连铸中间包钢液加热方式的模拟

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.01.002 第16卷第1期 北京科技大学学报 Vol.16 No.I 19942 Joumal of University of Science and Technology Beijing Feb.1994 连铸中间包钢液加热方式的模以 赵沛1) 王新江2) 王林英1) 1)北京科技大学冶金系.北京1000832)安阳钢铁公司.河南安阳455004 摘要研究采用模型实验法，以重庆特殊钢厂弧型连铸机、成都无缝钢管厂水平连铸机为原型，探 索了中间包感应加热的温度场和升温效果，实验中使用了微机采集数据，并对数据进行系统的 处理，在此基础上与电渣加热模型实验比较，结果表明：两种加热方法都可以提高中间包内的 钢液温度、只是温度分布有所不同.模拟感应加热的热效率可达8即%。对结果进行了无量纲化 处理，推算出热态中间包的温度分布· 关键词连持，感应加热，温度场！中间包，模拟 中图分类号TF777:0532.2 Study on Heating Styles in Continuous Casting Tundish by Simulation of Water Model Zhao Pei Wang Xinjing Wany Linying 1)Department of Metallurgy.USTB.Beijing 100083.PRC 2)Anyang Iron and Steel plant.Henan Anyang 455004.PRC ABSTRACT A series of tests were used to study the temperature fields and heating efficiency in the model tundish to simulate the real situation in continuous casting tundish with induction heater for the Chong Qing Special Steel Plant and Cheng Du Seamless Tubing Plant.A per- sonal computer was used in data acquisition and calculation.Based on data processing,the re- sults were compared with that of electric slag heater.It is shown that both heating methods could prevent the tundish from temperature drop.but temperature distribution is not same. The thermal efficiency of simulated induction heater is about 80%.By the analysis of dimensionless method.the temperature distribution of molten steel in the real tundish can be deducted. KEY WORDS continuous casting.induction heater,temperature field/tundish,simulation 中间包钢液温度控制对提高连铸坏质量和稳定连铸工艺具有重要的影响，国外已开发了 不同形式的中间包加热装置，能把钢液温度控制在目标值的±3℃以内，而我国目前控制 钢液温度的办法只限于预热内衬、增加热容量等，温度波动可达20~30℃以上-引.为了 1992-10-02收稿第一作：者男44岁副教校博士

第 16 卷 第 1 期 1 9 9 4 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u m a l o f U n i v e rs i t y o f S c ine ce a n d T Ce h n o l o g y Be ij i n g V o l . 1 6 N O . l F 曲 . 1 9 9 4 连 铸 中间包钢液加热方式 的模拟 赵 沛 , ) 王 新 江 2 ’ 王 林英 1’ l) 北京 科技 大 学 冶 金 系 , 北京 l ( x幻8 3 2) 安 阳钢 铁公 司 , 河 南安 阳 45 , x“ 摘要 研 究采用模 型 实验法 , 以重 庆特殊 钢厂 弧型 连铸机 、 成 都无缝钢管厂水平连铸 机为原型 , 探 索 了 中间包感应加热的 温 度 场和 升温 效果 . 实验 中使 用 了微 机采集 数据 , 并 对数据 进行系 统的 处理 , 在 此基础 上 与 电 渣 加 热模型 实验 比较 . 结果 表 明 : 两 种 加 热方法 都可 以 提 高 中间包内的 钢液温度 , 只是 温 度 分 布有 所不 同 . 