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宝钢炼钢厂连铸中间包钢水温度的研究

对宝钢炼钢厂中间包钢水进行了连续测温试验, 分析了连续测温和点测温度测试结果及中间包钢水温度变化规律。点测温度不能真实反映钢包换浇时中间包钢水温度的变化规律, 可采用连续测温加以解决。

1 前言

全连铸生产体制的实现及高速连铸技术的不断深入, 人们逐渐认识到中间包对钢水温度的影响是不容忽视的。为使连铸过程顺利进行并保证铸坯质量, 中间包内钢水温度必须控制准确, 温度控制的焦点是钢水过热度, 要确定合适的过热度, 必须充分了解中间包的热状态及钢水温降的规律。 中间包最基本的功能是存储钢水、分配钢水、稳定钢水静压力、促使夹杂物上浮等。为强化中间包冶金, 国外从80年代中期大力发展中间包冶金学, 相继出现中间包容量大型化、中间包筑挡墙、中间包喂线以及中间包加热技术等。这些新技术无一不对中间包钢水温度产生影响,从而使人们更重视中间包这一冶金容器并对中间包钢水温度的研究愈加深入。

2 宝钢炼钢厂连铸中间包热状态测试方案

目前大多数企业尚不具备中间包连续测温的条件, 国内研究人员对中间包内钢水温度的连续变化还没有进行过系统的研究, 通常都是基于非连续点测温度条件下所获得的中间包内钢水温度数据进行数值分析以及数学模拟。实际生产中, 中间包内不同位置、不同深度处的钢水温度差别明显。在非连续点测温度条件下, 每次测温枪插入中间包内钢水的位置和深度或多或少总有些差别, 不能完全准确地反映两次测温之间温度的实际偏差。特别是在钢包换包浇注时, 该阶段正是中间包内钢水液面发生高-低-高的波动变化的时刻, 新一包钢水注入中间包, 包内钢水温度变化最快, 温度的高低直接影响到开浇、连浇等工艺操作的顺利进行。因而搞清楚这一时期中间包内钢水温度的变化规律对于更好地指导连铸, 乃至整个炼钢厂各工序的时间、温度控制都有重要的意义。

1997年8 月宝钢炼钢厂在2号连铸机中间包上对 8 包钢水进行了连续测温的现场试验, 获得了较好的全过程的各项数据。该连续测温装置被称作Heraeus Electro2Nite Contitherm系统。测温时, 探头需插入钢液面下300 mm , 探头在连续工作情况下的寿命为 24 h。从探头到信号处理装置的信号连接件为耐高温设计, 不要求空冷来维持其精确度和机械整合性。信号处理装置对从测温探头传来的信号进行计算、处理和显示, 并可将数据送往计算机、 打印机或远程显示仪。在实际生产中可根据各厂的不同需要, 对数据进行转换, 然后送入 4~ 20 mA记录仪、BCD计算机等。

在连续测温试验过程中, 为保证试验装置不影响现场工人的操作, 确保生产的顺利进行, 将其安装在实际生产中工人进行点测温度位置的另一侧, 中间包水口附近, 如图 1 所示。 受试验条件所限, 未能将试验所得数据直接输入计算机或其他记录仪器, 现场所有试验数据只能通过人工记录, 每间隔 2min记录一次连续测温数据以及其他相关数据, 在每次点测温度时也同时记录点测温度数据、连续测温数据及其他相关数据。

钢包、中间包、连续测温装置以及人工测温枪相对位置

宝钢炼钢厂中间包为对称设计, 可认为中间包内流场、温度场也呈对称分布, 在测温枪插入钢液深度与连续测温探头的插入深度大致相同的情况下, 连续测温和人工点测所获得的数据二者间存在较好的可比性。

