中间包等离子体加热技术

中间包等离子体加热技术

毛斌 陶金明

1 中间包钢水温度控制的涵义

1．1中间包钢水温度控制的重要性

中间包钢水温度控制的重要性表现在以下三方面：

①连铸工艺要求

连铸实践表明，连铸过程钢水必须具备合适而稳定的温度，它直接影响连铸的生产率和铸坯质量以至产品质量。然而在许多连铸操作参数中，钢水温度或过热度是最不可预测的因素之一，唯一的办法是用外部热源来调控钢水的温度，确保连铸过程的合适而稳定的温度或过热度。

②中间包加热的可操作性

中间包是钢包与结晶器之间的中间容器，是进入结晶器的最后一道调控钢水的工序。与钢包加热如LF炉相比较，中间包的容量较小，加热设备容量也不大；又可在线操作，不会影响生产节奏，而且还有利于提高产量。因此，采用中间包加热技术调控钢水温度，可以使钢水过热度控制在目标温度范围内。

③中间包加热的好处

能减少中间包中钢水温度脉动，实现低过热度的恒温浇注，利于稳定拉速和改进产品质量。

◆能延长连浇时间，利于提高收得率和生产率；

◆能避免过早凝固，利于防止结瘤、冻结、回炉、停浇等等直故。

◆能降低炼钢的出钢温度约15～20℃，利于节能和节约耐材。

1．2中间包钢水过热度的选取

连铸工艺的特点决定了对钢水的浇注温度有特殊的要求。浇注温度可用公式(1)表示：

T_浇注=T_液相 △T (1)

式中：T_浇注——浇注温度；T_液相——液相线温度；△T——适宜的过热度。△T取决于钢种、断面及浇注条件等因素。不同钢种、不同断面的中间包内钢水过热度值见表1。

由表1可见，浇注钢种的碳含量低、铸坯断面小，过热度应高一些。钢中碳、硅、锰含量高，铸坯断面大，过热度可低一些。

需要指出的是，在常规连铸条件下，达到表1所列的过热度是有难度的，但使用中间包加热技术完全有可能将中间包内钢水温度脉动控制在目标温度±5℃内。

1．3中间包温度补偿的要求

(1)中间包内的热损失

钢水从钢包流经中间包注入结晶器，其间的放热过程如图1所示。

由图1可见，中间包内钢水的热损失可由公式(2)表示：

H=Q₁ Q₃ Q₄ Q₅ (2)

式中：Q₁——钢包长水口的辐射热量；Q₂——钢包注入中间包的热量；Q₃——中间包耐材的吸热量；Q₄——中间包钢水顶表面的轴射热量；Q₅—一中间包的其他热损失；Q₆——中间包注入结晶器的热量。

在浇铸初期约十分钟内，由于中间包内衬的耐材吸热的影响很大，显然是很大的，而其放热与时间有关，随时间的推移，放热趋于稳定。而Q₁、Q₄、Q₅可以认为在浇铸过程中大体保持不变。

(2)输入中间包的热量估计

在配置中间包加热器时，必须处理好输入加热功率、最大加热功率和最佳加热功率这三者的关系如下：

◆输入加热功率：取决于中间包的容量、浇注量、加热时间和温控精度等．

◆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，中间包加热器的最大功率应能补偿浇注初期的最大温降。

◆最佳加热功率：确定最佳加热功率有利于使加热器结构最佳化和操作的简化。

通常按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，则加入中间包的热量由公式(3)表示

P=C_pQ△T (3)

由此可见，加入的热量P由浇铸量Q和必要的温升△T决定。而△T是流入和流出中间

包的钢水温度差及中间包全部热损失的必要温升。

(3)预期加热效果

连铸实践表明：不同浇铸期的中间包内钢水温降大致是：开浇初期的钢水温降通常比正常浇铸期的最大为10～20℃；的终浇期的温降约为5～10℃；在钢包交换期，根据下一包钢水温度的不同，温降约为5～8℃。

通过中间包钢水加热后，预期浇铸初期的温降由不加热的10～20℃降低到加热时的0～5℃，其加热效果很明显。而对于钢包交换期和终浇期，加热器只需要投入开浇时的一半功率，就能完全补偿其中的温降。

2．中间包等离子体加热技术

等离子体加热技术主要有两种类型：直流(DC)型和交流(AC)型。两者都采用转移弧方式将电能转换成热能。所谓转移弧，简单地说，就是流经等离子体弧柱的电流必须经外部对象物如钢水构成回路。

