼公司采用了气水雾化喷嘴 德国曼内斯曼公司开发成功支撑辊对中，弯曲及轴承阻力等多功能 1 9 7 6 正辊缝检测装置 日本j i 崎制钢开发成功结晶器在线无级调频技术 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第四阶段( 8 0 - 9 0 年代) ，传统连铸技术的优化发展阶段。八十年代连铸发展特 征是使连铸技术更趋完善，追求连铸机最大的利用率，铸坯稳定生产、高质量、 直接轧制及连铸过程自动化。开发活动集中于质量保证系统，因为这是提高经济 效益及连铸产品进行热装和直接轧制的前提条件。进入九十年代，为满足对质量 和生产率日益提高的要求，连铸界更加注重连铸机的效率及稳定生产。连铸比不 断上升，生产率、铸机作业率、铸坯质量、拉坯速度、连浇炉数都在不断增长， 浇铸品种扩大，生产成本不断降低。 1 3 2 国内连铸技术的发展概况 中国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一，本世纪5 0 年代中期就进 行连续铸钢方面的试验研究。1 9 5 6 年，重工业部的钢铁研究所曾在一台简单半连 续铸机上浇铸巾8 0 m m 园坯，1 9 5 7 年当时的上海钢铁公司中心试验室由吴大柯先 生主持设计并建成了一台立式铸机，浇铸小方坯。这是中国第一台工业性试验铸 机。1 9 5 8 年底，一台由徐宝升教授主持设计的生产性立式铸机在重钢三厂投产， 这是一台双流铸机，浇铸断面尺寸1 7 5 2 0 0 m m 2 【”，配合的炼钢设备是3 0 t 平炉。 进入6 0 年代，中国连铸技术开发与应用曾掀起一股高潮，突出表现在对弧形连铸 技术的开发上。1 9 6 0 年，徐宝升教授提出弧形连铸机的设计，并在北京钢铁学院 试验厂建设一台简单的试验装置。在此基础上，由徐宝升教授主持设计的一台大 型弧形板坯连铸机于1 9 6 4 年6 月2 4 日在重钢三厂投产。这是一台方、板坯兼用 机，曲率半径6 m ，浇铸板坯最大宽度是1 7 0 0 m m ，它也是世界上最早的生产用弧 形机之一【1 0 1 4 1 。 在6 0 年代后期到7 0 年代初期，我国连铸技术的开发都是立足于国内完成的， 发展速度缓慢。由于缺乏与国外的技术交流，不能及时有效地借鉴国外的先进技 术，我国连铸生产技术水平与国外的差距明显拉开。如我国的铸机装置、操作工 艺及相关技术与实际工业生产要求不相适应。尽管1 9 7 8 年，靠国内设计制造，建 设的铸机已近2 0 台，但实际产量只有1 1 2 万吨，连铸比仅为3 5 ，而当时世界上 连铸机数量已近4 0 0 台，1 9 7 8 年连铸坯产量已达到1 5 亿吨左右，连铸比约为 2 1 【1 4 】。 改革开放以来，国家对发展连铸技术一直予以高度重视，大力发展连铸生产 和建设成为我国钢铁技术发展中的重要政策。1 9 8 8 年1 2 月在全国连铸工作会议上， 冶金部提出“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的生产技术方针，加快 了我国连铸生产和建设的发展。1 9 9 4 年，冶金部又提出“以连铸为中心，以全连 铸为方向，炼钢一炉外精炼一连铸三位一体化结构”，以发展连铸为企业优化结 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 构的突破口，同时强调提出连铸高效化。8 0 年代是我国连铸技术迅速发展时期， 9 0 年代开始进入稳步发展阶段。目前，我国是世界连铸机大国，连铸机拥有量和 连铸坯的产量都居世界第一。1 9 9 9 年全国钢产量达1 2 4 万吨，居世界第一，连铸 比达7 8 2 8 ，连铸坯产量达9 7 0 0 万吨，也跃居世界第一。2 0 0 3 年，我国的钢产 量达到2 2 亿吨，连铸比达到9 5 。我国连铸坯产量及粗钢产量的增长如图1 4 所 示。 我国连铸生产虽然取得了很大成绩，但相当多企业和铸机存在不足，其铸机 产量、产品质量和经济效益等有较大差异。