连铸中间包通道式感应加热技术

1、毛斌陶金明蒋桃仙(中冶连铸北京冶金技术研究院 ,北京 100081 )摘 要 连铸实践表明 ,低过热度的恒温浇注对获得良好的铸坯质量和稳定操作是非常重要的 。但是在连铸 过程中 ,中间包存在各种热损失 ,需要外部热源加以补偿 ,其中之一是中间包通道式感应加热技术 。综述了中 间包通道式感应加热技术的设备构成 、加热原理 、流动特征 、夹杂物去除机理及使用效果等 。关键词 中间包 ,通道式 ,感应加热中图分类号 tf777 文献标识码 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 前言近年来 ,连铸技术发展的实践表明 ,低过热度的 恒温浇注对改善铸坯质量和稳定操作起着重要的作用 。而控制中间包的钢水温度或过热度是提高生产率 、改进凝固组织 、提高产品质量的最有效的方法之 一 。然而在整个连铸过程中 ,中间包不同程度地存在热损失 ,特别是浇注初期 、钢包交换和浇注末期等 不正常浇注期 ,不可避免地引起较大的温降 。因此 ,寻求外部热源补偿中间包

5、钢水的温降 、精确地控制 最佳过热度 ,使进入结晶器的钢水温度稳定 ,越来越 引起人们的重视 。近年来 ,中间包冶金技术的发展 也需要用外部热源作为补偿中间包钢水温降的手段 。因此 ,近几十年来已开发出多种形式的中间包加热技术 ,其中主要有等离子体加热技术和通道式 感应加热技术 。国内曾自行研发过等离子体加热技术 ,也引进 了等离子体加热技术 ,但使用效果都不尽人意 。其 主要原因一是起弧困难 ;二是由于中间包钢水液面控制不稳 ,等离子体弧难于维持 ,导致熄弧 ; 三是使用时噪声大 ,使人难以承受 ;四是等离子体产生的电 磁辐射对弱电系统有比较大的干扰 ; 五是加热效率较低 。因此采用中间包感

6、应加热技术可能是上策 。通道式感应加热技术用于熔化金属和合金特别 是有色金属已有几十年的历史 ,但用于连铸中间包钢水加热则是近二十多年的事 。工业试验和在线应用表明 ,它能有效地补偿中间包钢水的温降并使其 温度均匀 ,同时能有效地提高中间包内钢水清洁度 , 减少非金属夹杂物 。具有加热均匀 、效率高 、设备简单 、投资省 、运行安全可靠 、操作维护方便并具有冶 金效果好等优点 ,很适合现有中间包的技术改造 。2 设备构成图 1为典型的新日铁中间包双通道感应加热装 置全景示意图 。通道式感应加热装置都由耐火材料制成的隔墙 将中间包分隔成注入室和分配室 。在耐火材料的隔 墙内部上下贯通地安装感应加

7、热器 ,在感应加热器的周边靠近中间包底部设置连接两个室的通道 。根据通道设置不同 ,可以分为包外单通道式 、包内双通道式和三通道式 (见图 2 ) 。其设备构成大致是 :图 3 中间包通道式感应加热原理就电路而言 ,它类似一台单相交流变压线圈相当于变压器的一次回路 ,通道中流动相当于二次回路 ,视为一匝 。由变压器的作可知 ,当一次回路中的线圈馈给单相工频交后 ,交变的电流就在铁芯的闭合磁路中建立,交变的磁通 就在由铁芯匝链的通道中中感应起电势 。图 2 中间包通道式感应加热装置示意图e = dd t1 ) 感应加热器 : 感应加热器用于激发磁通 ,类似于带一次线圈的单相变压器 ,由闭合磁路的

