基于电磁感应加热的新一代钢包自动开浇技术研究

论文摘要

钢包是钢铁厂用来衔接炼钢和浇铸作业盛装钢水的重要冶金容器,对连续平稳地生产有着至关重要的作用。钢包自动开浇对稳定连铸操作工艺,提高连浇率,保证钢水质量十分重要。为了减少引流砂对钢水造成污染,提高钢包的自动开浇率及钢液的洁净度,从而满足高效、节能、环保的发展要求,本文提出了一种用与钢液成分相同或相近的铁碳合金颗粒代替传统引流砂,在钢包开浇时,利用电磁感应加热的方式对钢包上水口内铁碳合金形成的封堵层进行快速全部或部分熔化,从而实现钢包自动开浇的新一代钢包自动开浇技术。该技术与传统的钢包出钢技术相比具有以下优点：（1）能够有效减少钢液中夹杂物,提高钢水的洁净度,为高附加值钢种开发创造条件；（2）可以显著提高钢包的自动开浇率,使其达到100%；（3）可以减少浸入式水口的絮流,提高生产的稳定性；（4）避免因使用引流砂而形成水溶性有毒的Cr6+对环境造成的污染,进一步实现节能减排绿色冶金生产；（5）能够在一定程度上缓解我国铬矿资源短缺,大部分依赖进口的被动局面；（6）避免外购引流砂,为企业减少生产成本,提高企业的经济效益和市场竞争力；（7）能够增加企业的自动化程度,为企业的高效生产创造条件。为了使钢包电磁感应加热出钢技术能够在工业生产中得以成功广泛应用,本文利用自行设计的热态模拟出钢实验装置对钢包上水口内固-液界面的位置控制、上水口封堵层厚度、开浇效果、座砖内温度分布进行了热态实验研究,找出电磁出钢技术中各参数的变化规律及控制方法。同时还对钢包底部结构、座砖、上水口进行了改造和设计,从而以满足钢包电磁出钢的要求。在此基础之上进行了工业试验以验证电磁出钢技术的可行性。通过以上的实验研究和工业试验得出了如下主要结论：（1）在同一条件下,使用铸铁的铁碳合金颗粒和使用铸钢的合金颗粒相比,上水口内固-液界面的下移量要大,规则球形颗粒比不规则的棱角形颗粒对固-液界面位置影响要大,钢液温度为1600℃和1620℃时粒径为2.0mm的铸铁颗粒作为上水口填充料其固-液界面位置能够进入有效加热区,出钢温度为1550。C时粒径为4.Omm的铸铁颗粒作为上水口填充料其固-液界面位置能够进入有效加热区；（2）封堵层厚度随铁碳合金颗粒碳含量的增加而变薄,随着铁碳合金颗粒尺寸的增大而增厚,不规则的棱角形颗粒比规则的球形颗粒形成的封堵层的厚度要厚,钢液温度的提高和停留时间的延长,封堵层的厚度也随着增厚,其厚度变化范围在30-66mm之间；（3）上水口填装料的形状为球形,成分为铸铁,大小为2.0mmm时,开浇时间最短为62s：电源功率在小于20kW范围内增加时,对缩短电磁出钢时间的效果要好于功率大于20kW时对缩短电磁出钢时间的效果,其效果相差5倍多；线圈顶端距坩埚底端距离h与开浇时间 t的关系呈现出指数函数的变化规律；上水口材质是石墨时其开浇时间大约是高铝质水口开浇时间的二分之一；（4）设计出了一种钢包座砖为内外组合式,感应加热线圈为内置式的可拆卸并能够实现在线维护的钢包电磁出钢装置;（5）工业试验中,线圈在0.6MPa的气冷压力条件下,基于电磁感应加热的新一代钢包自动开浇技术能够安全可靠的使用,工业试验获得成功。通过对该技术在工业上的实施效果进行了详细分析,提出了适合工业生产的技术工艺方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国钢铁工业的地位
• 1.1.2 我国钢铁工业与发达国家的差距
• 1.1.3 我国钢铁企业发展趋势
• 1.2 洁净钢的认识
• 1.2.1 洁净钢的由来
• 1.2.2 洁净钢的概念
• 1.2.3 洁净钢的发展水平及要求
• 1.2.4 洁净钢生产技术
• 1.2.5 钢中夹杂物
• 1.3 钢包出钢技术发展概况
• 1.3.1 塞棒系统的研究情况
