攀 鋼 技 術(shù) 5 中間包等離子加熱技術(shù) 的 發(fā)展 潘 紅，曾建華，吳國榮，陳 永 ，李志強(qiáng) （ 攀鋼 集團(tuán)研究院有限公司 ） 摘 要： 低過熱度的恒溫澆鑄對(duì)改善鑄坯質(zhì)量和穩(wěn)定操作起著重要的作用 ,中間包 等離子加熱技術(shù)能夠及時(shí)補(bǔ)充中間包鋼水的溫降、精確地控制最佳過熱度。 闡述了中間包等離子加熱技術(shù)的原理、國內(nèi)外發(fā)展概況 以及 應(yīng)用效果，分析了攀鋼相關(guān)現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上， 提出 增設(shè)中間包等離子加熱裝置 的建議 ，以 達(dá)到 提高鑄坯質(zhì)量 、降本增效的目的 。 關(guān)鍵詞： 中間包 ； 等離子加熱 ； 鑄坯質(zhì)量 0 引 言 在連鑄過程中 ，隨著澆注時(shí)間的延長，中間包內(nèi)鋼水的溫度 不斷 降低 ，而分流也會(huì)引起各流之間的溫差。 中間包鋼水溫度過低會(huì)使邊流絮流以及中間包鋼水凍結(jié)，因此需要提高中間包的鋼水溫度。通常是通過提高轉(zhuǎn)爐鋼水溫度，或經(jīng)過 煉提高鋼水溫度來保證較高的鋼水過熱度來解決中間包溫度過低的問題，但是高過熱度降低了澆注速度， 降低了 鑄坯等軸晶率， 影響鑄坯質(zhì)量 。 因此，不提高鋼水的過熱度，在中間包采取外部加熱的方法及時(shí)補(bǔ)償中間包散熱損失引起的中間包鋼水溫度下降，從而保持低過熱度的恒溫澆注將是一個(gè)理想的方法。 對(duì)中間包鋼水進(jìn)行外部加熱的方法很多，例如化學(xué)法加熱、電弧加熱、感應(yīng)加熱等 ，然而采用化學(xué)方法加熱易造成鋼水污染 ； 采用電弧加熱其電弧電極系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置困難 ； 另外石墨電極對(duì)鋼水有增碳效應(yīng) ； 采用感應(yīng)加熱法反應(yīng)較慢，而且加熱溫度場(chǎng)不易與中間包鑄流結(jié)合。 中間包等離子加熱技術(shù)克服了以上加熱方法的缺點(diǎn)，是一種高效率、節(jié)能耗、清潔的中間包加熱方法 ，能夠?qū)崿F(xiàn)恒溫、低過熱度澆注，從而提高鑄坯質(zhì)量 。 1 中間包等離子加熱技術(shù) 離子加熱技術(shù)的原理 中間包等離子加熱是利用電能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，等離子槍通過電極放電使氣體（ 其混合氣體）處于電離狀態(tài)，產(chǎn)生高能量的電弧，內(nèi)芯溫度可高達(dá) 10 000 K，通過電子輻射和離子化氣體運(yùn)動(dòng)的結(jié)合而產(chǎn)生的對(duì)流，將熱量傳入中間包鋼水，來提高中間包鋼水的溫度。 中間包等離子加熱技術(shù) 是一種高效率、節(jié)能耗、清潔的中間包加熱方法 ， 利用各種方法使氣體電離即產(chǎn)生等離子體。等離子體產(chǎn)生方法可分為等離子體電弧，等離子體電子束和高頻藕合等離子體 ， 獲得廣泛應(yīng)用的是 等離子 電弧 1。 等離子電弧根據(jù)等離子發(fā)生器內(nèi)電極的不同可分為非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧， 非轉(zhuǎn)移弧等離子體發(fā)生器內(nèi)裝有正負(fù)兩個(gè)電極，極間通入工作氣體被電離后產(chǎn)生等離子體從噴嘴噴出 ； 轉(zhuǎn)移弧等離子體發(fā)生器以被加熱物料作為電 極一極，在發(fā)生器內(nèi)有一輔助電極起弧后再把弧轉(zhuǎn)至主電極之間。兩種等離子發(fā)生器工作原理如圖 1 所示。 圖 1 等離子發(fā)生器原理示意 等離子體工作氣體可以采用 r、氣體。一般常用的是 其混合氣體。 工作氣體 鎢陰極 工作氣體 陽極 輔助陽極 等離子體 火焰 鋼水 (陽極 ) (a)非轉(zhuǎn)移弧 (b)轉(zhuǎn)移弧 6 2010 年第 33 卷第 4 期 離子加熱技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況 等離子加熱技術(shù)早在 20 世紀(jì) 50 年代就開始發(fā)展，應(yīng)用于連鑄中間包加熱始于 80 年代， 1984 年，德國 司 第一臺(tái)等離子加熱裝置在意大利德爾塔科涅公司廠投入運(yùn)行，應(yīng)用于三流方坯連鑄機(jī) ， 功率為 250 而西方國家各大鋼鐵公司紛紛采用這一技術(shù)。 