【佳文推荐】潘栋：中间包电磁感应加热技术研究及应用进展

点击上方 蓝字 关注我们

摘要： 中间包是炼钢流程从间歇操作转向连续操作的重要衔接点，对于促进钢液的分流、净化、减轻铸坯宏观偏析、提高等轴晶率以及铸坯质量有着十分重要的作用。随着对连铸坯质量和钢水洁净度要求的不断提高，新型中间包冶金技术层出不穷。这其中，中间包电磁感应加热因同时具备高效稳定的中间包温度和夹杂物去除功能，有利于实现钢水低过热度恒温浇铸，逐步在连铸生产中得到应用。此技术的应用、研究现状及未来发展趋势进行了详细探讨。

关键词： 中间包；电磁感应加热；夹杂物；低过热度；铸坯质量

中间包作为炼钢从间歇操作转向连续操作的重要衔接点，对工艺顺行、钢水净化以及铸坯质量的改善起到十分重要的作用。近年来，连铸技术发展的实践也表明，低过热度的恒温浇注有利于提高等轴晶率，降低铸坯中心偏析，这对改善铸坯质量和稳定操作起着重要的作用。因此，控制中间包的钢水温度或过热度是提高生产率、改进凝固组织、提高产品质量最有效的方法之一。然而，在整个连铸过程中，中间包存在不同程度热损失，特别是浇注初期、钢包交换和浇注末期等不正常浇注期，不可避免引起较大的温度波动。因此，寻求外部热源补偿中间包钢水的温降、精确地控制最佳过热度，使进入结晶器的钢水温度稳定，越来越引起人们的重视。实现上述目的主要从以下两个方面实现：(1) 提高中间包的保温效果，降低散热速度；(2) 采用外部温度补偿技术。但第一种途径往往无法实现钢水温度的动态控制且温度控制精度也较低，所以，中间包保温技术的发展也需要用外部热源来补偿中间包钢水温降。目前，应用最广泛的中间包加热技术主要包括等离子体加热技术和通道式感应加热技术。

中国在20世纪90年代注重对等离子体加热技术的研发和引进。国内曾先后引进了7套，自行研发了2套等离子体加热装置。但是上述装置都未能在生产实践中得到良好的应用。主要受到等离子体加热装置的5个本质性难题的制约：(1) 等离子体弧柱放电产生的噪声，严重影响现场人员的健康；(2) 等离子气体中的氮元素容易引起钢液增氮，污染钢液；(3) 等离子体弧柱激发的强电磁幅射对连铸机控制系统弱电的干扰，特别是结晶器液面控制的严重干扰：(4) 加热效率较低，仅为60%～70%，且本质上是对钢液的再加热，起到的温度“微调”作用很小，不能很好地实现低过热度恒温浇铸；(5) 集聚等离子体弧柱的辐射热需在中间包上建专用的加热室，其耐材需经受3 000 ℃以上高温的灸烤，这对耐材质量要求高且耐材使用寿命短。

与等离子加热技术相比，电磁感应加热技术具有投资小、加热均匀、工作环境安全系数高等优点，在国内外均有很多成功的应用案例。本文将对中间包感应加热的原理及结构、国内外应用现状、国内外研究现状进行综述，以期为连铸坯质量的提升提供技术参考。

中间包电磁感应加热技术的开发始于1984年，之后，瑞典通用电机和新日铁等公司相继开发了水平式、集中式、单通道及双通道式感应加热装置。中国在该领域的发展起步于1994年，随后，旁通式、蝶式及十字式感应加热装置相继问世，相关理论逐渐丰富，技术应用也越来越广泛。

电磁感应加热原理如图1所示。多匝线圈相当于变压器中的一次回路，双通道、注入室和浇注室回路为二次回路。当给线圈施加高频电流后，导磁体闭合磁路中产生交变的磁通量，交变磁通量又会在通道内的钢水中产生感应电压。受钢液良好导电性的影响，钢水中产生感应电流，感应电流又在钢液中形成回路，进而利用产生的焦耳热对钢液进行加热。因此，通道式感应加热中间包的加热效率高，升温幅度也大。