模拟 感应 加 热 的 热 效率 可 达 80 % . 对结 果 进 行 了无 量纲 化 处理 , 推算出 热态中间包的 温 度分布 . 关键词 连 铸 , 感应加 热 , 温 度 场 z 中 间 包 , 模拟 中图 分类号 T r 7 7 7 ; 0 5 32 . 2 S t ud y o n H e a t i n g S t y les i n C o n t i n u o us C a s t ing T u nd i s h by S im t d a t i o n o f W a et r M o d e l z h a o 尸。 1 1’ w a , ,夕 为,红1 0 9 2 ’ w a n g 乙i , 23 , i n g ’ ) l ) eD P a rt ~ [ o f M et a ll u 甩 y , U S T B , B e ij i n g I J 旧8 3 , P R C Z ) nA y a n g lor n a n d S t e l P l a n t , H e n a n nA 声n g 4 5 , 〕只 , P R C A那T R A C T A s e ir es o f tes ts we re us ed t o s t u d y t h e t e l l l P e ra t u re if e ld s a n d h ea t i n g e if d en cy i n t h e mo d e l t u n d is h t o s im u l a te t h e rea l s it u a t i o n i n co n t i n u o us 以s t i n g tu n d is h 朝t h i n d u c t i o n h ea t e r fo r t h e C h o n g Qi n g S P面 a l S t e l P l a n t a n d C h en g D u S ea ln es s T u b i n g P l a n t . A P e r - s o n a l co m P u t e r wa s us ed i n d a ta a 闪u is iti o n a n d 以Icu l a t i o n . B a s ed o n d a ta P ro 昭 s i n g , t h e er - s u l st wc er co m p a edr w it h t h a t o f e leCt ir c s l a g h ea et r . It 1 5 s h o wn t h a t b o t h h份t ing m e l h o ds co u ld P er ve n t th e t u n d is h for m et nr P e ar t u er d or P , b u t t e l n P e 扭t u re d is t ir b u t i o n 15 n o t s a me . hT e t h e an l e if d e n cy o f s imu l a dte i n d u ct i o n h ae te r 15 a b o u t 8 0 % . B y t h e a n a l y s is o f d i r n e ll S l o ul es s me t h o d , t h e t e m P e ar t u er d i s tir b u t i o n o f mo let n s et l i n t h e ear l t u n d is h ca n be de d u C l ed . K E Y W O R I〕 5 co n t inu o us 以 s t i n g , i n d u e t i o n h雌 et r , t ern P e ra t u re if e ld / t u n d is h , s i mu al t i o n 中间包钢 液温 度控 制 对提 高 连铸 坯质量 和 稳定 连铸工 艺具 有重 要 的影 响 . 国 外 已 开 发 了 不 同形式 的 中间包 加热 装置 , 能 把钢 液温 度控 制 在 目 标 值 的 士 3 ℃ 以 内 , 而 我 国 目前 控 制 钢液 温度 的办 法 只 限 于 预热 内衬 、 增 加热容 量等 , 温 度 波动 可 达 20 一 30 ℃ 以 上 [ ’ 一 , } . 为 了 19 2 一 10 一 02 收 稿 第一 作 者 男 4 岁 副 教 授 博 士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 01. 002

