CN115625325A - 一种抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置及其方法，属于火法技术领域。该抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，包括上加热线圈、下加热线圈、结晶器、结晶器热电偶、线圈电源和控制系统，控制系统包括在线温度采集处理器、计算机和PLC电源控制器。本发明采用双线圈组合式电磁感应加热来提升结晶器水口处的钢液温度至适当的范围，通过温度传感器进行数据采集并根据TiN夹杂析出温度动态调整双线圈的参数来实现对钢液温度的闭环控制，达到抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置及其方法，属于火法技术领域。
背景技术
高钛钢一般指其Ti含量大于0.1％，它具有高强度、高韧性、高耐磨性等优点因而具备很强的市场需求和广泛的应用前景，但是高钛钢铸坯含Ti量高，当氮从钢液中析出时，容易形成TiN 夹杂，它属于高熔点化合物，TiN的析出温度随着元素浓度变化而不同，但是均比较高，在连铸时TiN常粘附在结晶器水口内壁形成水口堵塞，导致因堵塞而无法连续生产的情况。此外在后续铸坯凝固过程中，钢中析出的TiN比较坚硬而且脆，呈尖锐棱角状，对钢材后续加工性能和力学性能均产生不良影响。目前降低钢水中TiN夹杂物含量的方法很多，但是采用电磁感应的方法抑制钢中TiN夹杂堵塞结晶器水口通道的报道很少。
目前已经研究和开发多种方法针对连铸过程中的连铸水口堵塞的问题。主要有改进水口结构、严格控制连铸操作工艺、降低钢水中夹杂物数量或者使用水口保温套管控制过热度。如：“一种防止钢坯连铸水口堵塞的方法，专利号CN201510110081.5”该专利从夹杂物向水口内表面迁移和粘附的机理出发，利用导电材料将水口外表面与大地或电位为零的部位连接，使水口内表面的电位为零，减少或消除钢中夹杂物向水口内表面的迁移和粘附，防止水口堵塞。但该专利只针对低碳高铝钢和轴承钢。
传统方法都有一定的实用性，但在浇注高钛钢这一特殊钢种时连铸水口堵塞问题仍然十分严重，上述方法效果不够显著。与传统的方法相比，电磁感应加热控制技术是一种无需直接接触而具备快速加热能力的技术，无需另配热源、无需改变现有工艺条件、不会引入其他杂质污染钢液。它可以通过控制电路和温度传感器实现闭环控制，采用调节线圈匝数、电流、频率等参数直接实现金属合金的动态升温并保持钢液温度稳定。控制在结晶器水口通道的温度对抑制TiN的析出避免该夹杂物在结晶器水口粘附而堵塞有积极作用，电磁感应加热控制技术有助于提升连铸坯及钢材的质量和性能，对实际工业应用有重要的指导意义。
在已公开的国内外文献中，人们从不同途径尝试设计了多种控制TiN夹杂物的方法：“一种感应炉冶炼高钛钢控制Ti2O3、TiN夹杂的方法，专利号CN202210017243.0 ”、“降低齿轮钢20CrMnTi中TiN夹杂的冶炼工艺，专利号CN201710693270.9”。上述专利的改进主要是从整个生产工序角度针对连铸中的TiN夹杂物进行控制和改进，并非专门解决高钛钢的水口堵塞问题。
“高钛钢板坯连铸方法，专利号：CN202010440562.3”，该专利针对高钛钢连铸方法无法避免水口堵塞的问题，在中间包内采用气幕挡墙、氩气保护液面，钢包到结晶器全程用护套管；采用钢管连接到长水口、高过热度浇注、控制拉速、凝固末端动态轻压下、凝固终点区域强冷。该方法主要不足主要两点：1、相较于普通碳钢精炼，高钛钢精炼需要提高炉温，同时对钢包到中间包、中间包到结晶器采用全程保护，防止温度损失，实现高过热度浇注，这样做会增加很多生产成本；2、对进结晶器水口处钢液的温度控制精度不高，不能实现动态控制，特别是出现换包等过热度波动情况，使得水口温度不够稳定，当波动温度低于TiN析出温度时就会促使夹杂物粘附在水口内壁而堵塞水口，对浇注不利。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置及其方法。本发明采用双线圈组合式电磁感应加热来提升结晶器水口处的钢液温度至适当的范围，通过温度传感器进行数据采集并根据TiN夹杂析出温度动态调整双线圈的参数来实现对钢液温度的闭环控制，达到抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的目的。本发明通过以下技术方案实现：
一种抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，包括上加热线圈2、下加热线圈3、结晶器5、结晶器热电偶6、线圈电源10和控制系统，控制系统包括在线温度采集处理器7、计算机8和PLC电源控制器9；
