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综合降本15元/吨钢！半年内回收投资！新型多石墨中空电极中间包钢水等离子体加热系统！

泰科钢铁 · 公众号 · · 2020-10-30 11:11

正文

摘要：新型多石墨中空电极中间包钢水等离子体加热系统，无需在中间包内砌筑笨重的底阳极，无需对中间包进行任何改造；可以使用3-5支电极，实现多流中间包钢水均匀加热；无水冷所以加热效率高，尤其在钢包更换过程启动大功率加热，可有效消除中间包钢水温度陡降；投产1年多以来，系统可靠、加热效率高（升温速度0.7-2 ℃ /min）、运行成本低、操作简便；可实现了中间包钢水过热度降低15-25 ℃，综合计算成本降低15元/吨钢左右

1引言

连铸的生产实践证明，低的钢水过热度可以细化连铸坯晶粒和减少中心偏析（图1），也可以进一步提高拉速；恒温低过热度浇铸可以减少并恒定热流密度（图2），从而防止漏钢和铸坯角部裂纹；只有具备中间包钢水加热措施的系统，才能保证低过热度恒温连铸，才能有效地增加连浇次数和减少连铸事故等优点，因此受到炼钢工作者的高度重视。

图1 不同中间包钢水过热度下连铸坯内部晶粒情况

图2 过热度与窄面热流密度的关系

没有中间包钢水加热设备的连铸，为了保证连浇次数和减少连铸事故，一般总是走高温路线，因此钢水温度变化幅度特别高(图3)。

图 3 无加热设备中间包钢水温度随时间的变化

2 系统全面升级研发试验

充分考虑到80-90年代兴起使用水冷金属枪中间包等离子体加热系统的弊病和缺欠,北京奥邦新材料有限公司会同北京科技大学，设计了新型中间包钢水等离子体加热系统：全面用石墨电极代替了水冷金属枪；石墨电极中间钻孔通氩气，既稳定电弧，又能延长石墨电极寿命和对与弧接触的钢水起到保护的作用；用多石墨电极自成电气回路，排除了中间包上砌筑底底阳极的弊病，并且可以实现多点均匀加热。

新型多石墨电极直流等离子体加热系统已经在2017年获得国家专利局发明授权。

在2016年5月，在新兴铸管集团芜湖公司4号连铸机40吨四流圆坯中间包上安装了一套功率为1250KVA的系统。2017年调试成功，该系统一直连续运转,多次为现场挽回低温钢水，避免了连铸断浇，备受钢厂欢迎。从该系统的使用情况来看，有些钢种的浇铸温度变化幅度极大（1485-1535 ℃ ），在中间包钢水温度在1485 ℃ 时，一直启动等离子体加热，升温并持续保温1495 ℃ 时可以顺利浇铸，因此对此钢种可以大幅度降低钢水温度（从1535-1495 ℃ ）40 ℃ 。

图4 3石墨电极直流（无底电极）中间包钢水等离子体加热系统布置图（2500KW）

2018年年底，一套全新改进的2500KVA的新型中间包钢水等离子体加热系统安装在宝武集团梅山钢铁公司的两流板坯连铸机上（图4）。到2020年8月，已经成功运行了12个月。实践证明，该系统可靠、加热效率高（升温速度0.7-2 ℃ /min）、运行成本低、操作简便、多点加热可保证中间包钢水温度均匀；实现了中间包钢水过热度降低15 ℃，综合计算成本降低10元/吨钢。

3 新型多电极中间包钢水直流等离子体加热系统描述

3.1 系统描述

新型多电极中间包钢水等离子体加热系统由交流变压器、短网、直流可控硅电源系统、PLC控制系统、3组多维电极加持机器人系统、电抗器及控制器、石墨电极等组成。

石墨电极每根长度为1500mm,直径为150-200mm。通过中间5-10mm的孔向弧中吹氩气(流量为2m ³ /h),稳定电弧。弧电压最大为250V,最大的弧电流是11000A。电极提升装置既可垂直上下移动,也可在水平方向运动，还可以倾斜一定角度以便不影响钢包回转台和中间包车的移动操作。使用直流电源供电，石墨电极直接连接到电源的阴极和阳极。

利用电弧长度和电压值计算中间包钢水液面高度，连接中间包钢水已有的钢水连续测温系统，可实现一键启动加热和自动停止加热操作。

3.2 系统优点

因多石墨电极之间自成电回路，无需中间包衬内砌筑笨重的底电极装置。配备新型中间包钢水等离子体加热系统，不必对中间包结构做任何改造。

对5流及以上中间包钢水的加热，可以采用5支石墨电极加热系统，实现加热更均匀、升温更快。

石墨电极的消耗低。中间包加热时石墨电极消耗为0.04元/t钢.