Vol.16 No.1 赵沛等：连铸中间包钢液加热方式的模拟 .7. 提高铸坯质量，促进特钢连铸技术的发展，在实验室进行了中间包加热的模拟实验，研究钢 液升温及温度分布等，为进一步的热态实验提供基础， 1实验设备和方法 实验设备主要由多功能中间包、有机玻璃大包、加热系统和微机数据采集系统等组成， 如图1所示. 185 图1中间包模拟感应加热装置示意图 1-有机玻璃钢包：2-模拟中间包； 3-热电偶： 4一模拟加热器； 5-MS-1214接口板；6-微型计算机； 7-流量计； 8-水泵； 图2模拟中间包的温度测量位置示意图 9一循环水箱： 10-水加热器 Fig.2 The measurement position of the Fig.1 Schematic diagram of the simulated induction heater simulated induction heating in udish 实验的原型装置是重庆特殊钢厂弧型连铸机的T型中间包和成都无缝钢管厂水平连铸机 的矩型中间包.原型与模型尺寸比为10：0.6 实验中用水模拟钢液，用电炉丝模拟感应线圈，分 别对不同的因素如拉速、断面、加热功率等做了研究， 考察了升温效果和温度分布.为了更接近实际生产，实 验前把水加热到42℃以上，在环境温度26℃下进行 降温和加热实验，为准确地观察水温变化，把中间包分 成5个切面，如图2所示.由于中间包的对称性，故取 一半为测量对象.在大包水口、中间包出口及包内不同 位置安放19支热电偶，用微机进行温度数据采集，迅速 图3中间包模拟电渣加热装置示意图 准确地记录中间包内不同位置的温度变化·从上部至底 1一模型中间包：2-水加热器：3-温度 部的测温间距为25mm. 计；4-有机玻璃钢包；5-进水管：6- 模拟电渣加热的实验设备如图3所示，用中间包上 转子流量计；7一出水管；8-变压器油 Fig.3 Schematic diagram of the simulated 部的水加热器模拟加热电极，用变压器油模拟炉渣， electricslag heating

Vb l . 16 N 6 . 赵 沛等 : 连铸 中间包钢液加热方式 的模拟 提 高铸坯 质量 , 促 进特 钢连铸 技术 的 发展 , 在 实验室 进行 了 中间包 加 热的模 拟 实验 , 研究钢 液 升温及 温 度分布 等 , 为进一 步 的热态 实验 提供 基础 . 1 实验设备 和方 法 实验设备 主要 由多 功能 中 间包 、 有 机玻 璃大 包 、 加 热 系统 和微 机数 据采集 系 统等组 成 如 图 1 所 示 . { ’ l ’ { ! 吞 6 一 。 1 尸, 洲, 尸 丽 C , C二 flI 刀 l 了r 7 ~ 尸 尸 而 寸 1 J 11 1 1 { 厂一 尸 尸 尸 可 r 浏) ” 一 尹 洲 洲 洲 丁 ) . ! l } { . ! } …肚 『竺 7 e l「r , 2 尸门 尸 一 7 一 1门 r ~ 7尸 门几7 , 门尸 7 一 门广 7 一 」 尸厂只汁 月厂 月产 ~ 月声月 图 1 中间包模拟感应加 热装置示意 图 1一 有机玻璃钢包 ; 2一 模拟中间包 ; 3 一 热电偶 ; 4一 模拟加热器 ; 5 一 M S一 12 14 接口 板 ; 6 一微型计算机 ; 7一 流量计 ; 8一 水泵 ; 9一 循环水箱 ; 10 一 水加热器 口一一些 一一川 图 2 瑰 . 瑰 S d ” .坦 kI 神 川 州如. 1 血卿朋 l of 胶 函m “ 匕 t团 卜权 健砂 模拟 中间包的温 度测 t 位置示意 图 1 1比 m e as 眠m e nt op s i垃犯 面 血 函m 刘肠枉月 血汕即位刃 l袄 , 自粗 沁 加成汤 实验 的原型 装置是 重 庆特殊 钢厂 弧 型连铸 机的 T 型 中 间包 和 成都 无缝钢 管 厂水平 连铸机 的矩 型中 间包 . 原型 与模型 尺寸 比 为 10 : 住 6 . 实验 中用水模 拟钢 液 , 用 电炉丝 模拟感 应线 圈 , 分 别对 不 同 的 因素如 拉 速 、 断面 、 加 热功率 等做 了研 究 , 考察 了升温效 果 和温度分 布 . 为了更接 近 实际生 产 , 实 验前 把水加 热 到 42 ℃ 以 上 , 在 环 境 温 度 26 ℃ 下 进行 降温和加 热实验 . 为准确地 观 察水温 变化 , 把 中 间包分 成 5 个切面 , 如 图 2 所 示 . 由于 中间包 的对称性 , 故取 一半 为测量 对象 . 在 大 包水 口 、 中间包 出 口 及包 内不 同 位置安 放 19 支 热 电偶 , 用 微机 进行 温度 数据 采集 , 迅 速 准确地 记录 中间包 内不 同位置 的温 度变 化 . 从上部 至底 部 的测 温 间距 为 25 lr j n . 模 拟 电渣加 热的 实验设 备如 图 3 所 示 . 用 中间包上 部的水 加热 器模拟 加热 电极 , 用变压 器油模 拟炉 渣 . / 门口 图 3 中间包模拟 电渣加 热装置 示意 图 1一模型中间包 ; 2 代水加热器 ; 3一温度 计 ; 4一有机玻 璃钢包; 5一进水管 ;6 一 转子流量计 ; 7 一 出水管 ; 8一变压器油 瑰 . 3 S d 暇” . 血 血卿朋l of 血 汤m 刘肠以 已叹甘沁妇g 卜汾恤笔

