中间包通道式感应加热技术的发展与应用

中间包通道式感应加热技术的发展与应用

在连续铸造过程中，中间包内钢水注射温度的稳定性是影响铸造机产量和铸造质量的重要因素。然而,由于开浇时中间包包衬的吸热、换钢包时和浇注末期中间包内无高温钢水的供给以及整个浇注过程中通过钢包和中间包熔池表面及耐火材料包壁损失的热量,中间包内钢水温度不可避免地存在着较大的波动(可能高达30℃左右)。因此,寻求外部热源来补偿中间包内钢水温降,使钢水浇注温度保持在目标值附近,越来越受到人们关注。近年来,冶金工作者已开发了多种中包加热技术,其中等离子体加热和通道式感应加热为主要加热方式。等离子体加热的基本原理是通过等离子体将电能转化为热能,利用传导和辐射两种换热方式将热能传递给钢水。然而该技术的使用效果常不尽人意,其主要原因是:中间包液面渣太厚,起弧困难;中间包注流区钢水液面波动大;设备工作噪声太大,使人难以承受;等离子产生的电磁辐射对弱电系统有较大干扰;等离子火焰在固定区域加热,易使局部区域温度过高造成耐火材料消耗大等。因此,尽管国际上还有不断完善使用这一技术的报道,但国内多家钢铁企业已停用、拆除早期引进的这种加热方式。与等离子体加热相比,通道式感应加热技术具有投资小、利于中间包内钢水夹杂物上浮、加热均匀以及工作环境安全系数较高等优点。然而,感应加热设备在中间包内部安装位置及其冷却方式的合理性、现有中间包平台空间的有限性等对感应加热及其附属设备安装的限制一直制约着中间包通道式感应加热技术的发展与推广应用。鉴于中包加热技术对炼钢—连铸生产流程及其铸坯质量优化控制的重要性,本文将对颇具发展潜力的通道式感应加热的基本原理和设备构成进行系统阐述,分析讨论通道式感应加热设备设计现状和设备操作使用中的关键问题及其解决方法。在此基础上,论述了中间包通道式感应加热设备设计和应用发展趋势,以期为实现低过热恒温浇注技术和进一步提升中间包的冶金效果提供理论依据。1中央包式加热的原理以及基本设备的组成1.1口型钢铁芯内产生磁通的结果如图1所示,中间包感应加热的基本工作原理为:当加热器线圈中馈给单相交流电后,口字型铁芯内会产生交变的磁通Φ,该交变的磁通Φ使其附近通道内的钢水产生感应电动势E,进而使通道内的钢水中产生感应电流j。该感应电流j所产生的焦耳热Q用来加热通道内的钢水。1.2感应加热器透水整体结构设计图2给出了一种中间包感应加热基本设备构成示意图。由图可知,该中间包感应加热装置由口字型铁芯和线圈、方形无底非磁不锈钢保护套、耐火材料通道以及冷却系统等构件组成。各个构件的基本作用如下所述。(1)感应加热器由口字型铁芯和多匝线圈组成。其中,口字型铁芯由一个可移动的Π型铁芯和一个固定的条形轭铁组成,以便于安装维护。感应加热器的主要作用是在钢水内部产生交变的磁通Φ。(2)非磁不锈钢保护套由两只凹形套体连接而成,其接缝处用电绝缘材料隔开,铁芯装在保护套内。其主要作用是:作为加热器外部耐火材料的支承;精确控制加热器位置;风冷时,保护套作为通风管道,水冷时,保护套与线圈之间可安装冷却设备。(3)通道由Al2O3-C质耐火材料制成,埋设于中间包隔墙的底部。其主要作用是:加热钢水;将注流区的钢水引入浇注区。(4)冷却系统,一般包括风冷式和水冷式。其主要作用是通过冷却介质将工作中的铁芯和线圈自身产生的热量带走以保护加热设备。2通道式加热设备的设计现状2.1双线圈感应加热器目前,常规的感应加热设备主要采用单线圈感应加热器(如图1所示)来补偿浇注过程中中间包内钢水的热损失。该种加热器在安装时,需将铁芯有线圈的一侧置于中间包内,无线圈的一侧置于中间包外。为使用安全和提高加热效率,单线圈加热器的冷却方式一般采用风冷式。