CN109759576A - 一种用于加热浸入式水口内钢液的装置及其动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于加热浸入式水口内钢液的装置及其动态控制方法，涉及钢铁连铸生产技术领域，能够有效降低浸入式水口结瘤和凝钢的堆积，增加浸入式水口的使用寿命，提高铸坯质量；该装置包括壳体、感应线圈和控制单元；所述壳体包括内壳和外壳，所述感应线圈绕设在所述内壳和所述外壳之间；所述感应线圈与所述控制单元连接；所述壳体套设在浸入式水口的外围；所述内外壳之间还设有冷却单元；该方法将钢液实时温度与所需浇铸温度做对比，当实时温度低于浇铸温度时，通过计算和调整感应线圈的输入电流调整加热程度；通过计算和调整冷却媒介流量控制冷却程度。本发明提供的技术方案适用于钢铁连铸生产的过程中。

Description

一种用于加热浸入式水口内钢液的装置及其动态控制方法

【技术领域】

本发明涉及钢铁连铸生产技术领域，尤其涉及一种用于加热浸入式水口内钢液的装置及其动态控制方法。

【背景技术】

自20世纪五、六十年代以来，连铸机广泛应用于钢铁冶金生产流程，世界的钢铁产量迅速增加。在此同时，连铸技术不断探索进步，向着优质化、高效化、清洁化、低耗化方向发展。连铸生产过程中，高温钢液通过浸入式水口从中间包进入结晶器，在结晶器铜板和二冷段的冷却作用下钢水逐渐凝固，最终切割成定尺铸坯。其中，浸入式水口作为连接中间包和结晶器的关键装置，能够防止高温钢液的二次氧化、促进夹杂物的上浮、改善注流在结晶器内钢液的流动状态和热流分布、避免结晶器保护渣卷入钢液等，对提高钢的质量和连铸效率起着至关重要的作用。

然而，国内外各钢铁企业在连铸生产中均存在不同程度的水口结瘤和堵塞问题，浸入式水口结瘤和堵塞成为影响连铸浇铸顺行的主要问题。钢液中高熔点的夹杂物在浸入式水口内壁不断沉积形成结瘤层，一方面会在结晶器内形成偏流以及结晶器液面的剧烈震动，造成铸坯表面的质量问题，另一方面钢流会将剥落下来的结瘤物卷入液相，形成颗粒较大的夹杂物，最终形成铸坯质量缺陷。连铸浇铸的后期以及低过热度浇铸炉次，中间包内钢液温度降低，导致浸入式水口内钢液析出高熔点氧化铝等夹杂物，造成水口结瘤，进一步较低的浇铸温度，容易在浸入式水口内产生凝钢甚至堵塞水口，影响浇铸的顺利进行甚至导致断浇。

为了解决浸入式水口结瘤问题，大多数企业采用钙处理技术，将Al₂O₃转变为低熔点的液态钙铝酸盐，从而减轻水口结瘤问题。虽然改性的夹杂物能够减小水口堵塞几率，但在后续热轧过程夹杂物变形能力较强，导致轧材探伤不合，影响钢的机械性能。此外，实际操作过程中，夹杂物的改性很难精准控制：当钙处理量不足时，达不到改善水口结瘤的效果；钙处理过量时，钢中生成CaS夹杂，同样导致水口结瘤。为了实现稳定浇铸过程，防止浸入式水口因凝钢而堵塞，近年来提出了中间包加热技术，主要包括等离子加热技术和感应加热技术。然而在实际操作过程中，中间包加热系统设备非常复杂，运行维护成本昂贵，技术操作难度较大，在国内钢铁企业很难推广。

因此，有必要设计一种用于加热浸入式水口内钢液的装置及其动态控制方法，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种用于加热浸入式水口内钢液的装置及其动态控制方法，能够有效降低浸入式水口结瘤和凝钢的堆积，增加浸入式水口的使用寿命，提高铸坯内部质量。

一方面，本发明提供一种用于加热浸入式水口内钢液的装置，其特征在于，所述装置包括壳体、感应线圈和控制单元；

所述壳体包括内壳和外壳，所述感应线圈绕设在所述内壳和所述外壳之间；所述感应线圈与所述控制单元连接；

所述壳体套设在浸入式水口的外围。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制单元与连铸机控制系统连接，用于读取所述连铸机控制系统中的参数，并根据所述参数对所述感应线圈进行控制。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述参数包括中间包内钢液的实时温度、铸坯断面尺寸和拉坯速度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述装置还包括用于对所述感应线圈进行冷却的冷却单元，所述冷却单元与所述控制单元连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述冷却单元的冷却媒介为流体；所述冷却媒介设置在所述壳体内；所述壳体的两端分别设有媒介进口和媒介出口，所述媒介进口与流量调节设备连接，所述流量调节设备与所述控制单元连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述壳体为圆柱体状；所述内壳为内筒陶瓷壳，所述外壳为外筒钢壳；所述内筒陶瓷壳与所述外筒钢壳密封设置。

