中间包等离子加热技术的发展.doc

攀 钢 技 术 5中间包等离子加热技术的发展潘 红，曾建华，吴国荣，陈 永，李志强（攀钢集团研究院有限公司）摘要：低过热度的恒温浇铸对改善铸坯质量和稳定操作起着重要的作用,中间包等离子加热技术能够及时补充中间包钢水的温降、精确地控制最佳过热度。阐述了中间包等离子加热技术的原理、国内外发展概况以及应用效果，分析了攀钢相关现状，在此基础上，提出增设中间包等离子加热装置的建议，以达到提高铸坯质量、降本增效的目的。关键词：中间包；等离子加热；铸坯质量0引言在连铸过程中，随着浇注时间的延长，中间包内钢水的温度不断降低，而分流也会引起各流之间的温差。中间包钢水温度过低会使边流絮流以及中间包钢水冻结，因此需要提高中间包的钢水温度。通常是通过提高转炉钢水温度，或经过LF精炼提高钢水温度来保证较高的钢水过热度来解决中间包温度过低的问题，但是高过热度降低了浇注速度，降低了铸坯等轴晶率，影响铸坯质量。因此，不提高钢水的过热度，在中间包采取外部加热的方法及时补偿中间包散热损失引起的中间包钢水温度下降，从而保持低过热度的恒温浇注将是一个理想的方法。工作气体等离子体火焰辅助阳极阳极工作气体钨阴极对中间包钢水进行外部加热的方法很多，例如化学法加热、电弧加热、感应加热等，然而采用化学方法加热易造成钢水污染；采用电弧加热其电弧电极系统现场布置困难；另外石墨电极对钢水有增碳效应；采用感应加热法反应较慢，而且加热温度场不易与中间包铸流结合。中间包等离子加热技术克服了以上加热方法的缺点，是一种高效率、节能耗、清洁的中间包加热方法，能够实现恒温、低过热度浇注，从而提高铸坯质量。(a)非转移弧(b)转移弧钢水(阳极)1中间包等离子加热技术1.1等离子加热技术的原理中间包等离子加热是利用电能转化为热能的过程，等离子枪通过电极放电使气体（N2，Ar，或其混合气体）处于电离状态，产生高能量的电弧，内芯温度可高达10 000 K，通过电子辐射和离子化气体运动的结合而产生的对流，将热量传入中间包钢水，来提高中间包钢水的温度。中间包等离子加热技术是一种高效率、节能耗、清洁的中间包加热方法，利用各种方法使气体电离即产生等离子体。等离子体产生方法可分为等离子体电弧，等离子体电子束和高频藕合等离子体，获得广泛应用的是等离子电弧1。等离子电弧根据等离子发生器内电极的不同可分为非转移弧和转移弧，非转移弧等离子体发生器内装有正负两个电极，极间通入工作气体被电离后产生等离子体从喷嘴喷出；转移弧等离子体发生器以被加热物料作为电极一极，在发生器内有一辅助电极起弧后再把弧转至主电极之间。两种等离子发生器工作原理如图1所示。图1 等离子发生器原理示意等离子体工作气体可以采用N2、Ar、N2+Ar、CO等气体。一般常用的是N2、Ar或其混合气体。1.2等离子加热技术国内外发展概况等离子加热技术早在20世纪50年代就开始发展，应用于连铸中间包加热始于80年代，1984年，德国Demag公司第一台等离子加热装置在意大利德尔塔科涅公司厂投入运行，应用于三流方坯连铸机，功率为250 kW，进而西方国家各大钢铁公司纷纷采用这一技术。国内外等离子装置应用情况如表1所示2-4。表1 等离子加热装置使用情况使用厂家等离子枪类型加热功率/MW中间包容量/t铸机类型意大利AostaDMAG交流阴极枪1.89方坯美国查帕拉尔PEC直流阳极枪2.015方坯日本神户KokuraPEC直流阳极枪1.214方坯日本神户加古川TRD交流阴极枪4.380板坯新日铁名古屋厂PEC直流阳极枪22.040二流板坯日本钢管京滨厂TRD交流阴极枪41.14050板坯美沃克诺福克厂PEC直流阳极枪1.015小方坯德国萨尔钢公司PEC直流阳极枪1.2521小方坯新日铁广钿厂TRD直流1.014板坯唐钢炼钢厂TRD交流阴极枪1.010方坯武钢二炼钢厂PEC直流阳极枪1.010板坯马钢三炼钢厂中科大类TRD枪1.012板坯济钢板厂清华类PEC枪0.58板坯台湾中钢PEC直流阳极枪1.035方坯攀 钢 技 术 7衡阳钢管厂于20世纪80年代引进了英国TRD公司0.8 MW等离子加热装置用于加热钢包钢水，随后唐钢引进英国TRD公司1.0 MW等离子加热装置用于连铸中间包加热，其中电源装置由鞍山热能院制造。