如图2所示,风冷式需在中间包操作平台上安装冷却风机和管道及其固定设备,并将上下贯通的非磁不锈钢保护套作为冷却用空气通道。然而,中间包与大包之间的空间有限,这将不利于通道式感应加热技术在现有中间包操作平台上使用。此外,由于加热装置的安装位置占用了中间包的内部空间,中间包总容量将有所减少。与原包相比,由于换钢包期间拉速保持不变,装有加热装置的中间包熔池内液面位置下降速度增加,这将有可能导致中间包出口处发生涡旋卷渣,降低了铸坯质量。为克服这些缺点,毛斌等人提出了采用双线圈感应加热器来补偿浇注过程中中间包内钢水的热损失。如图3所示,双线圈感应加热器的铁芯是由∏型铁芯和固定轭铁构成;线圈固定在∏形铁芯的下部。经耐火材料砌筑后,双线圈加热器与其附近的“8”字形通道可形成一个封闭的整体。该封闭的整体安装在靠近中间包注流区的外侧。与单线圈加热装置相比,双线圈加热装置的位置将不会引起中间包内部容量减小。此外,该加热装置的冷却方式为:(1)线圈由铜管绕制而成,管内可直接通入优质去离子水冷却,铜管外部涂有绝缘层;(2)铁芯与保护套之间安装迥形冷却管;(3)铁芯上部嵌上若干铜板,以增强铁芯内部热量的导出。与风冷相比,水冷方式具有设备小、噪音低、冷却效率高等优点。然而,水冷式的冷却设备大部分由铜材制成,对电磁感应设备的使用效果存在一定影响。此外,钢水浇注过程中水冷式也具有一定的安全隐患。2.2钢水流场采用方式影响加热器效率在一定的加热器形式下,通道的布置方式是影响加热器的加热效率、中间包内钢水流场合理性的主要因素。而通道的布置方式主要由加热器的位置决定。2.2.1中间包的设计及浇注图4为H型中间包加热设备示意图。如图所示,加热器将中间包分成注流区和浇注区,两区之间由埋设在加热器两侧底部的直形耐火材料通道连接。在通道的导流作用下,被加热的钢水可全部进入浇注区,热利用率高。此外,由于通道内被加热的钢水与浇注区内钢水存在温度差,通道内的钢水进入浇注区后可形成向上的流股,该流股利于钢水内夹杂物的上浮和去除以及钢水温度的均匀。但在该工况下,为使通道内的钢水加热充分,需尽量增加通道的长度,这将导致中间包整体宽度增加。因此,需对现有的中间包车、轨道乃至中包平台进行改造,推广应用有一定局限性。为减小装有感应加热设备的中间包整体宽度,新日铁公司开发了如图5所示的中间包通道式感应加热装置。与上述H型中间包加热装置相比,图中的两种感应加热装置设计均减小了中间包的宽度。然而,对于双通道感应加热装置,如图5(a)所示,中间包内加热器装置及冷却设备的安装制约了通道的长度,使得钢水在通道内的停留时间短,钢水加热不充分。对于三通道感应加热装置,如图5(b)所示,中间包内的注流区和浇注区由通道1连接在一起,为使感应线圈四周的钢水能形成闭合的感应电流回路,需在口字型铁芯轭铁下方设置如图5(b)中所示的通道2。浇注过程中,在感应加热装置的作用下,注流区内被加热的钢水经通道1进入浇注区。在热对流和箍缩效应的作用下,该股钢水可与浇注区内的钢水充分混合,利于钢水内夹杂物的上浮和去除及钢水温度的均匀。然而,由于通道2所连接的是两侧的浇注区且图中通道1所示两个通道为对称通道,通道2内被加热的钢水只能靠箍缩效应和自然对流作用来流动。随着浇注过程的进行,停滞在通道2内的钢水的温度将不断升高最后保持平衡,这将对通道耐火材料的使用寿命及生产成本造成较大压力。最近提出一种紧凑式十字形中间包通道式感应加热装置,有望避免以上缺点,并满足钢厂现有中包平台的使用条件。2.2.2道内钢水被加热图6为中冶连铸提出的双线圈感应加热装置示意图。与上述的单线圈感应加热装置相比,该装置中感应线圈附近的通道长度有所增长,利于充分加热通道内钢水。