國 內(nèi)外等離子裝置應(yīng)用情況如表 1 所示 2 表 1 等離子加熱裝置使用情況 使用廠家 等離子槍類型 加熱功率 /間包容量 /t 鑄機(jī)類型 意大利 方坯 美國查帕拉爾 5 方坯 日本神戶 4 方坯 日本神戶加古川 0 板坯 新日鐵名古屋廠 20 二流板坯 日本鋼管京濱廠 流陰極槍 4050 板坯 美沃 克諾?？藦S 流陽極槍 5 小方坯 德國薩爾鋼公司 流陽極槍 1 小方坯 新日鐵廣鈿廠 流 4 板坯 唐鋼煉鋼廠 0 方坯 武鋼二煉鋼廠 0 板坯 馬鋼三煉鋼廠 中科大類 2 板坯 濟(jì)鋼板廠 清華類 板坯 臺(tái)灣中鋼 5 方坯 衡陽鋼管廠于 20 世紀(jì) 80 年代引進(jìn)了英國 W 等離子加熱裝置用于加熱鋼包鋼水 ，隨后唐鋼引進(jìn)英國 司 W 等離子加熱裝置用于連鑄中間包加熱，其中電源裝置由鞍山熱能院制造。 1995 年武鋼引進(jìn)了美國 司 已投入使用。同時(shí)，國內(nèi)也開展了等離子體發(fā)生器的研制工作。中國科技大學(xué)與馬鋼聯(lián)合研制了類 W 等離子體發(fā)生器 ， 用于馬鋼連鑄中間包加熱。北京科技大學(xué)、清華大學(xué)與濟(jì)南鋼鐵總廠合作研制了類 構(gòu)的 500 離子體發(fā)生器 ， 用于濟(jì)鋼板坯連鑄中間包加熱。 等離子加熱系統(tǒng)的 工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，等離子加熱效率為 60%70%，來自加熱室耐火材料墻的間接輻射熱占其中的 50%以上 5。 2 等離子加熱技術(shù)的應(yīng)用及其效果 根據(jù)國內(nèi)外等離子加熱技術(shù)的應(yīng)用 情況， 其 應(yīng)用 效果和特點(diǎn)可歸納為 以 下四個(gè)方面。 現(xiàn)恒溫澆注，提高鑄坯質(zhì)量 在連鑄過程中， 若中間包內(nèi)鋼水溫度過高，鑄坯內(nèi)柱狀晶發(fā)達(dá)，化學(xué)成分偏析嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生中間裂紋； 若中間包內(nèi)鋼水溫度過低，鋼水流動(dòng)性變差，導(dǎo)致鋼水堵塞浸入式水口 。而采用等離子加熱技術(shù)可減少中間包內(nèi)鋼水的溫度波動(dòng) ，精確控制中間包鋼水溫度 ，基本實(shí)現(xiàn)恒 溫 澆注，從而提高鑄坯質(zhì)量。 紐柯鋼鐵公司諾?？藦S 和紐柯公司內(nèi)布拉 斯加州鋼廠 采用中間包等離子加熱技術(shù)后， 中間包 溫度控制更精確了， 均 從原來的目標(biāo)溫度的 11 減至 ，溫度波動(dòng)小，使鑄坯質(zhì)量更均勻 6。 美國紐克公司于 1992 年安裝了 司的中間包等離子加熱裝置，中間包澆注溫度控制可以從11 改善到 5 3；日本平岡照祥等人開發(fā)的直流轉(zhuǎn)移弧形中間包等離子加熱裝置應(yīng)用后，中間包鋼水溫度波動(dòng)可控制在 2 7； 武鋼二煉鋼廠采用引進(jìn)美國 司的中間包等離子加熱系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié) 果 表 明 ， 可 使 中 間 包 前 期 升 溫 速 率 達(dá) 到24 /過程溫度可控制在 5 以內(nèi) 7； 唐鋼和鞍山熱能研 究院、英國 司合作研制開發(fā)了等離子加熱系統(tǒng)，并應(yīng)用于唐鋼二煉鋼廠連鑄車間 4 號(hào)連鑄機(jī) 5； 興 澄特鋼在引進(jìn)中間包等離子加熱技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，用于圓坯連鑄，中間包鋼水溫控精度為目標(biāo)溫度的 （ 12） ，取得了非常好的效果。 低出鋼溫度 ，提高拉速 ，縮短冶煉時(shí)間，降攀 鋼 技 術(shù) 7 低消耗 為保證一爐鋼能夠順利澆完， 一般情況下開澆時(shí)鋼水的溫度應(yīng)在該鋼種液相線以上 2030 ，甚至更高 ， 由此造成的合金、耐材、冶煉能耗是 巨大的。