近20年来，通道式电磁感应加热装置逐渐受到青睐。其加热器主要分为单线圈式和双线圈式加热器，冷却类型分别为风冷和水冷，几乎可以应用于各种类型的连铸中间包(H、L及T型)。主要由线圈、耐火材料通道、冷却系统、铁芯及不锈钢套筒组成：线圈缠绕于口子型可移动式铁芯上，便于拆装和维护；铁芯和线圈封装于不锈钢套筒内，外部用于支撑氧化铝-石墨耐火材料，内部则可作为冷却通风管道。上述结构中，感应加热器由多匝线圈和口字型铁芯组成，口字型铁芯则由一个条状固定铁轭和一个移动式∏型铁芯构成；两个凹形不锈钢套体连接成套筒，用于封装铁芯、支撑耐火材料和控制加热器位置；钢水通道由氧化铝-石墨制成，埋于中间包隔墙底部，是加热钢水的二次回路。

通道式感应加热技术能有效补偿中间包钢水的温降并使其温度均匀，同时能有效提高中间包内钢水洁净度，减少非金属夹杂物。具有加热均匀、效率高、设备简单、投资省、运行安全可靠、操作维护方便以及较好的冶金效果等优点，在日本的川崎、新日铁、大同特钢、住友等公司进行了较深入的研究和应用，取得了较好的效果。下面将对该技术在国内外的应用进行简要阐述。

表1所示为中间包电磁感应加热技术在国内外钢厂的应用情况，国内主要以八字型通道结构的感应加热装置为主，多用于帘线钢和轴承钢的生产；在国外则根据钢种匹配相应的装置结构，除Q235等钢外，还用于高端钢种，如不锈钢、轴承钢的连铸。

整体来看，国内通道式电磁感应加热技术的普及率较低，若实现合金元素含量较高的钢高质量连铸，需进一步扩大通道式感应加热的应用。

中间包温度的稳定性是衡量感应加热技术效果的重要指标。中间包电磁感应加热后过热度温差变化以及有无电磁感应加热条件下中间包温度波动情况如图2所示。从图2中可以看出，施加电磁感应加热后，中间包过热度温差显著下降，钢水温度波动也明显减小。

敬业钢铁公司目前利用该技术实现了±8 ℃到±3 ℃的温度波动的下降；北科大冶金实验室在GCr15钢的连铸生产中使用了该技术，中间包的温度波动从±6 ℃下降到了±3 ℃。综上，电磁感应加热可以很好地稳定连铸过程中的钢水过热度。

除了稳定中间包钢液温度外，在指向通道中心的电磁力影响下，非金属夹杂物与钢液的压力梯度会增大，这说明该技术还具备一定去除夹杂物和精炼的效果。因此，中间包电磁感应加热技术具有很好的应用前景。包钢在U75V钢的连铸生产中采用了中间包电磁感应加热，实现了中间包钢水15～20 ℃的低过热度浇铸，实现了±(2～3)℃目标温度波动，最终使碳偏析平均指数降低了0.013，铸坯等轴晶比例由39.2%提高到42%，B类夹杂不高于1.0的评级比例从88.6%提高到90.6%，C类夹杂不高于1.0的评级比例也由85.1%提高到86.7%，探伤挑出率由0.32%下降到0.30%。

虽然该技术对铸坯质量的改善效果十分显著，但通道内向心电磁力会压缩钢水，产生“箍缩”效应，使钢水流速加快，容易导致钢水流出时形成射流，严重时会导致钢水流动中断。其次，加快的钢水流速加剧了包壁的冲刷程度，掉落的耐材又会影响钢水的洁净度。因此，有必要研究感应加热参数对中间包温度场、流场及夹杂物运动的影响。现场生产条件不利于试验研究的开展，因此研究人员通常采用仿真(数值仿真、水模仿真等)方法来进行分析。