特别是与发达国家比较，还存在很大 差距。因此，进一步发展我国高效连铸技术显得尤为重要。“高效连铸技术是优 化当代连铸生产的重要发展方向，是迅速提高我国连铸生产水平的重要手段，是 持续、稳定、高速发展我国连铸生产的正确途径”。“十五”冶金科技发展指 南将高效、优质连铸工艺技术作为炼钢技术发展的主要战略目标” 17 1 。“十五” 期间，连铸生产结构优化的基本思路是继续提高连铸产量和连铸坯质量，积极推 进高效连铸技术。 1 瓣a1 田 1 9 寝根静麟1 霸51 霸6 鲫71 鞠1 9 狮叠0 雕哩锄 年份 图1 4 我国连铸坯产量及粗钢产量的增长图 f i g 1 4 t h e i n c r e a s eo f c cs t e e la n dr a ws t e e l i n p r c h i n a 高效连续技术的概念包括高速浇铸、高连浇率、高作业率、高铸坯质量和近 终形连铸在内的系统技术。近终形连铸是力求浇铸尽可能接近最终产品尺寸的铸 6 0 枷捌期知倘伽伽佃即田舶锄 一誉妖一棚扎墨璀 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 坯，以便进一步减少中间加工工序，节省能源、减少贮存和缩短生产时间。高速 浇铸是提高铸机生产率的重要手段，它已成为连铸技术发展中的重大课题之一。 高铸坯质量包括铸坯清洁性、表面质量和内部质量的保证等内容，以满足产品对 质量不断提高的要求，这是连铸技术向高水平发展的标志。 1 3 3 国内外的连铸技术与过程检测技术 13 31 连铸技术 连铸发展到现在，已经有很多比较成熟的生产、控制和监测方面的技术【7 1 。 ( 1 ) 钢液质量保证技术。主要措施包括：钢液成分的精确控制；连铸钢液组 合化、功能化精炼； ( 2 ) 中间包冶金相关技术。主要包括：中间包温度的监测与控制；中间包钢 液湍流的控制；中间包工作层的自动喷涂；中间包的反复使用；中间包水口自动 更换； ( 3 ) 强冷结晶器技术。主要包括：振动优化技术；二次冷却制度的优化与自 动控制技术；二次冷却段结构优化技术等； ( 4 ) 振动优化技术。主要措施包括：小振幅高频率振动；非正弦振动； ( 5 ) 二次冷却段结构优化技术。主要包括：板坯二冷段小辊密排装置的采用： 方坯拉矫结构优化；连续矫直、多点矫直措施的采用； ( 6 ) 相关技术措施包括：高拉速保护渣的采用；板坯电磁制动装置的采用； 结晶器液面检测与控制；结晶器漏钢预报；带液芯压下技术的采用；快速更换； 结晶器涂镀层措施；大包下渣检测。 上述技术的开发，使得当今连续铸钢技术趋于完善化，同时也构成当今连续 铸钢的基础，使连铸机生产过程趋于稳定，产品质量得到改善。 1 3 3 2 连铸过程的检测 在连铸自动化程度越来越高的今天，在连铸机的每个部件上都可以找到检测 仪表，这些仪表对连铸机的操作是至关重要的。 ( 1 ) 钢包 在连铸操作过程中，用钢包将钢水从炼钢车间运到连铸机，钢水具有所要求 的成分、温度、洁净度和渣层，为正确控制浇注，要求监测三个随时间变化的参 数：钢包中钢水重量，用压力传感器测量；流进钢包的钢水温度；从钢包带到中 间包的渣量。 ( 2 ) 中间包 重量用压力传感器，测温度有人工一次性消耗式热电偶及连续测温系统。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 结晶器 测温如热电偶测铜板温度，钢水液位的测量对于减少拉漏的发生率和实现过 程自动化及获得良好表面质量的产品是至关重要的，已投入使用的有：涡流探头、 电磁盒、放射源、结晶器铜板中的热电偶、光学装置，悬臂式磁通计、伸缩式磁 通计。 ( 4 ) 铸坯表面温度 建立二冷区的传热特征关键是精确测量铸坯表面温度。可用热电偶或光学高 温计来测量铸坯表面温度。 ( 5 ) 铸坯形状和鼓肚 形状传感器是专门设计的直接接触型装置，非接触式为激光鼓肚测量仪。 ( 6 ) 最终凝固点( 液芯处) 从质量和生产考虑，希望知道在不同浇注条件下的完全凝固点( 液芯长度) ， 应变计和电磁传感器已成功应用。 ( 7 ) 辊子的弯曲和温度 辊子弯曲可以用与辊子表面相接触的线性位移传感器进行测量。 ( 8 ) 行走路线和辊子的完整性 用便携式辊缝器具和样板来人工完成。浇注状态下铸坯行走路线的稳定性用 线性位移传感器判断。 ( 9 ) 浇注速度和铸坯跟踪 注速是一台连铸机上要测量和控制的最重要最基本的参数，通常用安装在辊 子驱动电机上的脉冲编码器来测量。 ( 1 0 ) 热坯质量 涡流检测装置、光学表面检测系统，超声波和电磁超声法检测内部缺陷。 1 4 中间包在连铸生产中的地位与作用 中间包是炼钢生产流程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接 点。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环。无论对于连铸操作 的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合需要，中间包的作用都是不可忽视的。 通常认为中间包起以下作用【l 8 j ： ( 1 ) 分流作用。对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流； ( 2 ) 连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的钢液在换钢包时起到衔接的作 用； ( 3 ) 减压作用。钢包内液面高度有5 6 m ，冲击力很大，在浇铸过程中变化 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 幅度也很大。中间包液面高度比钢包低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢 液浇铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷： ( 4 ) 保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其它保护装置，减少 中间包中的钢液受外界的污染。 随着连铸技术的发展，钢液质量对连铸工艺的重要意义渐渐为人们所知。为 了保证连铸顺行及多炉连浇，钢液必须有足够的纯净度，钢液成分范围要尽可能 精确控制，钢液温度和过热度要在较长的时间内保持稳定。因此钢包冶金的作用 和地位受到了更多地注意。然而在钢包冶金中提高了钢液纯净度以后，钢液被再 次污染的危险性也就更大。随着钢液和环境( 大气、耐火材料等) 间杂质浓度差 别( 或化学位差别) 的增大，重新污染的可能性和速率都将增大。在钢包精炼时， 钢液温度经过均匀化处理，而当钢液流过中间包时其温度又会再次改变为不稳定 状态。如此看来，钢液通过中间包的过程中，发生某些物理和化学的变化是不可 避免的，问题在于是否作为冶金手段加以利用。因此，中间包冶金业也就被提到 人们的议事日程。 “中间包冶金学”的概念是在2 0 世纪8 0 年代初期提出的，多伦多大学教授 a m c l e a n 是首创者1 9 。近2 0 年来，国内外关于中间包冶金的学术研究，开始只有 不多的几篇论文，后逐渐成为热门论题，且研究成果已转化成在生产中实际应用 的技术措施【2 0 】。如中间包结构设计、抑制二次氧化、耐火材料和覆盖渣控制、更 换钢包操作时温度和成分控制、吹氩清洗、过滤、加热钢液、热中间包重复应用 等。这说明冶金界已经接受了中间包冶金的概念，并且成为实际操作中的工程技 术。