1995年武钢引进了美国PEC公司1.0 MW等离子体发生器应用于连铸中间包加热，现已投入使用。同时，国内也开展了等离子体发生器的研制工作。中国科技大学与马钢联合研制了类TRD型1.0 MW等离子体发生器，用于马钢连铸中间包加热。北京科技大学、清华大学与济南钢铁总厂合作研制了类PEC结构的500 kW等离子体发生器，用于济钢板坯连铸中间包加热。等离子加热系统的工业生产实践表明，等离子加热效率为60%70%，来自加热室耐火材料墙的间接辐射热占其中的50%以上5。2等离子加热技术的应用及其效果根据国内外等离子加热技术的应用情况，其应用效果和特点可归纳为以下四个方面。2.1实现恒温浇注，提高铸坯质量在连铸过程中，若中间包内钢水温度过高，铸坯内柱状晶发达，化学成分偏析严重，甚至产生中间裂纹；若中间包内钢水温度过低，钢水流动性变差，导致钢水堵塞浸入式水口。而采用等离子加热技术可减少中间包内钢水的温度波动，精确控制中间包钢水温度，基本实现恒温浇注，从而提高铸坯质量。纽柯钢铁公司诺福克厂和纽柯公司内布拉斯加州钢厂采用中间包等离子加热技术后，中间包温度控制更精确了，均从原来的目标温度的11 减至5.6 ，温度波动小，使铸坯质量更均匀6。美国纽克公司于1992年安装了PEC公司的中间包等离子加热装置，中间包浇注温度控制可以从11 改善到5 3；日本平冈照祥等人开发的直流转移弧形中间包等离子加热装置应用后，中间包钢水温度波动可控制在2 7；武钢二炼钢厂采用引进美国PEC公司的中间包等离子加热系统，试验结果表明，可使中间包前期升温速率达到24 /min，全过程温度可控制在5 以内7；唐钢和鞍山热能研究院、英国TRD公司合作研制开发了等离子加热系统，并应用于唐钢二炼钢厂连铸车间4号连铸机5；兴澄特钢在引进中间包等离子加热技术的基础上对其进行了改进，用于圆坯连铸，中间包钢水温控精度为目标温度的（12），取得了非常好的效果。2.2降低出钢温度，提高拉速，缩短冶炼时间，降低消耗为保证一炉钢能够顺利浇完，一般情况下开浇时钢水的温度应在该钢种液相线以上2030 ，甚至更高，由此造成的合金、耐材、冶炼能耗是巨大的。采用等离子加热技术可使每炉开浇温度不必太高，可在接近液相线温度下进行浇注，有助于提高拉速，并且上一道工序的能耗、合金和耐材消耗可降低7。纽柯钢铁公司诺福克厂应用了等离子加热技术后，中间包过热度平均下降11 ，这使得钢包炉的供电时间平均减少4 min，浇注速度平均提高10%15%，从而使每炉次浇注时间缩短4 min；纽柯公司内布拉斯加州钢厂采用中间包等离子加热技术后，过热度的降低使浇注速度平均提高了10%15%，平均浇注时间减少了4 min6；美国纽克公司采用中间包等离子加热技术后，浇注速度提高15%1。另外，平均浇注温度下降后，铸坯等轴晶比例增大，减少中心偏析，从而提高铸坯质量。2.3避免中间包内钢水冻结如果中间包钢水温度过低，并且在浇注过程中不断降低，则易于发生冻结，需对钢水进行回炉处理，采用等离子加热技术可对中间包钢水进行加热，避免钢水回炉，从而避免因此造成的损失。纽柯钢铁公司诺福克厂应用了等离子加热技术后，避免了因钢水过冷回炉，以前钢水过冷回炉率为3%（重量），大约每月2次，因此造成的损失为4万美元/h，使用等离子加热系统后基本避免了此类损失，仅此一项足以偿还购买加热装置的费用；美国纽克公司使用第一年用等离子加热挽救了20炉冷钢，单此项即可支付等离子系统的费用，而且耐火材料消耗没有明显的增加1。3中间包等离子加热技术的不足中间包等离子加热技术凭借其优点在工业应用中具有很大的优势，然而，中间包等离子加热技术也有不足之处，主要表现在以下几个方面：1）加热效率较低目前国内外厂家大多使用加热功率为1MW以上的等离子加热装置，由于等离子枪在钢液液面以上一定的距离，中间又有覆盖剂，因此加热系统的加热效率不高，为60%70%。