中间包钢液1中的高钛钢通过通道和结晶器5的结晶器水口4进入到结晶器5中，结晶器水口4顶部外部分别设有上加热线圈2和下加热线圈3，上加热线圈2和下加热线圈3各连接一个线圈电源10，结晶器5外部四周均匀设有金属板，每块金属板上均匀安装设有若干结晶器热电偶6，每个结晶器热电偶6通过在线温度采集处理器7将采集到的温度传递给计算机8，计算机8计算升温温度后通过PLC电源控制器9分别控制线圈电源10调整加热线圈2和下加热线圈3电流和频率。
所述上加热线圈2为100-120匝线圈，下加热线圈3为50-80匝线圈；上加热线圈2和下加热线圈3采用密封水冷的方式冷却，冷却水流量范围为0.5-5.0 L/min。
所述结晶器5有效长度800mm，断面为220-230mm×1000-1400mm，进出水温度为35°C和45°C；连铸坯拉速不高于1.1m/min。
所述结晶器热电偶6采用防爆铂铑热电偶（型号：WRR-140，分度号：B，测温范围：0-1800℃，允许偏差△t℃：±1.5℃或±0.25%t）。
一种抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置的应用方法，其具体步骤包括：
步骤1、将结晶器5和外部四周的金属板对称性取其1/4部分，1/4部分中选定6个结晶器热电偶6，这6个结晶器热电偶6需要满足：均匀分布在1/4部分的中线上。6个结晶器热电偶6从上至下对应得到的实测温度为T1、T2、T3、T4、T5和T6，单位为K；
步骤2、当中间包钢液1中的高钛钢通过通道和结晶器5的结晶器水口4进入到结晶器5中，通过实时测定6个结晶器热电偶6的T1、T2、T3、T4、T5和T6温度值，根据下面公式计算得到结晶器水口4的下边沿上一点的温度值：
To=918.4-0.165*T1+0.92*T2-0.21*T3+0.007*T4-0.278*T5+0.405*T6；
步骤3、测试高钛钢的组成成分，确定高钛钢中TiN的理论临界析出温度，将步骤2中结晶器水口4的下边沿上一点的温度值To与TiN的理论临界析出温度通过计算机8相比较，确定好线圈电源10的两个电源参数值，通过PLC电源控制器9驱动两个线圈电源10，使结晶器水口4的下边沿上一点的温度值To不低于1850k，以抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口。
所述步骤2的高钛钢中N含量为0.003wt%以下。
所述PLC电源控制器9控制线圈电源10的输出电流200-1200A、电源频率50-500Hz、功率5-150kW。
上述计算机8将确定好线圈电源10的两个电源参数值将信号值传递给PLC电源控制器9，PLC电源控制器9驱动两个线圈电源10改变成相应的电源参数值。
上述计算得到结晶器水口4的下边沿上一点的温度值的公式是经过利用专用的数值模拟软件建立模型并验证，模拟得到的多组温度数据并采用最小二乘法进行线性回归，对水口温度和结晶器表面多点温度进行数学建模获得的。
本发明的有益效果是：
1、与现有抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的方法相比，本方法可以使得加热线圈与钢液不直接接触，防止钢液被二次污染。可针对不同含量的高钛钢，调整其过热度，处理水口堵塞问题。
2、本发明使用双线圈电磁感应加热技术、计算机数据处理和闭环控制技术，双线圈的电流大小、电流方向、频率大小等参数构成多种组合方式以备选择，从而提高控制钢液过热度的精度。同时该装置还具备结构简单、操作方便等优点，有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口装置的结构示意图；
图2是本发明选定的主要结晶器热电偶位置图；
图3是本发明对比实施例的水口通道无感应加热温度云图；
图4是本发明对比实施例的无感应加热结晶器中心纵切面温度分布图；
图5是本发明实施例1的水口通道感应加热温度云图；
图6是本发明实施例1的感应加热前后结晶器中心纵切面温度分布图；
图中：1-中间包钢液，2-上加热线圈，3-下加热线圈，4-结晶器水口，5-结晶器，6-结晶器热电偶，7-在线温度采集处理器，8-计算机，9-PLC电源控制器，10-线圈电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
对比实施例
如图1所示，该抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，包括上加热线圈2、下加热线圈3、结晶器5、结晶器热电偶6、线圈电源10和控制系统，控制系统包括在线温度采集处理器7、计算机8和PLC电源控制器9；