.8 北京科技大学学报 1994年No.1 2结果分析和讨论 2.1加热效果 不加热时降温速度为：0.06~0.07℃/min;加热时升温速度为0.045~0.050℃/min;实 际升温速度为：0.105~0.12℃/min. 钢液热容是水热容的1/5~1/6，导热效果明显优于水，如果实际加热钢液，焦耳热产 生于钢液内部，其综合效果会大大优于模型中水的加热. 2.2温度分布 图4是实测的温度分布图，加热器出口处水温较高·由于中间包中水流的强烈运动，高 温水在出口处立刻混合于温度较低的水流，故没有较大的温度梯度；而模拟电渣加热的温度 梯度相对较大，上部较高，下部较均匀，如图5所示.这种温度分布能补偿实际中间包上部 较大的热损失. 450 470 470- 460 46.0 420 40 420 3 22 相区05一4Uy 20 :础区 图4模拟感应加热中间包中的温度分布 图5。模拟电渣加热中间包中的温度分布 Fig.4 Temperature distribution of simulated induction Fig.5 Temperature distribution of simulated heating electric slag heating 2.3热效率 在实验中分别模拟了不同加热功率、不同铸坯断面以及不同拉速下的加热，结果表明，中 间包中温度分布没有改变，只是升温效果有所区别。 在220V电压下，使用2个额定功率为2kW的加热器，实测电流7.0A,实际加热功率为 200×7.0×2=2.8kW/h.总水量280kg,水的比热容c=4.18kJ/kg·℃.假设加热产生热量全 部被水吸收，则1min水温升高： △1=Q/G·c=2800×60/280×4180=0.14℃ 式中，△一升高的温度，Q-加热功率，G-液体重量，c一水的比热容.因此，可以 求出热效率： 1=0.1125/0.14≈80.7% 2.4实验结果的无量纲化 为了将模型实验的结果推广到热态钢液，我们对实验结果进行了无量纲化处理，采用了

北 京 科 技 大 学 学 报 l望科 年 N b . 1 2 。 1 结 果分 析 和讨论 加 热效果 不加 热 时降 温速 度 为: .0 0 6一.0 07 ℃ /而 n ; 加 热 时升温 速度 为 .0 04 5一 0.0 50 ℃ /而 n ; 实 际 升温 速度 为 : 0 . 105 一 0 . 12 ℃ /~ . 钢 液热容 是 水热容 的 1 / 5 一 l / 6 , 导 热效果 明显优 于 水 . 如果 实 际 加 热 钢 液 , 焦 耳 热 产 生于 钢 液 内部 , 其 综 合效果 会大 大优 于模 型 中水 的加 热 . 2 . 2 温度分布 图 4 是实 测 的温度分 布 图 , 加 热器 出 口 处水温 较高 . 由于 中 间包 中水流 的强 烈运 动 , 高 温水在 出 口 处立 刻混 合于 温度较 低 的水流 , 故没 有较 大 的温 度梯 度 ; 而模 拟 电渣加 热 的温度 梯度 相 对较 大 , 上部 较高 , 下部 较均 匀 , 如 图 5 所示 . 这种温 度分 布能 补偿实 际中 间包上 部 较大 的热 损 失 . 芝弃二 ~ 生 一 泣二岁 - 5。 一 一 一了 一一~ ~ ~ 、 ~ ~ 划 、 2 二二 一 一一~ ~ ~ ~ 一一一二竺一 ~ 多二 / 一一奋二二二二二二二一一 / 2 3 ~ ~ ~ 、 ~ ~ - - ~ 一 目 一 2 一~ ~ — 二兰~ 2 O 权r胜 区 不下| … 上 邻了沮 医 4 ( ) 5 一 4 U 9 产 一~ 、 产一 ~ 、 图 4 模拟感应加热 中间包中的温度分布 瑰 . 4 肠期瞬” ot er 业州加面阅 of 动m侧匕回 i血b 团加 . 扭 , 吨 图 5 模拟电渣加热中间包中的温度分布 瑰 . 5 长知碑. 加比 d翻时加山刃 of 目的1” h 同 山刘刘记 由 g 卜, 垃艰 2 . 3 热 效率 在 实验 中分 别模 拟 了 不同加 热功 率 、 不 同铸 坯 断面 以 及不 同拉 速下 的加热 . 结果表明 , 中 间包 中温 度分 布没 有 改变 , 只是 升温 效果有 所 区 别 。 在 2 0 V 电压下 , 使用 2 个额定功率 为 2 k w 的加热 器 , 实测 电流 .7 O A , 实际加 热功 率 为 2 0 x 7 . 0 x Z二 2 . 8 k w / h . 总水 量 2 80 k g , 水 的 比热 容 c = 4 . 18 kJ / k g · ℃ . 假 设 加 热产生 热量全 部被 水 吸收 , 则 I n 刀 n 水 温 升高 : A t = Q / G · c = 2 80() x 60 / 2 8 0 x 4 1 80 = 0 . 14 oC 式 中 , △卜 升高 的温 度 , Q 一 加 热功 率 , G 一 液 体 重 量 , c 一 水 的 比 热 容 . 因 此 , 可 以 求 出热效 率 : 叮= 0 . 1 1 2 5 / 0 . 14 二 8 0 . 7 % 2 . 4 实验结 果的无 量纲 化 为了 将模 型 实验 的结果 推广 到热 态钢 液 , 我们 对实 验结果 进 行 了 无量 纲化处理 , 采 用 了