8、铁芯 和多匝线圈组成 。铁芯由可移动的 形铁芯和固定 轭铁组成 ,前者可根据需要移出中间包 ,后者是一条 条形轭铁 ,固定在中间包上 。感应加热器安装在上下贯通的非磁不锈钢内套内 ,它既作为耐火材料的 支承也作为冷却用空气的通道 ,也便于使感应加热 器精确定位 。2 ) 通道 :由耐火材料制成 ,埋设在靠近中间包 底部的隔墙内 ,作为钢水加热和流动的通道 。3 ) 单相交流电源 : 电源的组成是多种多样 ,主要由多级三相变压器 、三相变单相的转换器 、功率因 数补偿电容及断路器等组成 。为加热装置提供稳定 的单相工频交流电源 。4 ) 控制系统 :包括功率调节 、温度检测 、显示和 记录等功能

9、 ,用于加热装置的调控和显示 。5 ) 冷却系统 :一般采用风冷式 ,一是使用安全 ,二是可以提高热效率 。需要指出的是 ,由于非磁不锈钢保护套和中间 包壳体都被感应加热器铁芯所匝链 ,为防止在其中 感生的感应电流形成回路 ,两者都需要开一个由绝缘材料隔离的隙缝 。3 工作原理和技术特点3. 1 工作原理其中 t为时间 。由于钢水的导电性 , 该势在钢水中产生感应电流j =e其中 为钢水电导率 。感应电流在钢成回路 ,其方向与一次回路中的电流的方向此在钢水中产生焦耳热2 j 用来加热钢水 。简言之 ,供给一次回路中的过电磁感应传输给二次回路的钢水中 ,这就式感应加热的基本原理 。由于感应电流在

10、组成回路 ,其产生的焦耳热直接加于钢水内道式感应加热装置有较高的热效率 。由此钢包注入中间包注入室的钢水经通道时被应电流产生的焦耳热加热 (实际上通道两侧室和分配室同样有感应电流流动 ,也产生焦加热了的钢水从通道流入分配室 ,并与其中钢水混合 ,因此中间包分配室中的钢水能在内升温 ,并借助流动而使温度均匀化 。3. 2 技术特点1 ) 加热效率高由于通道式感应加热电磁感应原理 ,直接向钢水内加热 ,其损失热效率一般可高达 90 %以上 。2 ) 加热的响应性和控制性好因为通水量 、时间间隔 、浇注条件等因素很容易借助电气控制 ,再配以连续测温技术可防止中间包内钢水温度 的波动 。3 ) 钢水无

11、污染 因为借助流经通道中的感应 电流的焦耳热来加热钢水 ,无需气氛控制 。4 ) 通道埋设在中间包底部附近 ,由于热对流和 电磁力的箍缩效应 ,形成有利于夹杂物上浮的上升 流 ,使钢水中夹杂物减少 ,提高钢水的清洁度 ,这是感应加热方式的优点之一 。5 ) 作业环境良好 由于配置加热装置 ,不会对 操作空间造成大幅度的制约 ; 又因感应线圈可以采 用风冷 ,完全避免了冷却水与钢水的接触 ,故安全性 高 。6 ) 安装维护方便 尽管感应器铁芯上下贯通 安装在中间包上 ,但因其分上下两部分 ,感应器与中 间包很容易装卸 ,操作方便 。不足之处是设备上有一定程度的制约 ,因为需要在中间包上安装感应加

12、热器 、通道和风冷管道等 ,需要占用中间包及其小车的一定空间 ; 此外中间包 容量也会有所减小 ; 特别是中间包与钢包回转台之间的距离较短 ,这些都严重制约了现有中间包采用通道式感应加热技术 。4 加热特性和电气特性4. 1 输入中间包的热量估计在配置中间包感应加热器时 ,必须处理好输入 的加热功率 、最大加热功率和最佳加热功率这三者的关系 :1 ) 输入加热功率 : 这取决于中间包的容量 、浇 注量 、加热时间和温控精度等因素 。2 ) 最大加热功率 : 从中间 包钢 水 的热 平衡 分 析 ,最大温降出现在浇注初期 ,因此 ,感应加热器的最大功率应能补偿浇注初期的最大温降 。3 ) 最佳加