中间包钢液1中的高钛钢通过通道和结晶器5的结晶器水口4进入到结晶器5中，结晶器水口4顶部外部分别设有上加热线圈2和下加热线圈3，上加热线圈2和下加热线圈3各连接一个线圈电源10，结晶器5外部四周均匀设有金属板（铜板），每块金属板上均匀安装设有若干结晶器热电偶6，每个结晶器热电偶6通过在线温度采集处理器7将采集到的温度传递给计算机8，计算机8计算升温温度后通过PLC电源控制器9分别控制线圈电源10调整加热线圈2和下加热线圈3电流和频率。
其中上加热线圈2为100匝线圈，下加热线圈3为50匝线圈；上加热线圈2和下加热线圈3采用密封水冷的方式冷却，冷却水流量范围为0.5-5.0L/min。
所述结晶器5有效长度800mm，断面为230mm×1200mm，进出水温度为35°C和45°C；连铸坯拉速1.1m/min。
所述结晶器热电偶6采用防爆铂铑热电偶（型号：WRR-140，分度号：B，测温范围：0-1800℃，允许偏差△t℃：±1.5℃或±0.25%t）。
该抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置的应用方法，其具体步骤包括：
步骤1、将结晶器5和外部四周的金属板对称性取其1/4部分，1/4部分中选定6个结晶器热电偶6，这6个结晶器热电偶6需要满足：均匀分布在1/4部分的中线上。6个结晶器热电偶6从上至下对应得到的实测温度为T1、T2、T3、T4、T5和T6，单位为K；本实施例中的6个结晶器热电偶6排布图如2所示；
步骤2、当中间包钢液1中的高钛钢（含钛0.12wt％）通过通道和结晶器5的结晶器水口4进入到结晶器5中，通过实时测定6个结晶器热电偶6的T1、T2、T3、T4、T5和T6温度值，分别为T1=1794.9k、T2=1797.2k、T3=1788.9k、T4=1770.1k、T5=1760.8k、T6=1755.6k，
根据下面公式计算得到结晶器水口4的下边沿上一点的温度值：
To=918.4-0.165*T1+0.92*T2-0.21*T3+0.007*T4-0.278*T5+0.405*T6；
通过公式计算得到To=1823K；
步骤3、测试高钛钢的组成成分，高钛钢中Ti含量为0.12wt%、N含量为0.0026wt%，确定高钛钢中TiN的理论临界析出温度为1813K，不采用感应加热的情况下，即调整上加热线圈2电流为0A，下加热线圈3电流为0A，使结晶器水口4的下边沿上一点的温度值T仍然保持为1823K，为了更直观地展现温度的变化，采用comsol对感应加热进行数值模拟，水口通道无感应加热温度云图如图3所示；无感应加热结晶器中心纵切面温度分布图如图4所示。
结果表明，不采用感应加热提升过热度的情况下，结晶器水口堵塞严重，生产出的铸坯质量差、合格率低，铸坯原始合格率仅50％，连浇炉数仅1炉。
实施例1
如图1所示，该抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，包括上加热线圈2、下加热线圈3、结晶器5、结晶器热电偶6、线圈电源10和控制系统，控制系统包括在线温度采集处理器7、计算机8和PLC电源控制器9；
中间包钢液1中的高钛钢通过通道和结晶器5的结晶器水口4进入到结晶器5中，结晶器水口4顶部外部分别设有上加热线圈2和下加热线圈3，上加热线圈2和下加热线圈3各连接一个线圈电源10，结晶器5外部四周均匀设有金属板（铜板），每块金属板上均匀安装设有若干结晶器热电偶6，每个结晶器热电偶6通过在线温度采集处理器7将采集到的温度传递给计算机8，计算机8计算升温温度后通过PLC电源控制器9分别控制线圈电源10调整加热线圈2和下加热线圈3电流和频率。
其中上加热线圈2为100匝线圈，下加热线圈3为50匝线圈；上加热线圈2和下加热线圈3采用密封水冷的方式冷却，冷却水流量范围为0.5-5.0L/min。
所述结晶器5有效长度800mm，断面为220mm×1400mm，进出水温度为35°C和45°C；连铸坯拉速1.1m/min。
所述结晶器热电偶6采用防爆铂铑热电偶（型号：WRR-140，分度号：B，测温范围：0-1800℃，允许偏差△t℃：±1.5℃或±0.25%t）。
该抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置的应用方法，其具体步骤包括：
步骤1、将结晶器5和外部四周的金属板对称性取其1/4部分，1/4部分中选定6个结晶器热电偶6，这6个结晶器热电偶6需要满足：均匀分布在1/4部分的中线上。6个结晶器热电偶6从上至下对应得到的实测温度为T1、T2、T3、T4、T5和T6，单位为K；本实施例中的6个结晶器热电偶6排布图如2所示；