另一方面，本发明提供一种适用于以上任一所述的用于加热浸入式水口内钢液装置的动态控制方法，其特征在于，步骤包括：

S1、获取中间包内钢液的实时温度T_r，并预设适宜连铸的浇铸温度T₀；

S2、判断所述实时温度和所述浇铸温度的大小关系；

若T_r≥T₀，则感应线圈不加热，返回S1；

若T_r＜T₀，计算对浸入式水口内钢液进行加热所需的感应线圈的功率P_d；

S3、根据S2中计算出的感应线圈的功率P_d，计算所述感应线圈所需的电流强度I₀，并由控制单元根据所述电流强度I₀调整对所述感应线圈的输入电流；

S4、根据感应线圈的功率P_d，计算冷却媒介的流量W，并调节所述冷却媒介的流量。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2中计算感应线圈的功率的公式为：

其中，

η₁为感应线圈加热浸入式水口内钢液的效率，

C_p为中间包钢液的比热，

ρ为中间包钢液的密度，

t为铸坯断面的厚度，

w为铸坯断面的宽度，

V_c为拉坯拉速。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3中计算电流强度的公式为：

其中，

U₀为控制单元的输入电压，

为功率因数。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中计算冷却媒介流量的公式为：

其中，

η₂为感应线圈的发热效率，

t₂为冷却媒介在媒介出口处的温度，

t₁为冷却媒介在媒介入口处的温度，

C_w为冷却媒介的比热，

ρ_w为冷却媒介的密度。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：能够有效降低浸入式水口结瘤和凝钢的堆积，促进浇铸钢液温度稳定注入结晶器，增加浸入式水口的使用寿命，降低连铸坯的中心偏析和提高铸坯的等轴晶比例，提高铸坯内部质量。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的浸入式水口浇铸过程示意图；

图2是本发明一个实施例提供的用于加热浸入式水口内钢液的装置的纵截面示意图；

图3是本发明一个实施例提供的用于热浸入式水口内钢液的动态控制方法的流程图。

其中，图中，

中间包-1；滑板控流装置-2；用于加热浸入式水口内钢液的装置-3；外筒钢壳-31；内筒陶瓷壳-32；感应线圈-33；冷却水-34；入水口-35；出水口-36；涡流-37；浸入式水口-4；结晶器铜板-5；凝固坯壳-6；钢液-7；控制单元-8；连接线缆-9。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

图1是本发明一个实施例提供的浸入式水口浇铸过程示意图。如图1所示，中间包1内的高温钢液7通过滑板控流装置2进入浸入式水口4，浸入式水口4穿设在用于加热浸入式水口内钢液的装置3(以下为了方便用简称“装置3”代替)内，钢液7沿浸入式水口4流经装置3，控制单元8与连铸机控制系统连接，直接读取控制系统中的中间包1内钢液7的实时温度、铸坯断面尺寸和拉坯速度，控制单元8也可分别与温度测量仪、厚度测量仪和速度测量仪连接，分别测量和读取上述三个数据。连铸机控制系统也就是连铸机自动流程控制系统，是钢厂进行连铸作业时对整个或部分生产线进行自动化控制的系统，是现有技术，该系统实时采集中间包内钢液的实时温度、铸坯断面尺寸和拉坯速度的数值。

装置3包括壳体、感应线圈33、控制单元8和冷却单元。控制单元8通过连接线缆9与感应线圈33以及冷却装置的控制设备电连接，给感应线圈供电以及调整其电流值，并控制冷却单元的冷却程度。通过对比当前中间包温度T_r与控制单元8内预先设定的浇铸温度T₀之间的差别，计算感应线圈33的功率，进而计算并实时调整控制单元8流经感应线圈33的电流强度和对感应线圈33的冷却强度，实现动态加热浸入式水口4内的钢液的目的。当交变电流通过感应线圈33时，感应线圈33周围产生交变磁场，浸入式水口4内流动的钢液在交变磁场作用下产生感应电势，并在钢液内形成涡流37，钢液内产生焦耳热，将浸入式水口4内的钢液快速加热升温。加热后的钢液流入结晶器5内进行一次冷却，并形成一定厚度的凝固坯壳6。装置3内还设有冷却单元，用来对感应线圈进行冷却降温，保证感应线圈能够在正常使用温度下工作。