Vol.16 No.I 赵沛等：连铸中间包钢液加热方式的模拟 .9 无量纲形式温度，9=(t-t)/(t,-t) 式中：0-无量纲温度；【、t2-分别为上下边界温度. 在设计实验时，模型加热实验与实际中间包加热的现象是基本相似的，所以，其无量纲 形式的解是相同的，即冷态与热态的θ值是基本相同的，根据实际中间包的边界温度值，就 可以从无量纲温度场推算出整个中间包钢液的温度分布【. 3结论 (1)中间包感应加热和电渣加热对提高钢液温度是有显著效果的，模型实验中模拟感 应加热时水温升高0.105~0.12℃/min. (2)感应加热的温度场较均匀.电渣加热的中间包钢液上部温度较高，温度分布的均 匀性不如感应加热条件，但也可补偿中间包上部较大的热损失· (3)不同的工艺参数下会有不同的加热效果，但温度梯度分布规律未改变，感应加热 效率可达80%左右· (4)通过计算机采集、处理数据，将冷态结果无量纲化处理，根据热态中间包的边界 条件，可以推算出热态中间包的温度分布· 参考文献 1 Suzuki I.et al.Development of Tundish Induction Heater for High Quality Continuously Cast Blooms. Steel Making Conference Proceeding.Toronto (USA):Iron Steel Society.1988.125~131 2倪满森等.连铸过程中间罐的热工分析.钢铁研究总院学报，1988,8(3)：1~6 3 Pietro Tolve.Perspectives on Tundish Metallurgy.Steelmaking Conference Proceeding.Washington:Iron Steel Society,1986.689 ~697 4赵凤林等.连铸中间包的温度场.化工冶金，1990，(11)：369~373

V 0 1 . 16 N O . 赵 沛等 : 连铸 中间包钢液加热方式的模拟 无 量纲 形式 温度 , 口一 (卜 t , ) / ( t Z一 t , ) . 式 中 : 口一 无量 纲 温度 ; lt 、 t Z一 分 别 为上下 边界 温度 . 在设计 实验 时 , 模 型加 热 实验 与实 际中 间包加 热 的现 象 是基 本相 似 的 , 所 以 , 其无 量 纲 形式 的解是 相 同的 , 即 冷态 与热 态 的 0 值是 基本 相 同的 . 根据 实 际 中间包 的边界 温度值 , 就 可 以 从无量 纲温 度场 推算 出整 个 中间包钢 液 的温度 分布 [ 4 } . 3 结 论 ( l) 中 间包感应 加热 和 电渣 加 热对提 高钢 液温 度 是 有 显 著 效 果 的 , 模型 实验 中模 拟 感 应 加热 时水温 升高 0 . 10 5 一 0 . 12 ℃ / ~ . ( 2) 感 应加 热的 温度 场较均 匀 . 电渣加 热 的 中 间包 钢 液 上 部 温 度 较 高 , 温 度 分 布 的均 匀性不如 感应 加热条 件 , 但也 可补 偿中间包上 部较大 的 热损失 . ( 3) 不 同的工 艺参数 下 会有不 同 的加 热效果 , 但 温 度 梯 度分 布 规律 未 改 变 . 感 应 加 热 效 率可 达 80 % 左右 . ( 4) 通过计算机 采集 、 处理 数据 , 将冷 态结 果 无 量 纲 化 处理 , 根 据 热 态 中 间包 的边 界 条件 , 可 以 推算出热态 中间包的温 度分 布 . 参 考 文 献 1 5 让乱kI i l , ct al . L犯Ve 1 0 p ~ t of T 山丈出h Ind 以为o n H 份t e r fo f H ihg QaU li ty 吻 n t ln 以〕璐ly 〔址t B咖nST · S te l M a k i n g 助 n 几卿印 P 心笼刘n g . oT ro l l to (U S A ) : 加 n & S te 1 S侧 e ty . 19 咫 . 1 25 一 13 1 2 倪满森等 . 连铸过程 中 间罐 的热工分析 . 钢铁研究总 院学报 , 1 98 , 8 ( 3) : 1 一 6 3 Pi e t n 〕 oT vle . 几巧详众l璐 on T nU d地h M e alt l」r g y . S et 】nar k i n g 〔b n fe ~ P or eC ed i n g . W出恤心。 n : 加 n & S et l S o cj e yt , 1986 . 68 9 一 69 7 4 赵凤林 等 . 连铸 中间包 的温度场 . 化工 冶金 , l 塑灭! , ( H ) 二 369 一 373