步骤2、当中间包钢液1中的高钛钢（含钛0.22wt％）通过通道和结晶器5的结晶器水口4进入到结晶器5中，通过实时测定6个结晶器热电偶6的T1、T2、T3、T4、T5和T6温度值，分别为T1=1638.9k、T2=1651.5k、T3=1662.9k、T4=1620.8k、T5=1561.7k、T6=1492.4k，
根据下面公式计算得到结晶器水口4的下边沿上一点的温度值：
To=918.4-0.165*T1+0.92*T2-0.21*T3+0.007*T4-0.278*T5+0.405*T6；
通过公式计算得到To=1814K；
步骤3、测试高钛钢的组成成分，高钛钢中Ti含量为0.22wt%、N含量为0.0029wt%，确定高钛钢中TiN的理论临界析出温度为1815K，步骤2计算得结晶器水口4的下边沿上一点的温度值To为1814K，为了反应出感应加热前后的效果差异需要显著提升过热度并结合钢液钛氮比，选定在结晶器水口4处升温35k及以上来实现高过热度浇注，确定好线圈电源10的两个电源参数值，通过PLC电源控制器9驱动两个线圈电源10，调整上加热线圈2电流为950A、频率为95 Hz，下加热线圈3电流为900A、频率为100Hz，使结晶器水口4的下边沿上一点的温度值To高于1850K，抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口。
为了更直观地展现温度的变化，采用comsol对感应加热进行数值模拟，双线圈部分如图5所示，结晶器部分加热前后温度分布如图6，可见水口通道温升为36K，此时的结晶器水口4浇注温度To为1850K。
通过本实施例的装置和方法，与对比例相比，生产出的铸坯表面及皮下质量良好，连浇炉数大于5炉，TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的堵塞率降低了33.3%。
实施例2
如图1所示，该抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，包括上加热线圈2、下加热线圈3、结晶器5、结晶器热电偶6、线圈电源10和控制系统，控制系统包括在线温度采集处理器7、计算机8和PLC电源控制器9；
中间包钢液1中的高钛钢通过通道和结晶器5的结晶器水口4进入到结晶器5中，结晶器水口4顶部外部分别设有上加热线圈2和下加热线圈3，上加热线圈2和下加热线圈3各连接一个线圈电源10，结晶器5外部四周均匀设有金属板（铜板），每块金属板上均匀安装设有若干结晶器热电偶6，每个结晶器热电偶6通过在线温度采集处理器7将采集到的温度传递给计算机8，计算机8计算升温温度后通过PLC电源控制器9分别控制线圈电源10调整加热线圈2和下加热线圈3电流和频率。
其中上加热线圈2为100匝线圈，下加热线圈3为50匝线圈；上加热线圈2和下加热线圈3采用密封水冷的方式冷却，冷却水流量范围为0.5-5.0L/min。
所述结晶器5有效长度800mm，断面为220mm×1200mm，进出水温度为35°C和45°C；连铸坯拉速1.1m/min。
所述结晶器热电偶6采用防爆铂铑热电偶（型号：WRR-140，分度号：B，测温范围：0-1800℃，允许偏差△t℃：±1.5℃或±0.25%t）。
该抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置的应用方法，其具体步骤包括：
步骤1、将结晶器5和外部四周的金属板对称性取其1/4部分，1/4部分中选定6个结晶器热电偶6，这6个结晶器热电偶6需要满足：均匀分布在1/4部分的中线上。6个结晶器热电偶6从上至下对应得到的实测温度为T1、T2、T3、T4、T5和T6，单位为K；本实施例中的6个结晶器热电偶6排布图如2所示；
步骤2、当中间包钢液1中的高钛钢（含钛0.22wt％）通过通道和结晶器5的结晶器水口4进入到结晶器5中，通过实时测定6个结晶器热电偶6的T1、T2、T3、T4、T5和T6温度值，分别为T1=1639.3k，T2=1652.1k，T3=1663.3k，T4=1621.1k，T5=1562.5k，T6=1493.2k，
根据下面公式计算得到结晶器水口4的下边沿上一点的温度值：
To=918.4-0.165*T1+0.92*T2-0.21*T3+0.007*T4-0.278*T5+0.405*T6；
通过公式计算得到To=1815K；