采用等離子加熱技術(shù)可使 每爐開澆溫度不必太高， 可在接 近液相線溫度下進(jìn)行澆注 ，有助于提高拉速 ， 并且 上一道工序的能耗 、合金 和耐材消耗可降低 7。 紐柯鋼鐵公司諾福克廠應(yīng)用了等離子加熱技術(shù)后，中間包過熱度平均下降 11 ，這使得鋼包爐的供電時(shí)間平均減少 4 注速度平均提高10%15%，從而使每爐次澆注時(shí)間縮短 4 紐柯公司內(nèi)布拉斯加州鋼廠采用中間包等離子加熱技術(shù)后，過熱度的降低使?jié)沧⑺俣绕骄岣吡?0%15%，平均澆注時(shí)間減少了 4 ；美國紐克公司采用中間包等離子加熱技術(shù)后，澆注速度提高 15%1。 另外，平均澆注溫度下降后，鑄坯等軸晶比例增大，減少中心偏析 ，從而提高鑄坯質(zhì)量 。 免中間包內(nèi)鋼水凍結(jié) 如果 中間包 鋼水溫度過低，并且在澆注過程中不斷降低，則易于發(fā)生凍結(jié)，需對(duì)鋼水進(jìn)行回爐處理，采用等離子加熱技術(shù)可對(duì)中間包鋼水進(jìn)行加熱，避免鋼水回爐，從而避免因此造成的損失。 紐柯鋼鐵公司諾福克廠應(yīng)用了等離子加熱技術(shù)后，避免了因鋼水過冷回爐，以前鋼水過冷回爐率為 3%（重量），大約每月 2 次，因此造成的損失為 4 萬美元 /h，使用等離子加熱系統(tǒng)后基本避免了此類損失，僅此一項(xiàng)足以償還購買加熱裝置的費(fèi)用； 美國紐克公司 使用第一年用等離子加熱挽救了20 爐冷鋼，單此項(xiàng)即可支付等離子系統(tǒng)的費(fèi)用，而且耐火材料消耗沒有明顯的增加 1。 3 中間包等離子加熱技術(shù)的不足 中間包等離子加熱技術(shù) 憑借其優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)，然而，中間包等離子加熱技術(shù)也有不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）加熱效率較低 目前國內(nèi)外廠家大多使用加熱功率為 1上的等離子加熱裝置，由于等離子槍在鋼液液面以上一定的距離，中間又有覆蓋劑，因此加熱系統(tǒng)的加熱效率不高，為 60%70%。 2）對(duì)鋼水的污染 在應(yīng)用等離子加熱 技術(shù)對(duì)中間包鋼水進(jìn)行加熱時(shí)，如 果工作氣體選用氬氣，則不存在鋼液增氮的問題，如果選用氬氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w時(shí)，增氮效應(yīng)也不太顯著，但如果選用氮?dú)鈺r(shí)，由于氣體的離解和電離作用，鋼水將出現(xiàn)增氮問題 ，目前此問題仍無法解決 。 3）對(duì)環(huán)境的影響 中間包等離子加熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)帶來很大的噪音和電磁輻射，對(duì)環(huán)境帶來不利影響。 4）對(duì)耐火材料要求較高 因等離子弧柱溫度高達(dá) 3 000 ，加熱室內(nèi)襯的耐火材料的耐高溫要求較高，否則易于剝落成夾雜物。 由于這些問題的存在，嚴(yán)重制約了中間包等離子加熱技術(shù)的應(yīng)用， 不少廠家應(yīng)用中間包等離子裝置后 也未 達(dá) 到預(yù)期效果。 4 攀鋼現(xiàn)狀及建議 目前 攀鋼有 五 臺(tái)連鑄機(jī)，其中兩臺(tái)板坯連鑄機(jī)，兩臺(tái)方坯連鑄機(jī) ，一臺(tái)方圓坯連鑄機(jī) ，均未 應(yīng)用中間包等離子加熱系統(tǒng) 。 一般來講，板坯連鑄過程中，中間包 鋼水 溫降為 510 ，而方坯連鑄過程中， 中間包 鋼水 溫降為 1020 。 此外， 在連鑄過程中，某一個(gè)包次都存在 鋼水 溫度波動(dòng)的情況，有些鋼種中間包溫度的波動(dòng)很大，導(dǎo)致拉速不穩(wěn)定，影響了 生產(chǎn)及 鑄坯質(zhì)量，圖 2 3 分別給出了攀鋼生產(chǎn) 38連鑄中間包鋼水溫度的波動(dòng)情況 。 從 圖 2 3 可以看出在澆鑄過程中，不同鋼種中間包鋼水溫度有不同程度 的波動(dòng)，最大溫度波動(dòng)高達(dá) 50 ，給鑄坯質(zhì)量帶來了不利影響。 