从实际使用情况看，DC型等离子体加热技术比较适合中间包钢水加热。为简约起见，将中间包等离子体加热(Tundish plasma Heating)缩写成TPH。

2．1设备构成

以新日铁的DC型TPH为例作表述。图2表示新日铁TPH的全景图。

其设备构成是：

①等离子体炬(俗称等离子体枪：Plasma炬)：Hasma炬示意图见图2。它由水冷套简和阴极组成。套筒的后部联结水路、气路和电路；阴极的头部由高电子发射能力的钍钨合金制作。

②Plasma炬的升降机构：用于支撑Plasma炬并控制其上下移动，以调整其与钢液面的距离，达到最佳运作水平。

③中间包上部设置加热室；加热室的作用，一是利用加热室将Plasma弧产生的热间接辐射到钢液面，提高其热效率；二是维持钢液面以上的惰性气氛，防止钢水二次氧化。

④气体系统：根据使用要求确定惰性气体的类型。TPH中通常使用氩气、因为氩气易于电离，也不与钢水起化学反应，另外也能保护阴极表面，提高阴极寿命。另外也可根据浇钢钢种，使用氩、氮、氩和氮的混合气等。

⑤冷却水系统：Plasma炬运行时需要去离子水冷却，防止冷却通道结垢，影响冷却效果。

⑥回流阳极：DC型TPH系统需要一个电流回路电极，称阳极，埋设在中间包钢水内。由此构成一个由阴极出发经Plasma弧柱、进入钢水到达阳极的直电流的封闭回路。

⑦电路系统：将三相交流电整流成直流电源。

⑧电控系统：监视、控制和显示钢水温度、TPH的电气特性(电压、电流和功率)、气源的流量和压力、冷却水的流量和压力及部件故障等等。

2．2工作原理

TPH通常采用转移弧形式将电能转换成热能，使钢水保温或升温。其工作原理是：

可上下移动的Plasma炬作为电流的阴极，而被加热的钢水作为阳极。其工作步骤大致是：

①运行开始时，先将Plasma炬下降到接近钢液面，然后利用高频电流起弧装置在阴极与阳极之间放电形成电弧区；

②将工作气体如Ar、N₂等经Plasma炬吹入电弧区而被电离，形成Plasma弧柱，利用其电阻将电能转换成热能。通常弧心温度约3000℃以上，电离度越高，弧柱温度也越高；

③将Plasma炬向上提升，拉长弧柱，提高了弧柱的电压，即增加了Plasma炬的输出功率，也即增加向钢水的加热功率。

④Plasma炬产生的热量通过三个途径加热钢水：

◆从Plasma弧柱向钢液电阻的直接加热，约占18％。

◆从加热室壁面反射到钢液的间接辐射加热，约占52％

◆由弧柱中的电流经钢水到达阳极的电压降，即利用钢水电阻的直接加热，约占30％。

⑤Plasma 加热的热损失主要有三部分：

◆Plasma炬外套筒和阴极的冷却水带走的热量；

◆工作气体的废气带走的热量；

◆加热室壁面耐材的蓄热及经壁面的传热。

2．3技术特点

①Plasma弧的焓值高，能量集中，能获得高温热源，通常弧心温度达3000℃以上；

②气氛可控。可以根据不同钢种选择工作气体，如Ar、N₂、Ar N₂……等等，能保持钢水成份不变；

③气氛洁净。由于使用惰性气体，在钢液面上方能形成清净的氛围，不仅不会污染钢水而且能有效地防止钢水二次氧化。

④控制性良好

Plasma炬将电能转换成热能，加热响应快；加热功率能自由地设定且调节范围宽，能提供较精确的温度控制。

⑤操作性和维护性好

由于Plasma炬和加热室设置在中间包的上方，不会影响中间包的容量和连铸作业；由于Plasma炬与中间包和钢包完全分离，维护性良好。

2．4冶金效果

采用TPH的冶金效果主要有：

①中间包钢水温度可以控制在目标温度的±5℃内；

②板坯的夹杂物指数减小45％，即从1．0减小到0．55；

③减少水口冻结，冻结的炉次由3．2％减少到2．0％

3．中间包感应加热与等离子体加热技术的比较

基于上期感应加热和本文等离子体加热技术的论述，为简明起见，将两者技术进行综合比较详见表2。