一种结晶器侵入式水口及其使用方法与流程

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种结晶器侵入式水口及其使用方法。

背景技术：

钢铁企业进行连铸作业时，结晶器侵入式水口会向空气中散热，为了保证钢水浇注的顺利进行，防止“水口冻住”现象的发生，一般都是采取高过热度浇注的方法，中间包内钢水温度需要比液相线温度高20～30℃左右，以抵消浇注过程中钢水流经结晶器侵入式水口过程中温度的降低，但在钢水流经水口过程中，与水口直接接触的钢水有明显的温降，而水口中心部位的钢水温度变化不大，这就导致了流入结晶器的钢水整体温度偏高，约比液相线温度高10℃以上。由于结晶器的钢水温度较高，在钢水凝固过程中会引起偏析、疏松和柱状晶发达等问题，对铸坯质量带来不利影响。

为此，科研工作者开展了广泛的研究来降低钢水过热度，其中一种技术为：在钢水精炼过程后低温出钢，在钢水连铸过程中，根据中间包钢水温度情况，利用电磁感应加热或等离子加热的方法对中间包钢水进行补偿加热，以维持中间包钢水温度的稳定和低过热度，但即使采用该技术也仍需要控制中间包钢水有一定的过热度，大断面板坯钢水的过热度为15℃以上，小断面矩形坯和方坯钢水的过热度为20℃以上，以起到抵消钢水流经结晶器侵入式水口过程中温度的降低，但由于水口钢流的芯部温度不会明显降低，仍会造成结晶器内钢水的整体温度偏高。另有科研工作者开展了冷却水口降低钢水过热度的工业试验，但该技术只能应用到钢水精炼过程后出钢温度过高的情况下，并且该技术也不能明显降低水口钢流的芯部温度，仍会造成结晶器内钢水的整体温度偏高。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为了克服现有技术中采取的高过热度浇注方法，导致结晶器内钢水整体温度偏高的技术问题，本发明提供一种可通过电磁感应进行加热的结晶器侵入式水口,以达到降低结晶器内钢水整体温度的目的。

为实现上述目的，本发明提供的一种结晶器侵入式水口，包括：侵入式水口管体、管状碳层和电磁感应线圈；所述的管状碳层嵌套于侵入式水口管体的内壁与外壁之间，所述的电磁感应线圈套设于侵入式水口管体外，通过接通交变电流产生交变电磁场，使得管状碳层在电磁感应作用下对结晶器侵入式水口进行加热。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的侵入式水口管体由外至内依次包括：第一铝碳质耐火材料管层、第二铝碳质耐火材料管层和锆芯管层，所述的管状碳层嵌套于第一铝碳质耐火材料管层与第二铝碳质耐火材料管层之间。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的电磁感应线圈采用中频电源通电。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的第一铝碳质耐火材料管层、管状碳层、第二铝碳质耐火材料管层的厚度均为侵入式水口管体厚度的20％～40％，锆芯管层的厚度为侵入式水口管体厚度的5％～15％。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括激光测温传感器和电源控制装置，该激光测温传感器与电源控制装置的输入端连接，通过激光探测第一铝碳质耐火材料管层的温度，并将温度信号发送至电源控制装置；所述电源控制装置的输出端与电磁感应线圈所接通的电源连接，通过接收的温度信号控制电源的输出功率。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的电磁感应线圈为中空状的线圈，其内腔注入冷却水。

本发明还提供了一种基于结晶器侵入式水口的使用方法，包括：

步骤1)利用煤气烘烤侵入式水口管体至700℃～1000℃；

步骤2)在侵入式水口管体外部加装电磁感应线圈并接通中频电源，利用电磁感应作用加热该侵入式水口管体温度至1500℃；

步骤2)将结晶器侵入式水口与中间包上水口进行对接，通过激光传感器实时探测第一铝碳质耐火材料管层的温度，并通过电源控制装置以接收到的温度信号控制电源的输出功率，使管状碳层的温度与中间包上水口流入的钢水温度相同。

