CN116213692A - 一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包及浇注方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包及浇注方法，所述中间包包括中间包本体、感应加热装置及气幕挡墙装置；所述流钢通道为弧形通道；所述感应加热装置由铁芯、线圈及电源组成，所述气幕挡墙装置设于浇注区内。本发明通过建立三维非稳态数学模型，对感应加热中间包内的流场、温度场及夹杂物传输行为等进行耦合计算；将气幕挡墙技术与通道感应加热技术相结合，既解决了温降的问题，又充分发挥了两者各自的优点；解决了现有感应加热中间包浇注区内存在的流场及温度场分布不均的问题，同时还可以提高夹杂物去除率。
Description
技术领域
本发明涉及连铸中间包感应加热技术领域，尤其涉及一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包及浇注方法。
背景技术
在连铸发展的初期，中间包只是起到过渡钢水的作用。随着高品质钢种需求量的不断提高，钢水质量对连铸工艺具有越来越重要的意义。为了保证连铸工艺的顺利进行，必须保证钢水具有足够的洁净度以及稳定的温度。中间包作为由间歇操作转向连续操作的转折点，具有很重要的作用。除了传统的稳定钢液作用外，它还应该具有控制钢水洁净度以及温度的作用。
低过热度恒温稳态浇注一直是连铸工艺所追求的。但由于换包和壁面散热等原因，在浇注后期以及过渡阶段钢水的温度变化较大。如果钢水的过热度过高，铸坯内就会出现柱状晶，从而产生偏析。反之，如果钢水的过热度过低，钢水黏性升高，就会使铸坯内夹杂物增加。因此，为了减少铸坯内偏析以及夹杂物等缺陷，必须将钢水的温度控制在很小的范围内，即低过热度稳态浇注。
在连铸过程中，使用外部手段加热中间包内钢水，可以补偿钢包浇注过程中的热量损失，使钢水温度稳定可控，从而改善铸坯质量。目前应用比较广泛的主要有等离子加热和感应加热技术。其中，等离子加热技术由于加热效率低及现场噪声太大等原因已经很少使用。而通道式感应加热技术则具有加热效率高和无污染的优势，同时还具有去除夹杂物的功能。
现有通道式感应加热中间包的通道类型为直线型通道，由于钢包长水口和浸入式水口之间距离的限制，使通道的长度得不到保证，影响加热效率。针对这个问题，授权公告号为CN107096900B中国发明专利提出了“一种弧形通道感应加热中间包”，包括采集现场单流弧形通道感应加热中间包的浇铸工况参数；建立单流弧形通道感应加热中间包的三维流动传热模型，根据浇铸工况参数以及弧形通道的弧度半径计算得到单流弧形通道感应加热中间包的流场和温度场；建立单流弧形通道感应加热中间包的夹杂物碰撞长大模型，根据流场和温度场计算得到夹杂物去除率；对不同的弧度半径的单流弧形通道感应加热中间包分别执行以上步骤，对得到的每个弧度半径的单流弧形通道感应加热中间包对应的流场、温度场以及夹杂物去除率进行对比分析，最终确定单流弧形通道感应加热中间包的最佳弧度半径的范围。采用该发明所述方法，可以得出感应加热中间包在不同的弧度半径条件下对应的流场、温度场和夹杂物去除率，并通过对流场、温度场和夹杂物去除率的综合分析，确定出弧形通道的弧度半径在多大时感应加热中间包的加热效率最高以及夹杂物去除率最高，在节能的基础上最大限度的提高钢水的洁净度。然而，在计算过程中发现，该发明提出的弧形通道感应加热中间包，在较优通道半径下，浇注区还是有流速较慢及低温区域的存在，有进一步优化的空间。
授权公告号为CN111014635B的中国发明专利公开了“一种连铸通道式感应加热中间包及其控制流场方法”。中间包通过耐材分成钢液冲击区和连铸浇铸区，耐材中设有用于连通钢液冲击区和连铸浇铸区的通道，及用于对钢液冲击区和连铸浇铸区内钢水进行加热的电磁感应线圈，成钢液冲击区和连铸浇铸区内均覆有工作层；所述连铸浇铸区底部设有一个长方体的透气砖，透气砖的上表面为透气面，透气砖的一端连有铜管，铜管与外部惰性气体管道连接；所述透气砖通过工作层包裹固定于连铸浇铸区底部，且紧贴于耐材，使透气砖靠近于通道位置，透气砖的高度≤150mm，宽度为60～150mm。其通过在感应加热中间包浇注区内安装透气砖，提高钢水的均匀性和稳定性，使中间包流场的均匀性大幅提高，有效降低中间包底部“短流”现象对浇铸口的负面影响。然而，其只计算了安装透气砖前感应加热中间包内流场，并没有计算安装透气砖后的流场，也没有相应的实验数据支撑，因此无法体现其对感应加热中间包内流场均匀性以及短路流的改善效果。
鉴于以上现有技术中存在的不足，本发明在发明专利CN107096900B和CN111014635B的基础上，开发出一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包及浇注方法，通过建立三维非稳态数学模型，对感应加热中间包内流场、温度场及夹杂物传输行为等进行耦合计算，从而使中间包内钢液流动更合理，温度分布更均匀，夹杂物去除率更高。