步骤3、测试高钛钢的组成成分，高钛钢中Ti含量为0.78wt%、N含量为0.0028wt%，确定高钛钢中TiN的理论临界析出温度为1817K，将步骤2中结晶器水口4的下边沿上一点的温度值To为1815K，为了反应出感应加热前后的效果差异需要显著提升过热度并结合钢液钛氮比，选定在结晶器水口4处升温50k及以上来实现高过热度浇注，确定好线圈电源10的两个电源参数值，通过PLC电源控制器9驱动两个线圈电源10，调整上加热线圈2电流为990A、频率为100Hz，下加热线圈3电流为890A、频率为100Hz，使结晶器水口4的下边沿上一点的温度值To高于1850K，抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口。
此时的结晶器水口4浇注温度为1865K。
通过本实施例的装置和方法，与对比例相比，生产出的铸坯表面及皮下质量良好，连浇炉数大于4炉，TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的堵塞率降低了30%。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，其特征在于：包括上加热线圈（2）、下加热线圈（3）、结晶器（5）、结晶器热电偶（6）、线圈电源（10）和控制系统，控制系统包括在线温度采集处理器（7）、计算机（8）和PLC电源控制器（9）；
中间包钢液（1）中的高钛钢通过通道和结晶器（5）的结晶器水口（4）进入到结晶器（5）中，结晶器水口（4）顶部外部分别设有上加热线圈（2）和下加热线圈（3），上加热线圈（2）和下加热线圈（3）各连接一个线圈电源（10），结晶器（5）外部四周均匀设有金属板，每块金属板上均匀安装设有若干结晶器热电偶（6），每个结晶器热电偶（6）通过在线温度采集处理器（7）将采集到的温度传递给计算机（8），计算机（8）计算升温温度后通过PLC电源控制器（9）分别控制线圈电源（10）调整加热线圈（2）和下加热线圈（3）电流和频率。
2.根据权利要求1所述的抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，其特征在于：所述上加热线圈（2）为100-120匝线圈，下加热线圈（3）为50-80匝线圈；上加热线圈（2）和下加热线圈（3）采用密封水冷的方式冷却，冷却水流量范围为0.5-5.0L/min。
3.根据权利要求1所述的抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，其特征在于：所述结晶器（5）有效长度800mm，断面为220-230mm×1000-1400mm，进出水温度为35°C和45°C；连铸坯拉速不高于1.1m/min。
4.根据权利要求1所述的抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置，其特征在于：所述结晶器热电偶（6）采用防爆铂铑热电偶。
5.一种根据权利要求1所述的抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置的应用方法，其特征在于具体步骤包括：
步骤1、将结晶器（5）和外部四周的金属板对称性取其1/4部分，1/4部分中选定6个结晶器热电偶（6），这6个结晶器热电偶（6）需要满足：均匀分布在1/4部分的中线上；6个结晶器热电偶（6）从上至下对应得到的实测温度为T1、T2、T3、T4、T5和T6，单位为K；
步骤2、当中间包钢液（1）中的高钛钢通过通道和结晶器（5）的结晶器水口（4）进入到结晶器（5）中，通过实时测定6个结晶器热电偶（6）的T1、T2、T3、T4、T5和T6温度值，根据下面公式计算得到结晶器水口（4）的下边沿上一点的温度值：
To=918.4-0.165*T1+0.92*T2-0.21*T3+0.007*T4-0.278*T5+0.405*T6；
步骤3、测试高钛钢的组成成分，确定高钛钢中TiN的理论临界析出温度，将步骤2中结晶器水口（4）的下边沿上一点的温度值To与TiN的理论临界析出温度通过计算机（8）相比较，确定好线圈电源（10）的两个电源参数值，通过PLC电源控制器（9）驱动两个线圈电源（10），使结晶器水口（4）的下边沿上一点的温度值To不低于1850k，以抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口。
6.根据权利要求5所述的抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置的应用方法，其特征在于：所述步骤2的高钛钢中N含量为0.003wt%以下。
7.根据权利要求5所述的抑制TiN夹杂物堵塞高钛钢板坯结晶器水口的装置的应用方法，其特征在于：所述PLC电源控制器（9）控制线圈电源（10）的输出电流200-1200A、电源频率50-500Hz、功率5-150kW。
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