本发明的结晶器侵入式水口的中部含有一个管状碳层，在连铸浇注过程中，使用电磁感应加热的方法对结晶器侵入式水口进行加热，加热至管状碳层的温度与钢水的温度大体相等，由于管状碳层与钢水的温度相当，在扩散传热的作用下，管状碳层和钢水之间耐材的温度也与钢水的温度相当，基本不会发生钢水向耐材的传热作用，在钢水流经结晶器侵入式水口过程中，钢水的温度不会降低，这样中间包钢水的温度基本等于结晶器钢水的温度，而控制中间包钢水的温度的技术目前比较成熟，可以通过钢水精炼后低温出钢和中间包钢水补偿加热的方法，把中间包钢水温度控制在任何目标温度值，温度偏差在±5℃以内。因此，利用本发明提供的可通过电磁感应进行加热的结晶器侵入式水口进行浇注，浇注过程中温度不会降低，相应的结晶器内钢水的过热度也可以控制在任何目标温度值，温度偏差在±5℃以内。

本发明的一种结晶器侵入式水口及其使用方法优点在于：

本发明提供的结晶器侵入式水口中含有碳层，由于碳层良好的导电性，可通过电磁感应加热的方式对该水口进行加热，并通过控制外部加热电源的功率，将水口加热至与钢液的温度大体相当；使得钢水在流经结晶器侵入式水口过程中，钢水的温度不会降低，使用该水口并配合精炼钢水低温出钢技术和中间包钢水补偿加热技术，能够把结晶器内钢水的过热度控制在任何值，使过热度为0℃的钢水浇注成为可能，从而提高铸坯质量。

附图说明

图1为本发明中结晶器侵入式水口管体的结构示意图。

图2为本发明中的结晶器侵入式水口的结构示意图。

附图标记

1、水口上端部 2、第一铝碳质耐火材料管层

3、管状碳层 4、第二铝碳质耐火材料管层

5、锆芯管层 6、注流通道

7、侵入式水口管体 8、钢流出口

9、中间包上水口 10、电磁感应线圈

11、结晶器保护渣 12、钢液

13、冷却水进水口 14、中频电源

15、冷却水出水口 16、激光测温传感器

17、电源控制装置

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种结晶器侵入式水口及其使用方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种结晶器侵入式水口，包括：侵入式水口管体7、管状碳层3和电磁感应线圈10(图2所示)；所述的管状碳层3嵌套于侵入式水口管体7的内壁与外壁之间，所述的电磁感应线圈10套设于侵入式水口管体7外，通过接通交变电流产生交变电磁场，使得管状碳层3在电磁感应作用下对结晶器侵入式水口进行加热。

基于上述结构的结晶器侵入式水口，如图1所示，所述的侵入式水口管体7由外至内依次包括：第一铝碳质耐火材料管层2、第二铝碳质耐火材料管层4和锆芯管层5，所述的管状碳层3嵌套于第一铝碳质耐火材料管层2与第二铝碳质耐火材料管层4之间。所述的第一铝碳质耐火材料管层2、管状碳层3、第二铝碳质耐火材料管层4的厚度均为侵入式水口管体7厚度的20％～40％，锆芯管层5的厚度为侵入式水口管体7厚度的5％～15％。

如图2所示，所述的结晶器侵入式水口还可包括激光测温传感器16和电源控制装置17，该激光测温传感器16与电源控制装置17的输入端连接，通过激光探测第一铝碳质耐火材料管层2的温度，并将温度信号发送至电源控制装置17；所述电源控制装置17的输出端与电磁感应线圈10所接通的电源连接，通过接收的温度信号控制电源的输出功率。

基于上述结构的结晶器侵入式水口，本发明还提供了该结晶器侵入式水口的使用方法，参考图1、2所示的水口结构，该方法具体包括：

步骤1)利用煤气烘烤侵入式水口管体7至700℃～1000℃；

步骤2)在侵入式水口管体7外部加装电磁感应线圈10并接通中频电源14，利用电磁感应作用加热该侵入式水口管体7温度至1500℃；

步骤2)将结晶器侵入式水口与中间包上水口9进行对接，通过激光传感器实时探测第一铝碳质耐火材料管层2的温度，并通过电源控制装置以接收到的温度信号控制电源的输出功率，使管状碳层3的温度与中间包上水口9流入的钢水温度相同。