发明内容
本发明提供了一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包及浇注方法，通过建立三维非稳态数学模型，对感应加热中间包内的流场、温度场及夹杂物传输行为等进行耦合计算；将气幕挡墙技术与通道感应加热技术相结合，既解决了温降的问题，又充分发挥了两者各自的优点；解决了现有感应加热中间包浇注区内存在的流场及温度场分布不均的问题，同时还可以提高夹杂物去除率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，包括中间包本体、感应加热装置及气幕挡墙装置；所述中间包本体包括壳体及设于壳体内的注流区、耐材隔墙及浇注区，耐材隔墙用于分隔注流区及浇注区；耐材隔墙内设流钢通道，流钢通道的两端分别与注流区、浇注区相连通；所述流钢通道为弧形通道；感应加热装置由铁芯、线圈及电源组成，铁芯设于耐材隔墙内，并且套设于其中一条弧形通道的外周，铁芯的内侧芯柱上缠绕线圈，线圈的通电端连接外部的电源；所述气幕挡墙装置设于浇注区内，气幕挡墙装置另一侧的浇注区底部设浇注水口。
进一步的，所述弧形通道为2条，在耐材隔墙的两侧对称设置。
进一步的，所述感应加热装置在线圈的外侧设非磁不锈钢保护套，非磁不锈钢保护套的外侧设风冷通道，风冷通道与外部的冷却风管道相连。
进一步的，所述感应加热装置还包括加热控制系统；加热控制系统具有加热功率调节、温度检测、温度显示和记录功能。
进一步的，所述电源为单向工频交流电源。
进一步的，所述壳体由内向外依次包括工作层、永久层和钢板层；壳体及非磁不锈钢保护套在铁芯穿过处分别设绝缘材料隔离层。
基于一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包的浇注方法，包括：
精炼后的钢液从钢包长水口进入注流区，在注流区短暂停留后通过弧形通道进入浇注区，经浇注水口进行浇注；
当需要对钢液进行加热时，启动感应加热装置产生交变磁场，通过在钢液内产生感应电流和焦耳热直接对钢液进行加热；
加热后的钢液流出弧形通道后到达气幕挡墙装置处，在气幕挡墙的作用下向上流动到达液面，然后向周围扩散；
钢液在靠近弧形通道的浇注区一端形成回流区域，增强了该区域内钢液的混合效果；靠近浇注水口一端的钢液沿浇注区壁面向下流动，从浇注区底部流向浇注水口进行浇注；
在浇注的不同阶段，根据加热控制系统的温度反馈选取不同的功率档位；加热过程中通过风冷通道对感应加热装置进行通风冷却。
进一步的，所述气幕挡墙的吹气流量为1.75～3.03m3/h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过建立三维非稳态数学模型，对感应加热中间包内流场、温度场及夹杂物传输行为等进行耦合计算；在此基础上改进现有技术中存在的不足；
2)采用气幕挡墙技术，明显改善了钢液的流动特性，延长钢液的停留时间，促进夹杂物的上浮去除；解决了现有感应加热中间包浇注区内存在的流场及温度场分布不均的问题，同时提高了夹杂物去除率；
3)由于采用气幕挡墙技术时需吹入气体，造成中间包内钢液温度降低，不利于低过热度稳态浇注；本发明将气幕挡墙技术与通道感应加热技术结合使用，既可以解决温降的问题，又可以充分发挥气幕挡墙技术与感应加热技术各自的优点；使感应加热中间包浇注区内钢液流动更合理，温度分布更均匀，死区体积更小，更有利于夹杂物的去除。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明所述一种弧形通道气幕挡墙感应加热中间包的结构示意图。
图2是本发明所述感应加热装置和气幕挡墙装置的原理图。
图3是对比例无气幕挡墙弧形通道感应加热中间包的侧面速度矢量及温度分布图。
图4是实施例1有气幕挡墙弧形通道感应加热中间包的侧面速度矢量及温度分布图。
图5是实施例2有气幕挡墙弧形通道感应加热中间包的侧面速度矢量及温度分布图。
图6是实施例3有气幕挡墙弧形通道感应加热中间包的侧面速度矢量及温度分布图。
图7是对比例及实施例1-3中弧形通道感应加热中间包内夹杂物去除率对比图。
附图标记说明：
图中：1.感应加热装置 2.耐材隔墙 3.弧形通道 4.注流区 5.钢包长水口6.浇注区 7.浇注水口 8.铁芯 9.线圈 10.电源 11.风冷通道 12.气幕挡墙装置