中间包流场判断中间包冶金效果的重要指标也是影响各流钢水温差及铸坯质量的关键因素。采用电磁感应加热的中间包内钢水的流动形式与传统中间包有显著区别，结果如图3所示，产生上述区别的主要原因在于外加了通道和感应加热器，包内结构会有很大不同。学者采用冷水模方法对通道式感应加热中间包流场进行了模拟，蔡亦凡等的研究结果表明变径通道可有效改善中间包内的停留时间分布。窦为学等发现若无控流装置，通道会对钢液流动的限制较大，容易产生死区。但上述研究忽略了中间包非等温流体流动，因此，吴光辉等采用不同温差的水模拟试验进行了研究，结果表明，非等温状态下流体流动状态和等温流动有很大不同，从通道流出的流体由于温度上高导致明显的上升流，且通道内外温差越大，中间包各流的流动一致性越好，流场分布也就越均匀。只需保证5 ℃的温差，即使中间包内不设任何控流装置，流场也很均匀，几乎不存在死区。

水模拟无法涉及多物理场带来的影响，而数值模拟则会将电磁场及焦耳热对流动的影响一并涉及。岳强等计算了双通道感应加热不同情况下的流体流动情况，结果表明，当不考虑焦耳热和电磁力作用时，通道内流出的钢液以较大的速率冲击侧包壁，折返后形成向上的涡旋流。若只考虑焦耳热，则钢液从通道流出后，直接流向钢液面，整体形成一个大的涡旋流。在焦耳热和电磁力的共同作用下，钢水在通道内呈螺旋状流动，从通道流出后有较大的旋转速度，在浇注区的流线亦呈螺旋状，其流动状态与前两种情况有明显不同。

对于电磁场，一般采用试验模型或数学模型的方法进行研究。现有研究结果表明，在通道横截面上的磁场线的形状为同心圆，电磁力方向指向通道中心，从而产生“箍缩效应”。箍缩效应有优势也有缺陷，这种效应虽然能使包内钢水温度分布更均匀，但在浇铸初期、末期和换包期间，大功率的快速加热会使得箍缩效应较强，从而导致钢水冲刷中间包耐火材料，严重时甚至会使钢液断流，因此在使用时应注意避免箍缩效应的负作用。何小芳采用数值方针的方法对双通道感应加热的电磁场分布进行了数值仿真分析，结果表明除了箍缩效应，左右通道内的电磁场分布存在显著差异，呈偏心分布，电磁感应加热功率越大，电磁力也就越大。中间包电磁感应加热通道内不同时间段的温度分布仿真以及通道内不同位置处的电磁力及温度分布如图4所示。

电磁感应加热最重要解决的是过热度稳定问题，因此温度场分布的研究至关重要。大量研究表明：电磁力产生的焦耳热主要集中在通道中，通道内钢水温度沿着钢液流动方向逐渐升高，对于不同的中间包容量和结构，电磁感应加热升温效率也不尽相同。何小芳发现通道内靠近线圈处焦耳热效益更为明显，而远离线圈处则焦耳热效应更弱，钢水在通道出口处温度最高。徐海强等通过数值仿真，计算得到通道出入口处钢水的温差大约为28 K。此外，通道结构也会对温度场分布产生影响，有研究也表明，环形通道比直通道的加热效率更高，钢水分布也更均匀；通道环半径为3 m 的热效率比通道环半径2 m和4 m的高；通道倾角 8°时浇注区的温度比通道倾角 0°和 4°时要低。由此，可得出以下结论：合适的通道尺寸、倾角以及供电功率是保证中间包温度均匀分布的必要条件，而变径通道和分口通道比直通道更能促使温度均匀分布。

除维持流场均匀性及过热度稳定之外，该技术还具备一定的除杂、净化功能。受钢水和夹杂物密度差异的影响，密度大的钢水向通道中心运动，所以密度相对较小的夹杂物则向通道外运动，最终附着在通道壁处。许多学者进行了中间包电磁感应加热参数对除杂效果影响的研究。杨滨的研究表明无感应加热的条件下，虽然夹杂物会上浮，但由于浇注室的钢液流动路径较短，容易卷渣，而在电磁感应的条件下钢水对包壁的冲击减轻，削弱了钢水卷渣的效应。LEI H等的研究表明焦耳热和电磁力均可以提高夹杂物的去除率，其中，电磁力对夹杂物运动的影响更大，有电磁感应加热的条件下通道内的夹杂物去除率为中间包整体夹杂物去除率的1/3，去除率也比无电磁感应加热条件下提高了14%。毕乾的研究表明中间包各部位对夹杂物的去除效果是不同的，顶渣处高于通道壁面，且通道入口处钢水流速越小，夹杂物去除效果越明显。总的来说，有关电磁感应加热除杂效果的研究目前还不够精确，且公开的资料也有限，基于多物理场与多相流耦合仿真的复杂性，模型的验证也十分欠缺。所以，对于中间包电磁感应加热去除夹杂物的机理分析，未来仍是需要聚焦的重点领域和方向。