实施例一

制作一个如图1所示的可通过电磁感应进行加热的结晶器侵入式水口，该水口使用过程中暴露于空气中的那一段含有一个管状碳层3，该段水口由四层组成，其由内到外分别是：ZrO₂质的锆芯管层5—第二铝碳质耐火材料管层4—管状碳层3—第一铝碳质耐火材料管层2，ZrO₂质的锆芯管层5起到耐钢水冲刷的作用，铝碳质耐火材料起到保温和支撑骨架的作用，在电磁感应加热的过程中碳层起到电导体和加热媒介的作用。结晶器侵入式水口使用过程中插入结晶器保护渣11和结晶器钢液12中的那一段不含有管状碳层，该段水口由ZrO₂质的锆芯—铝碳质的耐火材料两层组成。

暴露于空气中的那一段结晶器侵入式水口外表面的第一铝碳质耐火材料管层2的厚度为侵入式水口管体7厚度的20％，管状碳层3的厚度为侵入式水口管体7厚度的30％，碳层和锆芯之间的第二铝碳质耐火材料管层4的厚度为侵入式水口管体7厚度的40％，ZrO₂质的锆芯管层5的厚度为侵入式水口管体7厚度的10％。在使用过程中，插入结晶器保护渣11和结晶器钢液12中的那一段结晶器侵入式水口的锆芯管层的厚度为侵入式水口管体7厚度的10％，其余为铝碳质的耐火材料。

由于采用中频电源14进行加热，会产生趋肤效应，在电磁感应的作用下，水口内部的电流分布不均匀，电流集中在水口的“皮肤”部分，感应电流会在位于外表面的管状碳层3中富集，并形成涡流，加热碳层，而水口中心钢流中基本不会产生电流，不会对线圈中心部位的钢流产生加热作用，从而不会提高钢水的温度。

如图2所示，为了提高电磁感应线圈的使用寿命，将电磁感应线圈10做成内部通冷却水的中空状线圈，冷却水从冷却水进水口13进入，从冷却水出水口15流出，通过控制冷却水流量，保持出水口的水温为45℃～55℃。另外，所述的结晶器侵入式水口还可包括激光测温传感器16和电源控制装置17，该激光测温传感器16与电源控制装置17的输入端连接，通过激光探测第一铝碳质耐火材料管层2的温度，并将温度信号发送至电源控制装置17；所述电源控制装置17的输出端与电磁感应线圈10所接通的电源连接，通过接收的温度信号控制电源的输出功率。

基于上述结构的结晶器侵入式水口，在本实施例，该结晶器侵入式水口的使用方法具体包括以下步骤：

步骤1)预先利用煤气烘烤该结晶器侵入式水口管体7至700℃；

步骤2)在侵入式水口管体7外部套上电磁感应线圈10，并接通中频电源14，利用电磁感应加热该侵入式水口管体7温度至1500℃左右，通过两次预热，以使侵入式水口管体7适应钢水的温度；

步骤3)然后将该结晶器侵入式水口插入结晶器保护渣11和钢液12以下进行浇钢作业，将水口上端部1与中间包上水口9进行对接后，此时中间包上水口9内的钢水能够沿注流通道6从钢流出口8流入结晶器，接通中频电源14，通过激光传感器实时探测第一铝碳质耐火材料管层2的温度，并通过电源控制装置以接收到的温度信号控制电源的输出功率，对该结晶器侵入式水口进行保温，保持该水口中管状碳层3的温度与钢水的温度大体相等。

由于管状碳层3与钢水的温度相当，在扩散传热的作用下，水口内表面的锆芯管层5、碳层和锆芯之间的第二铝碳质耐火材料管层4也与钢水的温度相当，基本不会发生钢水向水口内表面的锆芯管层5的传热作用，钢水流经结晶器侵入式水口管体7的过程中，钢水的温度不会降低，这样中间包钢水的温度基本等于结晶器内钢水的温度，而控制中间包钢水的温度的技术目前比较成熟，可以通过钢水精炼后低温出钢和中间包钢水等离子加热的方法，把钢水温度控制在任何目标温度，温度偏差在±5℃以内。因此，利用可通过电磁感应进行加热的结晶器侵入式水口进行浇注，浇注过程中温度不会降低，相应的结晶器钢水的过热度也可以控制在任何目标温度，温度偏差在±5℃以内。