图2是本发明一个实施例提供的用于加热浸入式水口内钢液的装置的纵截面示意图。如图2所示，装置3包括内筒陶瓷壳32、外筒钢壳31、感应线圈33和水冷单元。外筒钢壳31设置在外围，内筒陶瓷壳32设置在外筒钢壳31的内围，外筒钢壳31和内筒陶瓷壳32之间绕设有感应线圈33。水冷单元包括冷却水34，在内外壳之间以及感应线圈33的周边设有该冷却水。冷却水34的设置可以是外壳和外壳密封连接，冷却水充斥在内外壳之间的孔隙中；也可以是在内外壳之间绕设若干冷却水管，冷却水通过冷却水管进行冷却。

外筒钢壳31和内筒陶瓷壳32优选平行设置，即外筒钢壳31和内筒陶瓷壳32组成具有一定厚度的圆筒型壳体，圆筒的上下截面的圆环处采用陶瓷壳。浸入式水口4从内筒陶瓷壳32内穿过，装置3能够动态加热浸入式水口4内的钢液。水冷单元还包括分别设置在装置3的底部和顶部的进水口35和出水口36，进出冷却水对感应线圈33进行冷却，保证感应线圈33能够在正常温度工作。冷却水的进水口通过进水管道与水泵连接，由水泵控制其水流量。水泵与控制单元8电连接，控制单元8根据计算出的水泵水流量的值对水泵进行调整，以满足冷却要求。

感应线圈33的表面喷涂高强度绝缘漆，并用绝缘带包扎。

在连铸过程中，流入中间包1内的钢液7温度存在波动以及中间包1内钢液7不断散热，导致中间包1内的钢液7温度存在较大的波动，尤其是非正常浇铸炉次，较低的浇铸温度可能导致浸入式水口4内钢液析出高熔点氧化铝等夹杂物，造成水口结瘤，进一步较低的浇铸温度还会在浸入式水口4内产生凝钢甚至堵塞水口，影响浇铸的顺利进行甚至导致断浇。本发明利用电磁感应动态加热浸入式水口4内的钢液，使之达到浇铸的适宜温度，以实现增加浸入式水口4使用寿命和稳定浇铸的要求。

图3是本发明一个实施例提供的用于热浸入式水口内钢液的动态控制方法的流程图。如图3所示，动态控制方法的主要步骤包括：

a.采集连铸工艺参数，动态实时获取中间包1内钢液7的实时温度、铸坯断面尺寸和拉坯速度；

b.根据中间包钢液的物性参数(比热C_p、密度ρ)、实时温度T_r、铸坯断面尺寸(厚度(t)、宽度(w))、拉坯拉速(V_c)和预先设定的浇铸温度T₀，判断中间包1实时监测温度是否满足预先设定的浇铸温度；浇铸温度T₀的值是根据浇铸的产品的型号而定的，不同型号的浇铸产品所需的适宜温度是不同的；

若T_r≥T₀，控制单元8对感应线圈33的输入电流为0，跳至a步骤；若T_r＜T₀，根据钢种物性参数、中间包实时温度、铸坯断面尺寸、拉速和预先设定的中间包浇铸温度，采用公式(1)实时计算钢液升温所需感应线圈33的功率，其中，P_d为感应线圈的功率，η₁为感应线圈加热浸入式水口内钢液的效率；

c.根据上一步计算出的感应线圈33的功率P_d，利用公式(2)计算控制单元8的电流强度I₀，进而实时更新控制单元8的输入电流I₀；其中，U₀为控制单元的输入电压，为功率因数；

d.根据当前感应线圈功率P_d，依据公式(3)实时调整冷却水泵水流量，对电磁感应加热装置进行冷却，避免大功率条件下设备受损；其中，η₂为感应线圈的发热效率；t₂为冷却水在出水口处的温度，t₁为冷却水在入水口处的温度，C_w为冷却水的比热，ρ_w为冷却水的密度；

在本实施例中，步骤a中中间包1内钢液7的实时温度、铸坯断面尺寸和拉速是从连铸机控制系统上直接读取的。在本实施例中，冷却媒介采用水，还可以是其他对感应线圈具有冷却作用的流体媒介。

本发明与传统的中间包加热技术相比有显著的优点：

1.效率高，加热速度快：传统的中间包加热技术主要包括中间包等离子加热技术和感应加热技术，这两种中间包加热技术将中间包内的所有钢液进行加热，能源消耗较大，加热速度和效率受到中间包容量的限制。采用加热浸入式水口内钢液的装置及其动态控制方法，仅对浸入式水口内的钢液进行加热，耗电量较低，加热速度快，加热效率高。

