唐海燕,1, 劉錦文1, 王凱民1, 肖紅1,2, 李愛武2, 張家泉1

我國鋼鐵產量持續保持世界第一，2019年粗鋼產量達9.963 × 108 t [1]，占世界產量的53.3%，其中連鑄比超過98%。降本增效、提升鋼材質量，尤其是特殊鋼與品種鋼質量的穩定性與一致性已成為當前和未來鋼鐵技術發展的大趨勢。連鑄是現代鋼鐵生產流程中承上啟下的重要環節，連鑄技術進步對鋼鐵生產效率、質量與技術經濟性至關重要。中間包作為連鑄過程銜接鋼包與鑄機結晶器之間的輸送鋼水的重要反應器，對保證多爐連澆生產的順行、效率和鑄坯質量穩定性與一致性尤為重要。

作為一種冶金反應器，中間包的冶金功能在傳統意義上主要包括：穩定鋼水壓頭、分配注流以及促進鋼水中夾雜物的上浮去除等。隨著連鑄技術的進步，鑒于澆鑄過程鋼包和中間包自身難以避免的熱損失與鋼水溫降，發展中間包加熱功能、實現鋼水澆鑄溫度的窄范圍控制受到國內外同行的高度關注。澆注溫度波動大不僅影響凝固組織形態的穩定性，也將直接影響連鑄坯殼生長進程與凝固終點的位置，以及連鑄坯鑄態質量的控制效果。譬如，中間包內鋼水溫度過低時可能出現結冷鋼現象或鑄坯中心等軸晶區V型偏析加重[2]，且低溫鋼水黏度大會影響夾雜物上浮去除；中間包內鋼水溫度過高，則會造成鑄坯的柱狀晶發達從而加重中心偏析、疏孔和裂紋等缺陷，影響生產效率和產品質量[3]。因此，保持合適的過熱度進行恒溫澆注既能實現恒拉速連鑄，也能起到穩定操作與工藝、提高鑄坯質量一致性的效果[4,5]。

生產實踐[6,7]表明，大包鋼水進入中間包后由于包襯吸熱、熔池表面散熱及耐火材料包壁的熱損失等，中間包內鋼水會有不同程度溫降。尤其在澆鑄初期、換包過程和澆鑄末期等非穩態階段，鋼水溫降更大。為了保證澆注順行，傳統連鑄生產中常通過所謂的“低溫快拉、高溫慢拉”操作來適應換包過程鋼水溫度的較大波動。然而，拉速不穩，連鑄結晶器液面波動大、凝固終點位置差異大，造成交接坯表面和內部質量得不到保障，有可能導致品種鋼降級或改判。因此，通過外加熱源補償溫降，控制最佳過熱度，減小連鑄過程鋼水溫度波動至關重要。多年來，研究人員先后開發了電弧[8]、電渣[9]、陶瓷電熱[10]、等離子[11~12]和電磁感應[13,14]等中間包加熱技術。目前在工業生產中得到應用的主要是中間包電磁感應加熱和等離子加熱，2者各有利弊，如表1[4,5,15~21]所示。

表1   通道感應加熱和等離子加熱技術的優點和不足[4,5,15~21]

Table 1  Advantages and disadvantages of channel induction heating and plasma heating tundishes[4,5,15-21]

Technology	Advantage	Disadvantage
Channel induction heating	Homogeneity;	Larger size and occupation;
	quick heating;	tundish geometry dependent;
	high heating efficiency up to 90%;	cost for maintenance;
	easy instrumentation；	quality demand for refractory;
	safe in service;	special design for cooling and insulation of
	easy maintenance;	the heating coils
	fine metallurgical effect
Plasma heating	Quick action for heating;	Arcing and inert gas required;
	good adaptability;	larger temperature fluctuation locally;
	less consumption for refractory;	possibly arc extinction in service;
	easy operation and maintenance;	noise while in operation;
	less occupation in size	signal interference;
		high local temperature for steel and refractory;
		secondary oxidation;
		lower heating efficiency about 60%

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大量研究[2~5,10,12,15~20,22~31]表明，通過不同形式的中間包鋼水熱補償來控制過熱度波動是實現恒溫恒拉速澆鑄、提升鑄坯質量穩定性的關鍵技術。近10年來，針對中間包加熱手段及其冶金功能，國內外開展了大量的理論與應用研究。國內興澄特鋼、新冶鋼等特鋼企業已將感應加熱中間包作為一種對鋼水潔凈度和鑄坯質量要求嚴格鋼種連鑄生產的重要輔助手段。鑒于這類中間包在結構與冶金功能上與傳統中間包的明顯差異，為便于行業正確選擇、合理應用該新興技術，作者基于團隊近年來在相關方面的理論研究、裝備開發與應用實踐，對該技術的發展現狀進行綜合評述。