2）对钢水的污染在应用等离子加热技术对中间包钢水进行加热时，如果工作气体选用氩气，则不存在钢液增氮的问题，如果选用氩气与氮气的混合气体时，增氮效应也不太显著，但如果选用氮气时，由于气体的离解和电离作用，钢水将出现增氮问题，目前此问题仍无法解决。3）对环境的影响中间包等离子加热系统运行时会带来很大的噪音和电磁辐射，对环境带来不利影响。4）对耐火材料要求较高因等离子弧柱温度高达3 000 ，加热室内衬的耐火材料的耐高温要求较高，否则易于剥落成夹杂物。由于这些问题的存在，严重制约了中间包等离子加热技术的应用，不少厂家应用中间包等离子装置后也未达到预期效果。4攀钢现状及建议目前攀钢有五台连铸机，其中两台板坯连铸机，两台方坯连铸机，一台方圆坯连铸机，均未应用中间包等离子加热系统。一般来讲，板坯连铸过程中，中间包钢水温降为510 ，而方坯连铸过程中，中间包钢水温降为1020 。此外，在连铸过程中，某一个包次都存在钢水温度波动的情况，有些钢种中间包温度的波动很大，导致拉速不稳定，影响了生产及铸坯质量，图23分别给出了攀钢生产YQ450NQR1和38CrMoAl的连铸中间包钢水温度的波动情况。从图23可以看出在浇铸过程中，不同钢种中间包钢水温度有不同程度的波动，最大温度波动高达50 ，给铸坯质量带来了不利影响。温度/15801570156015501540153015201510 炉号图2 YQ450NQR1中包温度变化温度/炉号图3 38CrMoAl中包温度变化开始浇注时钢水的过热度根据钢种的不同一般为1540 ，攀钢通常在LF精炼过程中加热至目标温度。在生产过程中，有时出现节奏紧张的情况，为保证不断浇，LF精炼出站钢水温度可能低于目标温度，致使浇注温度偏低；或者LF精炼过程加热时间过长，钢水出站温度过高，导致浇注温度偏高，这些都给铸坯质量带来不利影响。纵观国内外知名钢厂使用等离子方法加热中间包钢水的运用情况和应用效果，结合攀钢的实际情况，建议增设等离子加热系统。首先在生产大断面的2#方坯进行中间包等离子加热系统的试安装与试运行，尤其是先对内部质量要求严格的车轴钢、氧气瓶钢和38CrMoAl等钢种进行对比试验。通过中间包等离子加热技术的试运用，预期会达到以下效果：1）实现恒温、低过热度浇注使用中间包等离子加热技术后，可使中间包温度精度控制在目标温度的5 ，真正实现低过热度浇注，从而减少车轴钢、氧气瓶钢和38CrMoAl等钢种中心疏松、中心缩孔、中心偏析、内部裂纹等内部缺陷，进而提高铸坯质量；对重轨而言，可提高铸坯等轴晶率，进一步提高攀钢重轨质量。2）实现恒速浇注如果过热度太高，则必须降低拉速，防止漏钢；如果过热度过低，则需提高拉速。因此在实现恒温浇注的前提下可以实现恒速浇注，恒速浇注有利于提高铸坯质量，有效控制生产节奏，并且能与轻压下等设备相匹配，使其更好地发挥作用。3）减少LF加热时间实现低过热度浇注，则钢水不必加热到很高的温度，可减少LF加热时间，降低能耗、耐材及合金等消耗。此外，新建的3#方圆坯与2#方坯将共用一套LF和RH系统，采用中间包等离子加热技术后，可以减少甚至不经过LF加热，缓解紧张的生产节奏，提高生产效率。4）降低出钢温度采用中间包等离子加热技术后，提高了中间包温度保障，可适当降低出钢温度，减少深吹，从而提高出钢钢水质量。总之，采用中间包等离子加热技术可实现准确控制中间包钢水温度的目的，从而可在接近液相线温度下进行浇注，降低能耗、耐材及合金等消耗，并显著提高铸坯质量。此外，结合中间包等离子加热技术的不足及攀钢现有的装备情况，在技术引进的基础上需对等离子加热装置进行优化，并对中间包覆盖剂等进行改进，以提高加热系统的加热效率；对氮要求较高的钢种，在采用等离子加热技术时应慎用氮气作为工作气体，减少钢水增氮；由于等离子弧柱温度高达3 000 ，对耐火材料要求很高，为避免其剥落成夹杂物，影