然而,稳态浇注过程中,受到由通道1流向浇注区的钢水流股的影响,加热通道2内的钢水的活跃程度将大大降低。特别是在换钢包期间以及浇注末期,由于中间包的注流区无钢水的补充,埋设在中间包底部的通道2内的钢水只能靠箍缩效应和自然对流作用来流动,这将导致通道2内已被加热的钢水无法及时到达浇注区,热利用效率降低。此外,双线圈感应加热装置的安装也将增加中间包总宽度,不利于对现有中间包操作平台的改造。3文献中的伸缩式感应加热装置实验结果如图7所示,通道式感应加热设备在使用过程中,通道内钢水中感应电流在磁场的作用下产生了指向通道中心的电磁力。该电磁力可使通道内钢水横截面产生收缩现象,称之为箍缩效应。箍缩效应有利也有弊。有利的是,其能将通道内已加热的钢水压出,并与浇注区内钢水混合,提高了热利用效率,加强了中间包内钢水温度的均匀程度。不利的是,当箍缩效应过强时,通道内钢水横截面减小,使得通道内钢水的感应电流产生脉动,影响稳定生产。此外,通道内钢水横截面收缩过大时会引起进入浇注区的钢水速度增加,这将会造成对中间包包壁的冲刷。然而,为补偿在中间包开浇初期、换钢包期间以及浇注末期中间包内钢水的较大温降,感应线圈内的工作电流将有所增大,通道内钢水的感应电流也将随之加大,这将可能引发箍缩效应负作用的产生。特别是浇注初期和末期,通道内不能充满钢水,否则箍缩效应变得显著,严重时,会使钢水中断。因此,如何避免箍缩效应的负作用是通道式感应加热设备使用中的关键问题。为避免箍缩效应的负作用,日本川崎钢铁公司在装有通道式感应加热设备的7t中间包(如图8所示)上进行了实验研究。实验钢种为不锈钢304和不锈钢403。该装置的最大功率为1070kW,电流工作频率为50Hz。中间包采用热电偶连续测温,以自动调节加热器感应线圈的工作电流。实验结果表明,对于该装置,为避免开浇期间箍缩效应负面影响的产生,开浇期间最优的输入功率变化情况是:加热设备在开浇后15s开始工作,输入功率为300kW左右,之后分别在38s和60s时增至650kW和1000kW,具体操作情况如图9所示。图10为有无感应加热两种工况下头个浇次期间中间包内钢水温度的变化情况。其中,虚线为目标温度。图11为整个浇注过程中输入功率变化与两次实验效果。由此可知,中间包内钢水温降由未采用感应加热时的10～20℃降低到加热时的0～5℃,且整个浇注过程中温控精度为目标温度的±3℃左右。图12为川崎钢铁公司提出的中间包通道式感应加热装置示意图。为避免箍缩效应负作用的产生,YutakaYoshii等人在该装置上研究了工作液位与输入功率以及通道内钢水的感应电流的关系。其中,中包容量为7t(工作液位为600mm),钢种成分为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%。结果如图13所示,可知:在不同工作液位下,输入功率有一个上限范围,超过该上限值时将会产生箍缩效应的负作用。此外,在该工况下,当通道内钢水感应电流密度D满足关系式:D≤0.1H+0.45时,就可以避免箍缩效应的负作用。综上所述,在一定的加热装置情况下,中间包开浇初期、换钢包期间以及浇注末期这三个时期内最易出现箍缩效应的负作用。而这三个时期的共性为中间包内钢水的工作液面随时间发生变化。因此,对于某一特定的中间包通道式感应加热装置,需通过实验或其他手段来计算出不同工作液位下合适的感应加热器输入功率和通道内感应电流大小以避免箍缩效应负作用的产生。4中间包钢水加热设计注意事项对连铸中间包通道式感应加热设备设计与应用过程中的关键技术问题进行了系统的分析与论述,获得如下结论和认识:(1)在加热器和冷却方式选择时