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1、图2所示，本发明所述一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，包括中间包本体、感应加热装置1及气幕挡墙装置12；所述中间包本体包括壳体及设于壳体内的注流区4、耐材隔墙2及浇注区6，耐材隔墙2用于分隔注流区4及浇注区6；耐材隔墙2内设流钢通道，流钢通道的两端分别与注流区4、浇注区6相连通；所述流钢通道为弧形通道3；感应加热装置1由铁芯8、线圈9及电源10组成，铁芯8设于耐材隔墙2内，并且套设于其中一条弧形通道3的外周，铁芯8的内侧芯柱上缠绕线圈9，线圈9的通电端连接外部的电源10；所述气幕挡墙装置12设于浇注区6内，气幕挡墙装置12另一侧的浇注区6底部设浇注水口7。
进一步的，所述弧形通道3为2条，在耐材隔墙2的两侧对称设置。
进一步的，所述感应加热装置1在线圈8的外侧设非磁不锈钢保护套，非磁不锈钢保护套的外侧设风冷通道11，风冷通道11与外部的冷却风管道相连。
进一步的，所述感应加热装置1还包括加热控制系统；加热控制系统具有加热功率调节、温度检测、温度显示和记录功能。
进一步的，所述电源10为单向工频交流电源。
进一步的，所述壳体由内向外依次包括工作层、永久层和钢板层；壳体及非磁不锈钢保护套在铁芯8穿过处分别设绝缘材料隔离层。
基于本发明所述一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包的浇注方法，包括：
精炼后的钢液从钢包长水口5进入注流区4，在注流区4短暂停留后通过弧形通道3进入浇注区6，经浇注水口7进行浇注；
当需要对钢液进行加热时，启动感应加热装置1产生交变磁场，通过在钢液内产生感应电流和焦耳热直接对钢液进行加热；
加热后的钢液流出弧形通道3后到达气幕挡墙装置12处，在气幕挡墙的作用下向上流动到达液面，然后向周围扩散；
钢液在靠近弧形通道3的浇注区6一端形成回流区域，增强了该区域内钢液的混合效果；靠近浇注水口7一端的钢液沿浇注区6壁面向下流动，从浇注区6底部流向浇注水口7进行浇注；
在浇注的不同阶段，根据加热控制系统的温度反馈选取不同的功率档位；加热过程中通过风冷通道11对感应加热装置1进行通风冷却。
进一步的，所述气幕挡墙的吹气流量为1.75～3.03m3/h。
本发明所述一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，由感应加热装置1、耐材隔墙2、弧形通道3、注流区4、钢包长水口5、浇注区6、浇注水口7等组成。所述感应加热装置1包括铁芯8、线圈9、电源10、加热控制系统及风冷通道11等组成。所述电源10优选为单向工频交流电源，加热控制系统具有功率调节、温度检测、温度显示和记录等功能，用于感应加热装置2的调控和温度显示。感应加热装置1采用风冷的冷却方式，安全高效。气体通过气幕挡墙装置12进入中间包的浇注区6。
铁芯8套设在某一弧形通道3的外围，缠绕在铁芯8内侧芯柱上的线圈9位于2个弧形通道之间。由于非磁不锈钢保护套和中间包的壳体都被铁芯匝链，为防止在其中产生的感应电流形成回路，两者与铁芯8之间的缝隙都需要由绝缘材料进行隔离。
所述注流区4和浇注区6之间由耐材隔墙2分隔，耐材隔墙2的内部设置感应加热装置1的铁芯8及线圈9，在耐材隔墙2的两侧分别设置弧形通道3，注流区4的钢液通过弧形通道3进入浇注区6，气体通过气幕挡墙装置12进入浇注区6，最后钢液通过浇注水口7进行浇注。
为使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚，现对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。但以下所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
【实施例1】
如图4所示，本实施例中，一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包为45t单流板坯连铸中间包，当质量流量为3.3t/min、加热功率为800kW、吹气流量为1.05m3/h时，精炼后的钢液从钢包长水口进入注流区，温度控制在1823K，短暂停留后进入弧形通道。由于大部分的焦耳热都分布在弧形通道内，钢液流过弧形通道时被迅速加热。加热后钢水流出弧形通道后到达气幕挡墙位置，由于吹气量较小，气泡带动钢液上升的力度较小，在吹气位置左侧(图示方向)靠近中间包底部形成回流，一部分钢液直接流向出口，形成短路流。而另一部分钢液由于上升力度较小，还没来得及上升到钢液上表面就开始向下流动，钢液流动路径缩短，停留时间减少，在浇注区的A区域(如图4所示)钢液流速较慢，容易形成死区。
本实施例浇注区内温度分布比较均匀，温差不超过2K，与不采用气幕挡墙的对比例(如图3所示)相比，温度分布更加均匀，低温区进一步减小。
本实施例中，气幕挡墙的吹气流量仅为1.05m3/h，由于吹气流量较小形不成有效气幕，夹杂物去除率提高幅度不大。
【实施例2】