3 测试结果及分析

3.1中间包钢水温度、钢水过热度及其波动

在整个浇次中, 中间包内钢水过热度如图 2 所示。在该浇次浇注约6 h 里, 中间包内钢水过热度变化很大。过热度最大值出现在连浇第 6 包的浇注初期, 为36 ℃; 过热度最小值出现在连浇第2包与第3包换包浇注期间, 为11 ℃。在浇注过程中, 中间包内钢水温度既有明显的高温段出现, 又有明显的低温段出现。其中, 共出现了 3 次中间包内钢水温度的 高温时段, 中间包内钢水过热度在 35 ℃上下波动, 与目标过热度有 10 ℃以上的偏差。而其余大部分时间, 中间包内的钢水温度出现持续下降的现象, 温度下降的速率快, 持续时间长, 使中间包内钢水过热度 几乎总是比中间包内钢水目标过热度低 7~ 8 ℃, 甚至出现低于目标过热度 15 ℃的情况。这一温度变化趋势只是在换包浇注时才有可能得到缓解。

中间包内钢水过热度变化

从另一个角度看, 最大过热度、最小过热度与中间包内钢水目标过热度之间的差值分别为+ 11 ℃ 和- 14 ℃, 即过热度的波动值为25 ℃, 不利于生产的顺行以及保证铸坯的质量, 国外先进的钢厂都将中间包内钢水过热度波动控制在0~ 5 ℃范围内。宝钢炼钢厂目前生产条件下离这一目标还有很大的距离。

3.2 单炉浇注过程中间包内钢水温度变化

受各种不同因素的影响, 钢包到台钢水温度不尽相同。同时, 随着连浇包次的增多, 中间包本身的热状态也随之发生变化, 必然会对中间包内钢水温度的变化产生影响, 使得其内的钢水温度在连浇第1包、第2包以至其后各包钢水浇注过程中的变化规律不一样。所以在考察一包钢水对中间包内钢水温度影响时, 实际上也是对整个浇次的情况进行了研究。

从开始进行连续测温起, 中间包内钢水温度就已开始上升, 升温速率约为112 ℃/min。结合人工点测温度数据可以发现, 中间包内钢水温度在钢包开浇约7min后开始升温。这说明, 在钢包开浇后的7 min内, 流出的钢水是钢包底部和边缘温度较低部分的钢水, 此时中间包内壁温度较低, 大量吸热, 中间包内钢水的温度必然较低。随着中间包壁蓄热量的增加, 中间包壁从钢水吸收的热量也逐渐减少, 加之钢包内处于中部的高温钢水也逐渐流入中间 包, 钢水温度开始逐渐上升。随着浇注过程的继续进行, 钢包还进行对外的辐射散热等, 钢包内钢水温度逐渐降低, 中间包内钢水温度也随之逐渐降低, 降温速率为0.5℃/min。直至第2包钢水开浇。

其后连浇第2、第3、第5、第6以及第8包钢水浇注过程中间包内钢水温度变化情况同样显示在浇注过程中均有明显的钢水温度低-高-低的变化规律。各包钢水浇注过程中的升温速率、降温速率、最高温度出现时间点等数据列于表1。

部分包次钢水浇注过程温度变化

由表1可看出, 在钢包开浇以后, 中间包内钢水温度迅速上升, 升温速率可高达2 ℃g min以上。在浇注进行约8 min 时, 中间包内钢水温度到达最大值, 并在这一温度区间维持或小范围波动约7~ 9 min。在钢包钢水注出约1/2 后, 中间包内钢水温度开始缓慢下降, 降温速率远远低于浇注初期的钢水升温速率, 直至下一包钢水开浇, 进入另一个循环。