本环节将从中间包电磁感应加热的研究手段、模型验证及工艺优化这几个方面进行展望。常用于研究电磁感应加热的模拟手段主要包括水模拟和数值仿真，其中，水模拟较为直观，可以清晰透明地反应出中间包内钢水的流场分布，但实际上，感应通道内外存在温差，水模拟只能说明等温条件下的流场分布，同时水模拟还忽略了焦耳热与电磁力对流场的影响。因此，单纯采用水模拟的方法并不能完全解决问题，需要数值仿真配合。吴光辉等采用水模拟与数值仿真相结合的方式，揭示了中间包电磁感应加热对夹杂物运动轨迹及去除率的影响。

除模拟研究外，建立具有一定通用性的数学模型也十分重要。对于中间包电磁感应加热过程中温度、流场及电磁力分布的研究，单纯采用模拟手段十分局限。唐海燕团队通过建立电磁-热-流动数学模型，研究了H型6流中间包内的传质、传热规律，并对添加电磁感应加热后该包的结构进行了优化。通道内电磁场分布数值仿真、流场水模拟、夹杂物运动轨迹以及中间包水模拟停留时间曲线如图5所示。

通道式感应加热中间包由于结构的改变必将影响钢水温度及流场分布，而产生这些差异的根本原因在于电磁力及焦耳热分布的不同。在未来的研究中，研究者们应认识到冷态模拟的局限性，普及多相流与多物理场耦合的数值仿真的应用，有关夹杂物的去除机理及效率也有待更为深入详细的研究。此外，感应加热过程中电磁场、流速场、温度场相互影响，单一计算都会与实际情况偏差较大，需要进行多物理场的耦合计算。

最后，供电模式、通道设计对中间包流场及温度分布影响的基础理论较为薄弱，仍有待补充。

通道式感应加热可以实现连铸过程低过热度的恒温浇铸，对改善铸坯质量和稳定操作起着重要的作用，是提高生产率、改善凝固组织和提高产品质量的最有效的方法之一。

中间包电磁感应加热技术凭借高效、环保无污染等优势受到了青睐，在很多钢厂得到了普及应用，其技术经济性、提升与稳定铸坯质量的效果也在不同企业得到体现。但目前仍存在一些基础理论以及工艺参数问题亟待解决。比如：匹配供电模式与拉速、钢种之间的关系；匹配通道结构与中间包容量与包型间的关系；阐明电磁感应加热去除夹杂物的机理并进一步提高夹杂物去除率；改善某些特定钢种在电磁感应加热后增氢的问题等。

同时，电磁感应加热在投入实际应用时，加热电源的频率、功率需要能够精确控制，测温系统、控温系统需要及时获得信号并反馈，才可能实现精准控温，这都需要进一步提高感应加热装置的一些重要部件的精确度和灵敏度。

最后，结合数值模拟及物理试验、模型验证等，中间包电磁感应加热技术的理论、装置及工艺参数等在将来定会得到进一步地完善和发展。

略

潘栋, 郭庆涛, 于赋志, 肖玉宝, 李宇婷, 张凯伦. 中间包电磁感应加热技术研究及应用进展[J]. 连铸, 2022(4): 2-7. PAN Dong, GUO Qing-tao, YU Fu-zhi, XIAO Yu-bao, LI Yu-ting, ZHANG Kai-lun. Research and application progress of electromagnetic induction heating technology in tundish[J]. Continuous Casting, 2022(4): 2-7.

往期精彩回顾