利用电磁感应加热的钢包出钢技术工业应用的可行性研究

摘要

钢包的顺利开浇是保证连铸生产正常运转的重要环节。新型电磁出钢技术使用与钢液成分相同或相近的Fe-C合金颗粒代替引流砂，通过置入钢包底部的感应加热线圈来加热水口内的Fe-C合金颗粒并使其迅速熔化，从而实现钢包自动开浇的目的。与传统的出钢方式相比，电磁出钢技术不仅避免了引流砂对钢液及环境的污染、提高了钢液的洁净度、在一定程度上缓解了我国铬矿资源短缺的局面，而且该技术可以使钢包的自开浇率达到100％、减少了生产成本、提高了企业的经济效益和市场竞争力。 为了将电磁出钢技术的实验室研究成果应用于工业生产之中，本文结合某钢厂连铸生产所用110t钢包的出钢工艺流程，首先，利用数值计算和工业实验的方法考察了电磁出钢技术工业化的两个必要条件(Fe-C合金对钢液的封堵作用和感应加热装置对Fe-C合金的熔化效果)，得到一组电磁出钢系统用感应加热装置的设计参数。其次，根据上述设计参数制造了一套适用于某钢厂连铸生产用110t钢包的电磁出钢系统，并通过数值模拟和工业实验的方法验证了该系统的可行性和可靠性。再次，根据某钢厂的工艺要求设计了一套电磁出钢系统改造方案并以此方案为纲完成系统的组装及调试。最后，制定了一套适用于电磁出钢系统的钢包开浇工艺，完成了大型工业实验前的所有准备工作，并取得初步成功。 本文所得的主要结论如下: (1)通过“接砂法”和“倒钢法”工业实验分别考察了Fe-C合金的封堵效果、Fe-C合金封堵层的位置及厚度。研究结果表明，填充在水口内的Fe-C合金颗粒在高温钢液的作用下能够形成封堵层，并有效地起到对钢液的封堵作用;调整Fe-C合金的成分、尺寸和形状均可有效地提高封堵层的底面位置;当使用10#钢制成的圆柱状(直径，2.0mm;高，2.0mm)Fe-C合金时，封堵层底面与上滑板顶面之间的距离为231 mm、封堵层的厚度为130mm、封堵层的顶面与水口座砖顶面之间的距离为154mm，满足线圈的布置对Fe-C合金封堵层的位置及厚度要求。 (2)利用实验和数值模拟方法分别分析了自行设计的电磁出钢系统用1.5t钢包的出钢过程，并对比验证了计算模型的正确性。在此基础上考察了110t钢包用电磁出钢系统所使用线圈的工况温度，并通过在线圈内侧及顶部布置一层厚度为20mm、导热系数为0.03W/(m·℃)的隔热材料的方法，使线圈的最高工况温度由1187℃降为467℃，保证线圈可以在高温水口座砖内正常使用。 (3)使用数值模拟方法考察了线圈及电源参数对110t电磁出钢系统用钢包开浇效果的影响，经对比后得到一组适用于某钢厂110t钢包的电磁出钢系统所用的感应线圈和电源参数。研究表明，线圈管材为铜质、管材形状为长方形(长为18mm，宽为10mm)、壁厚为2mm、线圈半径为120mm、线圈长度为130mm及线圈与钢液面之间距离为150mm;且电源输出的电流强度为150A及电源频率为16kHz时，系统可以顺利出钢。该参数的确定为后续系统用感应加热线圈及电源的设计提供了理论依据。 (4)根据所得的设计参数制造了适用于某钢厂110t钢包的电磁出钢系统、搭建了系统测试平台，并通过小型工业实验初步考察了该系统的使用效果。考察结果表明，该系统工作120秒后，水口内Fe-C合金封堵层的最低温度值高于1543℃，水口内烧结的Fe-C合金可以顺利熔化，进而初步验证了系统的可行性;电磁出钢系统所用钢包的热稳定性与传统钢包的一致，钢包各内衬材料、置入的隔热材料及感应加热线圈均满足材料的结构安全性要求，进而初步验证了系统的可靠性。 (5)根据某钢厂连铸生产对钢包开浇工艺的技术要求并结合电磁出钢技术自身的特点，设计了一套可将传统钢包出钢系统改造成电磁出钢系统的方案并制定适用于电磁出钢系统的工艺路线。在此基础上完成了对原出钢系统的改造及电磁出钢系统的组装及调试，最后通过大型工业实验进一步验证了所设计的电磁出钢系统的可靠性和可行性。该部分工作的完成为日后的大型工业实验及电磁出钢技术的推广奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章序言

1．1研究背景

1．1．1我国钢铁工业的现状

1．1．2我国钢铁工业的不足

1．1．3我国钢铁工业发展趋势

1．2传统的钢包出钢技术

1．2．1钢包出钢技术简介

1．2．2钢包出钢技术发展历程

1．2．3现用的钢包出钢技术的不足

1．3新型电磁出钢技术

1．3．1新型电磁出钢技术简介

1．3．2电磁出钢技术的研究现状

1．3．3电磁出钢技术的发展及难题

1．4本研究的目的、意义及内容

第二章研究方法与技术手段

2．1本文的研究方法

2．1．1工业试实验及数值计算研究的优缺点

2．1．2研究方法的确定

2．2本文的技术手段

2．2．1实验部分

2．2．2模拟部分

第三章Fe-C合金封堵层的厚度与固液界面位置研究

3．1引言

3．2 Fe-C合金封堵层位置的测量方法

3．2．1实验方法介绍

3．2．2钢液的温度选择

3．3 Fe-C合金的封堵效果的检验

3．4 Fe-C合金封堵层底面位置的影响因素分析

3．4．1 Fe-C合金成分对封堵层位置的影响

3．4．2 Fe-C合金颗粒尺寸对封堵层位置的影响

3．4．3 Fe-C合金颗粒形状对封堵层位置的影响

3．5 Fe-C合金封堵层的位置与厚度确定

3．6小结

第四章电磁出钢系统用加热系统的设计

4．1引言

4．2研究方法

4．2．1实验方法

4．2．2模拟方法

4．2．3模型验证

4．3线圈的布置方式与参数设计

4．3．1线圈的布置方式

4．3．2感应加热线圈的设计

4．4电源的设计

4．4．1电流强度的确定

4．4．2电源频率的确定

4．5小结

第五章电磁出钢系统可行性及可靠性分析

5．1引言

5．2系统的可行性分析

5．2．1实验方法

5．2．2实验结果与讨论

5．3系统的可靠性分析

5．3．1系统未工作时

5．3．2系统工作时

5．4小结

第六章电磁出钢系统的工业中试实验验证

6．1引言

6．2系统的施工方案设计

6．2．1方案设计的原则

6．2．2钢包的改造方案

6．2．3座砖的改造方案

6．2．4电源的布置方案

6．3装置的准备及系统的安装

6．3．1装置的准备

6．3．2系统的安装

6．4电磁出钢工艺流程设计

6．5系统的可靠性和可行性测试

6．5．1系统的可靠性测试

6．5．2系统的可行性测试

6．6小结

第七章结论与展望

7．1本文的主要结论

7．2技术展望

7．2．1需进一步完善的工作

7．2．2技术的前景与展望

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