使用中空吹氩石墨电极加热,钢水增碳在1-5ppm；对梅山钢铁的所有钢种都没有影响;钢水加热前后氧含量没有变化；氮含量增加1-3PPM。

设计的直流电源及等离子体加热控制系统,能够保障石墨电极不必浸入钢水中即可顺利起弧,这个技术也是使钢水不增碳的重要条件.

查新资料表明，3支石墨电极、无底电极、中空石墨电极吹氩气等离子体中间包钢水加热系统在梅钢板坯连铸机上的应用，属于世界首套。

自从2019年5月投入运行以来，一直稳定地使用到现在，一键启动加热，除了石墨电极和氩气外，没有其它消耗件。

使用该系统，在更换大包开浇前就可以加热，可以充分抹平图3中温度的陡降，达到控制过热度波动小于 ± 5 ℃ 最终实现 ± 2 ℃、过热度5-10℃的目标，如图4所示。

图5 有无加热措施中间包钢水温度变化曲线（分钟）

图6 单水冷枪等离子体加热系统

4 与已有的加热设备的对比

4.1 中间包钢水感应加热

在过去的5年，一些钢厂连铸中间包安装了感应加热设备。生产实践表明，该系统与新型等离子体加热相比存在如下缺点：

4.1.1 新型多石墨电极等离子体加热设备，不需要改造中间包多电极自成电气回路；而感应加热设备必须对中间包结构改造，减少中间包容量20%；

4.1.2 感应加热需要笨重的与中间包体插接的电回路；如果出现意外事故，中间包车快速移走，容易破坏，造成损失。

4.1.5 感应加热需要持续加热，运行成本高。感应加热需要长期浸在钢水里的特殊耐火材料，一般都是进口，寿命不高，造成运行成本高,增加成本30元/吨钢。一般钢种承受不起。

等离子体加热每包钢水只加热5-10分钟；运行成本1.63元/吨钢。

4.2 水冷金属枪等离子体加热系统

在上世纪80年代末-90年代末，国内外曾有约40家钢厂安装了中间包等离子体加热系统，有单枪系统和双枪系统(图5和图6)。

图7 双水冷金属枪等离子体加热系统

单枪等离子体加热系统加热效率低、使用成本高、功率低（最高1000KVA），需要在中间包内砌筑笨重的底电极，单枪对多流中间包钢水加热不均匀等被使用厂家抛弃。当时的宝钢、武钢、天钢、唐钢、兰州钢厂、衡阳钢管厂等20几家国内钢厂进口了单枪等离子体加热系统；到1996年所有设备均被拆除。

双金属枪等离子体加热系统因为水冷带走30%左右的热量，因此也存在加热效率低、使用成本高等缺点。双枪等离子体加热系统存在阳极区温度高于阴极区域，也造成中间包钢水加热不均匀等被使用厂家抛弃。青岛特钢2017年从日本进口的一套双枪系统一直没有投入使用。

水冷金属枪等离子体加热系统的共同缺点是：在中间包钢水液面不断提高时，不能加热，否则枪容易插入钢水发生爆炸；金属枪的钍钨电极寿命低成本高。

5、结论

5.1 无底多石墨电极等离子体加热系统投入运行;使用中空石墨电极吹氩加热,钢水增碳在1-5ppm,对梅山钢铁的所有钢种的生产没有影响;钢水加热前后氧含量都能降低；氮含量增加1-3PPM。

5.2等离子体加热系统运行成本为1.63元/t钢；主要来自于电能的消耗；石墨电极的消耗仅为0.04元/t。

5.3系统操作简便；科研一键加热，无需配专有操作人员；设备故障率低。

5.4可降低中间包钢水过热度10-40℃左右

5.5在一个连浇周期中,中间包内钢水温度波动可以控制在目标值的±5℃甚至在±2℃以内。

5.6 在钢包一开浇就可启动等离子体加热，能够有效地避免钢包更换或是连铸第一包中间包内钢水温度陡降的问题，可最大限度地降低钢水过热度，也即降低出钢温度；没有漏水发生爆炸的风险。

综合降本15元/吨钢！半年内回收投资！新型多石墨中空电极中间包钢水等离子体加热系统！

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