13、热功率 : 从结构观点看 ,为了使感应 加热器的体积和操作简化 ,必须确定最佳加热功率 。通常按一钢包的钢水在中间包内温度变化来计算温度补偿所必须的加热容量 。假定中间包内钢水 温度是均匀的 ,并且从钢包到中间包和从中间包到结晶器的浇注量是相等的 ,则中间包内钢水的热平 衡由公式 ( 1 )表示 :tl 钢包内钢水温度 / ;t 中间包内钢水温度 / ;h 中间包内的热损失 /j /m in;p 向中间包内钢水加入的热量 /j /m in;t 从中间包开浇起始的浇注时间 /m in。 由公式 ( 1 ) 可见 , 其左边是中间包内钢水单位 时间所吸收的热量 ; 右边的第一项是钢包单位时间加入中

14、间包的热量 ,第二项是中间包钢水的热损失 ,主要是内衬耐火材料的导热和钢液面的辐射热 。从 中间包内钢水温度变化过程看 ,浇注初期 ,中间包内衬耐火材料蓄热小 ,而耐火材料的热损失大 ,其后温度回升 ,随后受到钢包内钢水温度降低的影响又慢 慢降低 。一般来说 ,浇注时间越长 ,与目标温度的偏离也越大 ,因此 ,必须增加加热能力 。假定将中间包内钢水温度控制在目标温度 tc ,则公式 ( 1 )的左边有 dt = 0 ,因此有d tp = - cp q ( tl - tc ) + h( 2 )将 ( 2 )式两边除以cp q ,得到 p h= - ( t - t+= tc )lcp qcp q其

15、中 t为相对目标温度的温度差 。因此有 :p = cp q t( 3 )由此可见 ,加入的热量 p 由浇注量和必要的温升决定 。而 t 是计算及流入和流出中间包的钢水 温度差及中间包全部热损失的实际的必要温升 。4. 2 电气特性在实际配置中间包感应加热器时 ,不仅需要作 热平衡的分析 ,而且也需要作感应加热器的电气特性的分析 。中间包感应加热器的电气特性受到电源 频率 、通道长度等的影响 。一般说来 ,在电流一定的 情况下 ,电源频率越高 ,电压也越高 ,功率平缓增加 ,而功率因数则明显降低 ; 通道越长 ,电压也越高 ,功率则明显增加 , 而功率因数缓慢增高 , 效率基本不 变 ;在一定电

16、压下 ,输入功率与通道长并不是单调递 增的 ,而是有个最大值 ,实际使用的通道长度应选在 使输入功率达到最大值的附近 ,大约 1m 左右 。实际装置的设计 ,应考虑上述的电气特性 ,既要向钢水输入必要的功率 ,又要考虑中间包的安装空 间的制约 ,以此决定最合适的感应加热器的形状 。5 流动特性和夹杂物去除机理5. 1 箍缩效应在通道内钢水中流动的感应电流 ,伴生指向通dtcp w d t = cp q ( tl - t ) - h + p式中cp 钢水等压比热 /j / kg·w 中间包内钢水重量 / kg;q 浇注量 / kg /m in;道中心的电磁力 , 该电磁力箍缩钢水 ,

17、使其截面收缩 ,称为箍缩效应 ( p inch effec t)见图 4。许多作者运用三维数值模拟方法 ,计算件下的流场 (见图 5) ,并且运用模拟实验和 等手段作了验证 。结果证明 ,由热对流引起动是主要的 ,而由电磁力引起的流动则是次 上述流场可以看出 ,加热后的钢水由于密度利于夹杂物上浮的上升流 。而实测表明 ,由效应 ,钢水从通道中流出时形成射流 ,在浇的附近形成均匀混合的区域 。因此 ,在中间附近埋设通道是感应加热方式的优点之一图 4 箍缩效应箍缩效应有利也有弊 。有利的是在通道中被加热的钢水借箍缩效应向通道外压出 ,与中间包内的 钢水激烈混合 ,很快能使温度均匀 ;钢水流动的结果