2.非接触加热，不污染钢液：电磁感应加热通过交变磁场在水口内的钢液产生感应电势，在钢液内形成涡流，并在钢液内产生焦耳，热实现对钢液的快速加热。整个加热过程钢液处于浸入式水口内的密闭空间，不会产生钢液的二次氧化，也不会带入新的污染。

3.作业环境好，易实现自动控制：电磁感应加热，不产生烟尘、废气、噪声，属于无公害加热。控制单元通过读取连铸机控制系统上的在线数据，计算并实时更新控制单元的输入电流，进而自动调整感应线圈功率，无需人为频繁操作，易实现自动控制。

4.装置简单，操作灵活、更换方便：加热浸入式水口内钢液的动态控制单元主体是感应线圈和控制单元，设备整体尺寸较小，设备造价较低，作业占地少，能够实现快速安装与更换。

以上对本申请实施例所提供的一种用于加热浸入式水口内钢液的装置及其动态控制方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于加热浸入式水口内钢液的装置，其特征在于，所述装置包括壳体、感应线圈和控制单元；

所述壳体包括内壳和外壳，所述感应线圈绕设在所述内壳和所述外壳之间；所述感应线圈与所述控制单元连接；

所述壳体套设在浸入式水口的外围。

2.根据权利要求1所述的用于加热浸入式水口内钢液的装置，其特征在于，所述控制单元与连铸机控制系统连接，用于读取所述连铸机控制系统中的参数，并根据所述参数对所述感应线圈进行控制。

3.根据权利要求2所述的用于加热浸入式水口内钢液的装置，其特征在于，所述参数包括中间包内钢液的实时温度、铸坯断面尺寸和拉坯速度。

4.根据权利要求1-3任一所述的用于加热浸入式水口内钢液的装置，其特征在于，所述装置还包括用于对所述感应线圈进行冷却的冷却单元，所述冷却单元与所述控制单元连接。

5.根据权利要求4所述的用于加热浸入式水口内钢液的装置，其特征在于，所述冷却单元的冷却媒介为流体；所述冷却媒介设置在所述壳体内；所述壳体的两端分别设有媒介进口和媒介出口，所述媒介进口与流量调节设备连接，所述流量调节设备与所述控制单元连接。

6.根据权利要求1-3、5任一所述的用于加热浸入式水口内钢液的装置，其特征在于，所述壳体为圆柱体状；所述内壳为内筒陶瓷壳，所述外壳为外筒钢壳；所述内筒陶瓷壳与所述外筒钢壳密封设置。

7.一种适用于权利要求1-6任一所述的用于加热浸入式水口内钢液装置的动态控制方法，其特征在于，步骤包括：

S1、获取中间包内钢液的实时温度T_r，并预设适宜连铸的浇铸温度T₀；

S2、判断所述实时温度和所述浇铸温度的大小关系；

若T_r≥T₀，则感应线圈不加热，返回S1；

若T_r＜T₀，计算对浸入式水口内钢液进行加热所需的感应线圈的功率P_d；

S3、根据S2中计算出的感应线圈的功率P_d，计算所述感应线圈所需的电流强度I₀，并由控制单元根据所述电流强度I₀调整对所述感应线圈的输入电流；

S4、根据感应线圈的功率P_d，计算冷却媒介的流量W，并调节所述冷却媒介的流量。

8.根据权利要求7所述的用于加热浸入式水口内钢液装置的动态控制方法，其特征在于，所述S2中计算感应线圈的功率的公式为：

其中，

η₁为感应线圈加热浸入式水口内钢液的效率，

C_p为中间包钢液的比热，

ρ为中间包钢液的密度，

t为铸坯断面的厚度，

w为铸坯断面的宽度，

V_c为拉坯拉速。

9.根据权利要求7所述的用于加热浸入式水口内钢液装置的动态控制方法，其特征在于，所述S3中计算电流强度的公式为：

其中，

U₀为控制单元的输入电压，

为功率因数。

10.根据权利要求7-9任一所述的用于加热浸入式水口内钢液装置的动态控制方法，其特征在于，所述S4中计算冷却媒介流量的公式为：

其中，

η₂为感应线圈的发热效率，

t₂为冷却媒介在媒介出口处的温度，

t₁为冷却媒介在媒介入口处的温度，

C_w为冷却媒介的比热，

ρ_w为冷却媒介的密度。