• 1.3.2 滑动水口系统的研究情况
• 1.3.3 引流砂的种类
• 1.3.4 引流砂对钢液的危害及防范措施
• 1.3.5 铬渣产生的危害
• 1.3.6 我国的铬矿资源概况
• 1.3.7 现有开浇工艺的不足及解决办法
• 1.4 感应加热技术在冶金上的应用
• 1.5 本文研究目的意义及研究内容
• 第二章 电磁出钢基本原理及基础理论
• 2.1 电磁开浇的基本原理
• 2.1.1 电磁感应定律
• 2.1.2 焦耳—楞茨定律
• 2.1.3 电磁感应加热特征
• 2.2 电源的设计
• 2.2.1 电磁感应加热基本方程
• 2.2.2 功率因数
• 2.2.3 电源频率的确定
• 2.2.4 感应加热电源的种类
• 2.3 小结
• 第三章 电磁出钢热态实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 上水口内固-液界面位置的测量
• 3.2.1 上水口内固-液界面位置控制的重要性
• 3.2.2 上水口内固-液界面位置的测量方法
• 3.2.3 实验温度的确定
• 3.2.4 实验结果及讨论
• 3.3 上水口内封堵层厚度的测量
• 3.3.1 上水口内封堵层厚度测量的意义
• 3.3.2 上水口内封堵层厚度测量的实验方法
• 3.3.3 实验结果及讨论
• 3.4 电磁出钢效果实验研究
• 3.4.1 出钢效果实验的意义与目的
• 3.4.2 实验材料及方法
• 3.4.3 实验结果及分析
• 3.5 小结
• 第四章 钢包包底结构改造及线圈的安装
• 4.1 引言
• 4.2 钢包概述
• 4.2.1 钢包作用
• 4.2.2 钢包结构
• 4.2.3 钢包尺寸的确定
• 4.2.4 钢包实际运行工况分析
• 4.3 钢包包底及座砖改造
• 4.3.1 钢包包底设计要求
• 4.3.2 钢包包底设计方案
• 4.3.3 钢包座砖及上水口的设计方案
• 4.4 钢包电磁出钢装置中座砖温度分布研究
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 座砖温度分布实验装置
• 4.4.3 耐火隔热板隔热效果实验装置
• 4.4.4 实验结果与分析
• 4.5 电磁出钢装置中的加热线圈
• 4.5.1 电磁出钢装置中线圈的材质要求
• 4.5.2 铜合金导电性
• 4.5.3 钢包加热线圈材质设计
• 4.5.4 电源引线及快速接头设计
• 4.6 电磁出钢装置结构设计
• 4.6.1 钢包包底设计的依据及要求
• 4.6.2 内置式感应加热出钢装置的设计
• 4.6.3 内置式感应加热出钢装置的安装与维护
• 4.7 小结
• 第五章 电磁出钢工业实验
• 5.1 电磁开浇技术的工业可行性分析
• 5.1.1 实验前的准备工作
• 5.1.2 钢包上水口固-液界面测量
• 5.2 钢包电磁出钢工业前期实验
• 5.2.1 线圈风冷及加热效果
• 5.2.2 钢包底部法兰处的温度分布
• 5.2.3 线圈安装区域的温度分布
• 5.3 钢包电磁出钢工业试验
• 5.3.1 工业试验设备
• 5.3.2 工业试验方案
• 5.3.3 工业试验效果及分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 今后需要深入的工作
• 6.2.1 电磁出钢系统中材质的改进
• 6.2.2 电磁出钢系统的自动化控制
• 6.2.3 电磁出钢装置的多功能化
• 6.3 工业应用中注意的问题
• 6.4 电磁出钢技术在连铸上的应用前景展望
• 主要符号列表
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表的论文及专利
• 作者简介