8月8日5 36包次Y 1中包溫度1510152015301540155015601570158009705189 09705189 09605076 09605077 09605078 09605079 09605079 09605079 09605081 09705195 09705195 09705196 爐號(hào) 圖 2 包溫度變化 溫度/1580 1570 1560 1550 1540 1530 1520 1510 8 2010 年第 33 卷第 4 期 381500151015201530154015501560157015801590604798 604798 604798 604798 704916 704916 704916 704917 704917 704918 704918 704918 704918 604805 604805 604805 604806 604806 604806圖 3 38包溫度變化 開始澆注時(shí)鋼水的過熱度根據(jù)鋼種的不同一般為 1540 ，攀鋼通常在 煉過程中加熱至目標(biāo)溫度 。 在生產(chǎn)過程中，有時(shí)出現(xiàn)節(jié)奏緊張的情況，為保證不斷澆， 煉出站鋼水溫度可能低于目標(biāo)溫度，致使?jié)沧囟绕?；或?煉過程加熱時(shí)間過長，鋼水出站溫度過高，導(dǎo)致澆注溫度偏高，這些都給鑄坯質(zhì)量帶來不利影響。 縱觀國內(nèi)外知名鋼廠 使用等離子方法加熱中間包鋼水的運(yùn)用情況和應(yīng)用效果，結(jié)合攀鋼 的實(shí)際情況 ，建議增設(shè)等離子加熱系統(tǒng) 。首先在生產(chǎn)大斷面的 2#方坯進(jìn)行中間包等離子加熱系統(tǒng)的試安裝與試運(yùn)行，尤其是 先 對(duì)內(nèi)部質(zhì)量要求嚴(yán)格的車軸鋼、氧氣瓶鋼和 38鋼種進(jìn)行 對(duì)比 試驗(yàn) 。 通過中間包等離子加熱技術(shù)的試運(yùn)用，預(yù)期會(huì)達(dá)到 以下效果： 1）實(shí)現(xiàn)恒溫、低過熱度澆注 使用中間包等離子加熱技術(shù)后，可使中間包溫度精度控制在目標(biāo)溫度的 5 ， 真正實(shí)現(xiàn) 低過熱度澆注 ，從而減少車軸鋼、氧氣瓶鋼和 38鋼種中心疏松、中心縮孔、中心偏析、內(nèi)部裂紋等內(nèi)部缺陷，進(jìn)而提高鑄坯質(zhì)量；對(duì)重軌而言，可提高鑄坯等軸晶率，進(jìn)一步提高攀鋼重軌質(zhì)量。 2）實(shí)現(xiàn)恒速澆注 如果過熱度太高，則必須 降低拉速，防止漏鋼；如果過熱度過低，則 需 提高拉速。因此在實(shí)現(xiàn)恒溫澆注的前提下可以實(shí)現(xiàn)恒速澆注，恒速澆注有利于提高鑄坯質(zhì)量，有效控制生產(chǎn)節(jié)奏，并且能與輕壓下等設(shè)備相匹配，使其更好地發(fā)揮作用。 3）減少 熱時(shí)間 實(shí)現(xiàn)低過熱度澆注 ，則鋼水不必加熱到很高 的溫度 ，可減少 熱時(shí)間，降低能耗、耐材及合金等消耗。 此外， 新建的 3#方圓坯 與 2#方坯將 共用一套 統(tǒng)，采用中間包等離子加熱 技術(shù)后，可以減少甚至不經(jīng)過 熱，緩解緊張的生產(chǎn)節(jié)奏 ，提高生產(chǎn)效率。 4） 降低出鋼溫度 采用中間包等離子加熱技術(shù)后，提高了中間包溫度保障，可適當(dāng)降低出鋼溫度，減少深吹，從而提高出鋼鋼水質(zhì)量。 總之，采用中間包等離子加熱技術(shù)可 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制中間包鋼水溫度的目的，從而可在接近 液相線溫度下進(jìn)行澆注，降低能耗、耐材及合金等消耗，并顯著提高鑄坯質(zhì)量。 此外，結(jié)合中間包等離子加熱 技術(shù)的不足 及 攀鋼 現(xiàn)有的裝備情況，在技術(shù)引進(jìn)的基礎(chǔ)上需對(duì)等離子加熱裝置進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)中間包覆蓋劑等進(jìn)行改進(jìn)，以提高加熱系統(tǒng)的加熱效率；對(duì)氮要求 較 高的鋼種，在采用等離子加熱技術(shù)時(shí)應(yīng)慎用氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w，減少鋼水增氮；由于等離子弧柱溫度高達(dá)3