以往研究结论认为中间包内钢水温度变化规律为: 钢包开浇后中间包内钢水温度经历降温-升温-稳定-降温的变化过程。而本次实验所得图表中可以发现上述各包次在开浇以后均未出现先降温再升温的现象。可以认为造成这一现象的主要原因是到达连铸平台的各钢包包内钢水温度普遍偏高。上述第2、第3、第5、第6以及第8包次的钢包到台温度均在1570 ℃以上, 更有两包次到台温度超过1580 ℃, 且各包次到台温度均高于作为开浇包的第 1 包钢水的到台温度。这反映了前工序温度制度执行情况不好, 致使连铸工序中间包内钢水温度偏高, 直接影响了连铸的生产操作。

同样, 第4、第7包钢水浇注过程中中间包内钢水温度出现持续下降的现象仍然是由于前工序温度控制不好造成的。由于第3、第6连浇包钢水钢包内温度太高, 以至于在浇注末期钢包内钢水温度仍维持在一个很高的水平, 使得中间包内钢水温度上升了很多。而第4、第7包钢水钢包内钢水到达连铸平台时温度不高, 浇注时钢水又经过在钢包内的散热、铸流的散热, 到达中间包时温度已经低于了中间包内钢水原来的温度, 经混合、吸热, 使中间包内钢水温度下降较多。

3.3 换包浇注时中间包内钢水温度的变化

换包浇注时获取中间包内钢水温度的数据较为困难, 但通过中间包内钢水的连续测温则可方便的测得这些重要的数据。

在正常浇注过程中, 中间包内钢水温度在两包钢水交换浇注时受前后两包钢水的共同影响, 温度变化很大。一般情况下, 前一包钢水在浇注末期温度已相对较低, 从而导致中间包内钢水在一包钢水浇注的末期温度越来越低。在一包钢水停浇到另一包钢水开浇的这几分钟里, 中间包内钢水量迅速减少, 中间包内钢水温度继续下降。当新的一包钢水开浇后, 新钢包内的钢水迅速注入中间包内, 使中间包很快将储钢量恢复到上一个钢包停浇前的水平。此时中间包内钢水温度将出现不同的情况, 若钢包内钢水温度很高, 中间包内钢水温度就会随新钢包钢水的注入而迅速上升; 反之, 则中间包内钢水温度将继续下降。

从数据分析还可以看出, 因点测温度不能保证及时获得所需温度数据, 仅通过2、3个点测温度来判断中间包内钢水温度在钢包交换过程中的变化情况是很不准确的。例如在第 2包浇注结束、第3包开始浇注的一段时间里, 中间包内钢水温度实际下降了6 ℃, 而通过考察点测温度得到的结论却是, 在这一期间中间包内钢水温度没有发生任何变化。其他几个换包过程的点测温度数据与连续测温所获得的数据所反映的温度变化规律也不尽相同。造成这一现象的主要原因是换包期间中间包内点测间隔时间太长, 而这一区间内钢水温度变化迅速, 点测温度不能真实的反映在换包浇注过程中(新包开浇前后10 min内)中间包内钢水温度的变化规律。由此不难看出, 宝钢炼钢厂目前中间包内钢水温度不稳定主要体现在两包钢水换包浇注时, 中间包内钢水温度发生大的变化, 不仅温度值变化大, 更为主要的是使温度变化的方向由降温突然向升温转变, 使得中间包内钢水温度呈现忽高忽低、温度波动 忽大忽小的现象。

4 结论

(1) 中间包内钢水温度和钢水过热度波动较大, 过热度最大值为36 ℃, 最小值为11 ℃; 中间包钢水温度周期性地出现升温段和降温段, 而没有看到明显的温度保持平台。

(2) 就到台的每包钢水而言, 钢包钢水开始转注后, 中间包钢水温度在钢包开浇约7 min后开始升温, 钢包浇注约1/2后中间包钢水温度随之逐渐降低, 直至第2包钢水开浇, 周而复始地出现上述温度变化。

(3) 在该浇次的整个浇注过程中, 中间包内钢水温度整体偏高, 能源利用不合理。

(4) 点测温度不能真实反映换包过程中间包内钢水温度变化规律, 而连续测温则能反映该过程温度变化规律。