中间包冶金应该发挥的作用有： ( 1 ) 清除钢液再次污染的来源，即防止二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少 钢包渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害； ( 2 ) 改善钢液流动条件，最大可能去除钢中非金属夹杂物；亦即防止短路流， 减小死区，改进流线方向，增加钢液的停留时问； ( 3 ) 选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂，既减轻热损失又有利于吸收分 离和上浮的夹杂物； ( 4 ) 控制好钢液温度，必要时增加加热措施，使钢液过热度保持稳定。 中间包冶金有独特的理论特点和研究方法。作为一种连续操作的反应器，它 与转炉、电炉及钢包等间歇操作反应器的概念是不同的。在中间包冶金中，反应 工程学原理得到更多更深入的运用。但中间包并非单相的理想流动，而是钢和渣 两相的复杂的流动，而且有数量巨大的弥散相颗粒的碰撞和运动。中间包内钢液 的温度场既不是等温的也不是绝热的，而是在非等温条件下传热和流动相互促进 互为因果。所以对中间包冶金过程的研究，进一步丰富了冶金反应工程学的内容a 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 中间包内钢液温度的变化规律 1 5 1 中间包不同区域钢液温度的分布 中间包钢液温度分布直接关系到浇铸过程中的各水口流出的钢液温度，因而 研究中间包钢液温度控制就必须搞清包内钢液温度的分布情况。 李顶宜【2 l 】在小型中间包上安装热电偶，实际测量了中间包钢液温度分布，测 量结果表明： ( 1 ) 中间包中上部温度在浇铸过程中波动较小； ( 2 ) 底部存在低温区，高低温钢液的温差大约2 0o c ； ( 3 ) 顶部也存在低温层，这与钢液面散热过大有关。 然而沿中间包水平方向也有钢液的强烈循环流动，以及注入钢流的稳定性随 时间有所变化，此测量结果只反映了安装热电偶部位某一时刻钢液温度在垂直方 向上的变化。 对中问包传热过程分析可知：在靠近渣面处，由于钢液向覆盖渣传热，使渣一 钢界面的钢液侧存在一低温区；同时由于渣面的对外传热和包衬的热传导，导致 钢液产生自然对流，在中间包底部形成一低温区域；中间包内中上部钢液则构成 了高温区。 1 5 2 浇铸过程中中间包钢液随时间的变化 为了保证连铸工艺的顺利进行，对中间包内钢液温度制度最重要的要求就是 在连铸整个过程中中间包钢液过热度尽量少波动，钢液过热度的大范围波动带来 如下不利影响： ( 1 ) 钢液温降过大，开浇时造成水口凝钢，甚至使开浇失败； ( 2 ) 中间包钢液温度不稳定，加剧了结晶器坯壳生长的不均匀性，严重时会 导致拉漏； ( 3 ) 不利于拉速的稳定，难以实现高速连铸作业； ( 4 ) 不利于中间包钢液中夹杂物的上浮分离； ( 5 ) 使结晶器保护渣壳厚度不足，损害铸坯表面质量。 我们要研究中间包连续测温，就要了解在各个时期中间包温度的变化。图1 5 为7 t 中问包内钢液温度变化的实测结果1 2 甜，如图所示，钢液温度变化可分为以下 几个阶段： 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 pl 臀 蜊 削 姆 j 肇一 e 脚一i 厘 岳一i 浇酶时间，r a i n 图1 5 中间包内钢液温度在各浇铸期的变化 f i g1 5 t h ev a r i a t i o no f m o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r ei nt u n d i s hd u r i n gt h ec a s t i n g a 开浇期。由于中间包包衬吸热，钢液温度下降l o 1 5 ； b 正常浇铸期。经过1 0 1 5 m i n 后，因中间包散热大体与注入钢液补充的热 相等，钢液稳定在目标温度值； c 连浇换钢包期间。中间包液面下降，钢液温度降低5 10 ； d 正常浇铸期。同b ； e 浇铸结束期。浇铸中间包剩余的钢液，钢液温度降低1 0 1 5 。但是有5 1 0 的过热度，因而钢液可顺利浇完。 