18、减小中间包内钢水流动的滞止区 ,使钢水能比较彻 底地混合 。不利的是 ,如箍缩效应过强 ,导致通道内钢水截面缩小 ,使通道耐火材料受到损伤 ,也可使通 道内电流产生脉动 ,影响运行的稳定性 。为了防止由于箍缩效应引起的这种电不稳定 性 ,可以从理论上求得电稳定的条件 。由通道中感 应电流产生的磁压6 使用效果通道式感应加热技术在一些公司尤其20 i2川崎 、新日铁 、大同特钢 、住友等公司进行了( 4 )pd 8a的研究和应用 ,取得了较好的效果 。现将日式中 0 真空磁导率 /h /m;i2 通道中的感应电流 /a ,它是与通道半 径和渗透厚度有关的复杂函数 ;a 通道截面积 /m2 。 另

19、一方面 ,钢水静压力 :钢厂的使用效果简述如下 。6. 1 川崎公司川崎公司千叶制铁所在 1 号连铸机上 机试验和应用 。( 1 ) 主要参数1 ) 钢种 : su s304、su s430;2 ) 中间包容量 : 8 t;3 ) 加热通道型式 :包外单通道 ;4 ) 加热功率 : m ax 1000 kw , 50h z,多级( 2 ) 主要效果1 ) 中间包内温降由未加热时 10 20加热时的 05 ;2 ) 温控精度为目标温度的 ±2. 5 ;pst = p0 +gh式中p0 大气压 / pa;钢水密度 / kg /m3 ;g 重力加速度 /m / s2 ;h 通道顶部至钢液面

20、的深度 /m。 由此导出电稳定的条件是 :pst pd( 5 )( 6 )由条件 ( 6 ) 可知 , 加热功率要随中间包钢水静压大小而调整 ,特别是浇注初期和末期尤为重要 。5. 2 流动模拟中间包内钢水的流动是支配夹杂物上浮分离 、温 度均匀性和控制性的重要因素 。实验表明 ,由于感应加热引起的钢水激烈流动 ,起因于通道内被加热钢3) su s304板坯皮下 ( 020mm )的大型与不加热时比较减少 1 /41 /12;4 ) 非正常浇注期的板卷表面质量可以热提高到正常浇注期的水平 。6. 2 大同特钢公司( 1 ) 主要参数1 ) 钢种 :汽车用低合金钢 、轴承钢和不锈钢 ;2 ) 中

21、间包容量 : 20 t3 ) 加热通道型式 :包外单通道 ;4 )加热功率 : 1000 kw。( 2 ) 主要效果1 ) 升温速度 : 在拉速 0. 6m /m in 下 , 输入加热 功率 950 kw ,在 10m in内升温 17 ;2 ) 温控精度为目标温度的 ±3 。6. 3 住友公司住友公司在和歌山制铁所的第一制钢厂 2号大 方坯连铸机上使用感应加热装置 。( 1 ) 主要参数1 ) 钢种 :高碳钢 、轴承钢 、渗碳钢 ;2 ) 中间包容量 : 13 t;3 ) 加热通道型式 :包内双通道 ;4 ) 加热功率 : 1000 kw , 50h z。( 2 ) 主要效果1

22、) 温控精度 : 15 16 ±2 ;2 ) 在低于 10 的低过热度和 m em s下 , 对于< 0. 1 % c的大方坯无中心缩孔和中心偏析 ;3 ) 在低于 20 的低过热度和 m em s下 , 对于> 0. 45 % c的大方坯无中心缩孔和中心偏析 ;4 ) 由于低过热度 ,不仅能获得大的等轴晶区 ,而且晶粒细化 。6. 4 新日铁公司新日铁八幡厂在大方坯连铸机上进行了提高中 间包钢水清洁度等的试验和应用 。( 1 ) 主要参数1 ) 钢种 :铝沸腾钢 ;2 ) 中间包容量 : 30 t;3 ) 加热通道型式 :包内双通道 ;4 ) 加强功率 : 1000 kw。( 2 ) 主要效果1 ) 升温速度 : 2 /m in;2 ) 加热前后中间包内钢水清洁度的比较见图图 6 中间包内钢水清洁度图 7 薄板材表面缺陷的改进6。由图 6可见 ,中间包内钢水清洁度大幅度提高 。3 ) 加热前后薄板材表面缺陷的比较见图 7 ,由 图 7可见 ,加热后薄板材的表面缺陷