通过实施上述实施例一，使得结晶器钢水的过热度能够控制在3℃以内，铸坯质量有明显提升，等轴晶比例提高10％以上，铸坯偏析等级降低0.5级。

实施例二

制作一个如图1所示的可通过电磁感应进行加热的结晶器侵入式水口，该水口使用过程中暴露于空气中的那一段含有一个管状碳层3，该段水口由四层组成，其由内到外分别是：ZrO₂质的锆芯管层5—第二铝碳质耐火材料管层4—管状碳层3—第一铝碳质耐火材料管层2，ZrO₂质的锆芯管层5起到耐钢水冲刷的作用，铝碳质耐火材料起到保温和支撑骨架的作用，在电磁感应加热的过程中碳层起到电导体和加热媒介的作用。结晶器侵入式水口使用过程中插入结晶器保护渣11和结晶器钢液12中的那一段不含有管状碳层，该段水口由ZrO₂质的锆芯—铝碳质的耐火材料两层组成。

暴露于空气中的那一段结晶器侵入式水口外表面的第一铝碳质耐火材料管层2的厚度为侵入式水口管体7厚度的40％，管状碳层3的厚度为侵入式水口管体7厚度的25％，碳层和锆芯之间的第二铝碳质耐火材料管层4的厚度为侵入式水口管体7厚度的20％，ZrO₂质的锆芯管层5的厚度为侵入式水口管体7厚度的15％。在使用过程中，插入结晶器保护渣11和结晶器钢液12中的那一段结晶器侵入式水口的锆芯管层的厚度为侵入式水口管体7厚度的15％，其余为铝碳质的耐火材料。

由于采用中频电源14进行加热，会产生趋肤效应，在电磁感应的作用下，水口内部的电流分布不均匀，电流集中在水口的“皮肤”部分，感应电流会在位于外表面的管状碳层3中富集，并形成涡流，加热碳层，而水口中心钢流中基本不会产生电流，不会对线圈中心部位的钢流产生加热作用，钢水温度不会升高。

如图2所示，为了提高电磁感应线圈的使用寿命，将电磁感应线圈10做成内部通冷却水的中空状线圈，冷却水从冷却水进水口13进入，从冷却水出水口15流出，通过控制冷却水流量，保持出水口的水温为45℃～55℃。另外，所述的结晶器侵入式水口还可包括激光测温传感器16和电源控制装置17，该激光测温传感器16与电源控制装置17的输入端连接，通过激光探测第一铝碳质耐火材料管层2的温度，并将温度信号发送至电源控制装置17；所述电源控制装置17的输出端与电磁感应线圈10所接通的电源连接，通过接收的温度信号控制电源的输出功率。

基于上述结构的结晶器侵入式水口，在本实施例，该结晶器侵入式水口的使用方法具体包括以下步骤：

步骤1)预先利用煤气烘烤该结晶器侵入式水口管体7至1000℃；

步骤2)在侵入式水口管体7外部套上电磁感应线圈10，并接通中频电源14，利用电磁感应加热该侵入式水口管体7温度至1500℃左右，通过两次预热，以使侵入式水口管体7适应钢水的温度；

步骤3)然后将该结晶器侵入式水口插入结晶器保护渣11和钢液12以下进行浇钢作业，将水口上端部1与中间包上水口9进行对接后，此时中间包上水口9内的钢水能够沿注流通道6从钢流出口8流入结晶器，接通中频电源14，通过激光传感器实时探测第一铝碳质耐火材料管层2的温度，并通过电源控制装置以接收到的温度信号控制电源的输出功率，对该结晶器侵入式水口进行保温，保持该水口中管状碳层3的温度与钢水的温度大体相等。

由于管状碳层3与钢水的温度相当，在扩散传热的作用下，水口内表面的锆芯管层5、碳层和锆芯之间的第二铝碳质耐火材料管层4也与钢水的温度相当，基本不会发生钢水向水口内表面的锆芯管层5的传热作用，钢水流经结晶器侵入式水口管体7的过程中，钢水的温度不会降低，这样中间包钢水的温度基本等于结晶器内钢水的温度，而控制中间包钢水的温度的技术目前比较成熟，可以通过钢水精炼后低温出钢和中间包钢水等离子加热的方法，把钢水温度控制在任何目标温度，温度偏差在±5℃以内。因此，利用可通过电磁感应进行加热的结晶器侵入式水口进行浇注，浇注过程中温度不会降低，相应的结晶器钢水的过热度也可以控制在任何目标温度，温度偏差在±5℃以内。

通过实施上述实施例二，使得结晶器钢水的过热度能够控制在4℃以内，铸坯质量有明显提升，等轴晶比例提高10％以上，铸坯偏析等级降低0.5级。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。