如图5所示，本实施例中，一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包为45t单流板坯连铸中间包，当质量流量为3.3t/min、加热功率为800kW、吹气流量为1.75m3/h时，入口温度为1823K，钢液流到气幕挡墙位置后，向上流动到达液面然后向周围扩展，气幕挡墙靠近出口一侧，一部分钢液到达浇注区前壁面后沿着壁面向下流动，然后沿着底部流向出口，大大延长了流动路径，停留时间有效延长。在气幕挡墙靠近通道一侧，形成回流区域，增强了钢液的混合，有利于夹杂物的碰撞长大，且液面处钢液流动平稳，不会引起卷渣现象。
本实施例中的吹气流量大于实施例1的吹气流量，由于吹气流量的提高，形成了有效气幕，中间包内流场、温度场及夹杂物去除率得到持续改善。
本实施例浇注区内温度分布比较均匀，温差不超过2K，与不采用气幕挡墙的对比例相比，温度分布更均匀，低温区进一步减小。
【实施例3】
如图6所示，本实施例中，一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包为45t单流板坯连铸中间包，当质量流量为3.3t/min、加热功率为800kW、吹气流量为3.03m3/h时，入口温度为1823K，钢液流到气幕挡墙位置后，大量上浮的气泡开始带动钢液以较大的速度向上流动，在液面处以较大的速度向四周扩展，容易引起液面波动，造成卷渣现象。
本实施例浇注区内温度分布比较均匀，温差不超过2K，与不采用气幕挡墙的对比例相比，温度分布更均匀，低温区进一步减小。
本实施例中，气幕挡墙的吹气流量增大至3.03m3/h后，夹杂物去除率提高幅度减缓。
对比例及实施例1-3中弧形通道感应加热中间包内夹杂物去除率对比如图7所示,从左至右依次对应对比例、实施例1、实施例2及实施例3。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，包括中间包本体、感应加热装置及气幕挡墙装置；所述中间包本体包括壳体及设于壳体内的注流区、耐材隔墙及浇注区，耐材隔墙用于分隔注流区及浇注区；耐材隔墙内设流钢通道，流钢通道的两端分别与注流区、浇注区相连通；其特征在于，所述流钢通道为弧形通道；感应加热装置由铁芯、线圈及电源组成，铁芯设于耐材隔墙内，并且套设于其中一条弧形通道的外周，铁芯的内侧芯柱上缠绕线圈，线圈的通电端连接外部的电源；所述气幕挡墙装置设于浇注区内，气幕挡墙装置另一侧的浇注区底部设浇注水口。
2.根据权利要求1所述的一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，其特征在于，所述弧形通道为2条，在耐材隔墙的两侧对称设置。
3.根据权利要求1所述的一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，其特征在于，所述感应加热装置在线圈的外侧设非磁不锈钢保护套，非磁不锈钢保护套的外侧设风冷通道，风冷通道与外部的冷却风管道相连。
4.根据权利要求1所述的一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，其特征在于，所述感应加热装置还包括加热控制系统；加热控制系统具有加热功率调节、温度检测、温度显示和记录功能。
5.根据权利要求1所述的一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，其特征在于，所述电源为单向工频交流电源。
6.根据权利要求1所述的一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包，其特征在于，所述壳体由内向外依次包括工作层、永久层和钢板层；壳体及非磁不锈钢保护套在铁芯穿过处分别设绝缘材料隔离层。
7.基于如权利要求1～6任意一种所述单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包的浇注方法，其特征在于，包括：
精炼后的钢液从钢包长水口进入注流区，在注流区短暂停留后通过弧形通道进入浇注区，经浇注水口进行浇注；
当需要对钢液进行加热时，启动感应加热装置产生交变磁场，通过在钢液内产生感应电流和焦耳热直接对钢液进行加热；
加热后的钢液流出弧形通道后到达气幕挡墙装置处，在气幕挡墙的作用下向上流动到达液面，然后向周围扩散；
钢液在靠近弧形通道的浇注区一端形成回流区域，增强了该区域内钢液的混合效果；靠近浇注水口一端的钢液沿浇注区壁面向下流动，从浇注区底部流向浇注水口进行浇注；
在浇注的不同阶段，根据加热控制系统的温度反馈选取不同的功率档位；加热过程中通过风冷通道对感应加热装置进行通风冷却。
8.根据权利要求7所述的一种单流弧形通道气幕挡墙感应加热中间包的浇注方法，其特征在于，所述气幕挡墙的吹气流量为1.75～3.03m3/h。
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