1 6 中间包内的测温方法比较 用快速微型热电偶探头测量中间包钢水温度需要人工每5 1 0 m i n 往中间包内 插入一支热电偶，因此采用该方法存在如下不足 2 3 2 5 1 ： ( 1 ) 劳动强度大，工作环境恶劣，操作人员容易因钢水飞溅而受伤； ( 2 ) 快速偶头的制作质量和插入深浅不同会使测量结果波动较大，影响测温 的准确性和稳定性； ( 3 ) 无法给出温度连续变化的数据。为了更接近地测量温度连续变化的过程， 只能频繁地利用快速热电偶进行多次测量，这样不但测温费用高，劳动强度大， 即便是多次测量也不能真正达到“连续变化”。 从英国的h e r a e u se l e c t r o - n i t e 公司和我国首钢、鞍钢、沈阳钢厂所作试验可 以看出，只要连续测温和定点测温的位置及插入深度相同，两者之间所得温差很 小( 一般连续测温要比定点测温高2 3 ) ，比较结果如图1 6 所示【”】。连续测温 比定点测温更能反映中间包的真实状态，如图1 7 所示怛”。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 s 0 4 0 鼋 瓣 嚣2 0 o d 一1 0 86 4202468 1 0 连续测温一定点测温。c 图1 6 连续测温与定点测温的比较 f i g1 6 t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nc o n t i n u o u sm e a s u r i n ga n dp o i n tm e a s u r i n gf o rt e m p e r a t u r e 时间一 图1 7 中间包钢水温度曲线 f i g1 7 t h ev a r i a t i o no f t e m p e r a t u r ei nt u n d i s h 由于在连铸过程中拉坯速度和喷雾冷却水量与钢水的过热度有关，因此连续 测量中间包温度可以提高连铸坯的质量和产量。与定点测温相比，连续测温具有 如下优点 2 3 也7 1 ： ( 1 ) 可连续提供浇注过程中钢水温度信号，有助于稳定操作，获得最佳的操 作条件； ( 2 ) 节省劳力，改善工人操作环境，保证检测人员的安全，有助于实现自动 化； ( 3 ) 能及时采取措施避免操作失误，减少拉漏，提高生产率和成材率。 随着中间包温度的降低可以提高拉坯速度而提高生产率。同时由于连续测温 能更真实地测出中间包的实时温度，从而减少开浇时的凝固损失，减少回炉钢及 拉漏发生率i 】2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 可应用最佳的控制方法获得较好的产品质量。 由于采用了中间包的连续测温技术，使得用等离子或感应加热中间包的恒温 浇铸工艺得到了推广。当钢水温度接近过热极限时即可自动调节热功率，从而获 得较好的产品质量。 综上所述，连续测温系统对于提高钢坯质量和产量、提高成材率、大幅度提 高连铸比、减轻工人劳动强度、提高钢水温度测量的自动化管理水平具有重大意 义。由于采用连续测温代替快速热电偶定点测温减少了拉漏及钢水重返率等所造 成的损失，因此其经济效益是相当可观的。以鞍钢第三炼钢厂为例，每年可创效 益约1 0 0 0 万元1 2 ”。我国若能创造条件尽早采用连续测温技术，则必将产生巨大的 经济效益，故其应用前景相当广阔。 1 7 本文的研究背景及内容 随着连铸技术的迅速发展，快速、准确、连续地测定中间包内钢水的温度变 化日益重要。中间包是储存、分配钢液的最后一个耐火材料容器，中间包流出的 钢液温度就是钢的浇铸温度。作为冶炼与连铸的中间环节，中间包在钢的生产过 程中起着承上启下的作用。中间包调整钢液温度的作用，越来越被人们重视。中 间包中钢液温度过低，则造成连铸后期钢液流动性差，钢中夹杂物增多，甚至产 生水口堵塞等事故；而钢液温度过高，一方面必然迫使出钢温度提高，使钢质量 变差及耐火材料损耗严重，另一方面限制了连铸机拉速的提高，增加了拉漏危险 等。因此中间包中钢液温度是连铸操作制度的核心，是