1 中間包等離子加熱技術

1.1 等離子加熱原理

等離子加熱是以等離子槍和被加熱鋼水作為電流的兩極，再利用高頻電流起弧裝置在陰極和陽極之間放電形成電弧區；通電起弧后，將Ar氣或N2等工作氣體經等離子槍供氣元件吹入電弧區電離，形成高能量的等離子體電弧對中間包內鋼水進行加熱與目標溫度控制[16]。加熱系統主要由等離子陰極火焰槍、包底陽極、陽極自動連接裝置、火焰槍機械手、冷卻裝置、氣體供應裝置、供配電系統、控制系統等組成[22]，如圖1[22]所示。

圖1

圖1   中間包等離子加熱裝置示意圖[22]

Fig.1   Schematic of plasma heating device[22]

火焰槍機械手主要用于控制等離子槍的升降運動；等離子陰極火焰槍是加熱系統的核心設備，能實現電能向等離子體能量的轉換，從而對中間包鋼水實施加熱；氣體供應裝置，根據使用要求提供一定壓力的N2、Ar氣或N2-Ar混合氣體；冷卻裝置，向等離子槍提供去離子冷卻水以冷卻設備；控制面板和電源控制柜主要用于控制和操作等離子加熱裝置。

1.2 等離子加熱技術的開發

中間包等離子加熱技術在20世紀80年代末由英國Terornies研究與開發有限公司(TRD)首先開發，主要采用交流等離子高溫電弧輻射熱來加熱中間包受鋼區鋼水，并通過增設中間包蓋保持鋼水的熱量、隔離等離子弧紫外強光輻射對環境的污染。美國等離子能源公司(PEC)[10]則采用直流等離子槍，先加熱等離子槍內氣體，然后用高溫氣體作為載體加熱鋼水。德國BGH公司和日本住友金屬公司[16]通過將中間包金屬等離子槍替換為可同時供氣的中空石墨電極，降低了操作的復雜程度和運行消耗?，F場測量結果表明，石墨電極氮氣弧加熱效率更高，且熔池溫度與電弧長度有關。

新日鐵曾開發出單槍式(NS-Plasma I)和雙槍式(NS-Plasma II)等離子加熱裝置[23]。單槍式加熱裝置的Ar氣耗量和等離子槍消耗品更換量少，適用于所需熱能低、中間包作業空間有限的中、小型(小方坯或大方坯)連鑄機；雙槍式加熱裝置適用于需要較大熱量的大、中型(多流大斷面大方坯、板坯等)連鑄機。新日鐵生產實踐表明，使用等離子加熱技術后，可以降低鋼水上臺溫度與能耗、提高生產效率、改善鑄坯質量，達到降本增效的目的。

國內企業自20世紀80年代開始引進中間包等離子加熱技術，其中衡陽鋼管公司引進過TRD公司0.8 MW的等離子加熱裝置[17]；唐鋼曾引進TRD公司1.0 MW的等離子加熱裝置，在國內配置電源設備和其他附屬設備[24]；武鋼曾引進PEC公司1.0 MW的等離子體發生器，并開展了一段時間的熱試應用[25]。同一時期，國內也開展了等離子體加熱設備的研制工作。如，中國科學技術大學與馬鋼聯合研制了類TRD型1.0 MW的等離子體發生器，并進行了連鑄生產試驗[27]；北京科技大學、清華大學與濟南鋼鐵總廠合作研制了類PEC結構的500 kW的等離子體發生器，用于濟鋼板坯連鑄生產試驗[10,16]。然而，由于當時等離子加熱技術在電磁干擾、噪音控制與電弧穩定性等方面的不足與相關協同應用研究的匱乏，上述早期鋼鐵用戶先后均放棄使用，相關研究在國內也一度中斷。

近年來，新日鐵開發的改進型直流等離子加熱中間包又開始在我國青島特鋼[22]和榮程鋼鐵[26]得到不同程度實際應用。據介紹，其等離子加熱鋼水的熱量分為3部分：等離子弧柱向鋼水液面直接輔助加熱，約占18%；加熱室耐火材料墻壁反射到鋼水液面的間接輻射熱，約占52%；等離子弧柱電流經鋼水到達陽極的電壓降，即利用鋼水的電阻直接加熱，約占30%。

1.3 等離子加熱中間包技術研究與應用

中間包應用等離子加熱作用于中間包沖擊區以補償鋼包注流后期的鋼水溫降，實現澆注區鋼水恒過熱或低過熱度澆鑄。實際應用中發現，等離子加熱可有效提升鋼水溫度，工作氣體多采用Ar氣，若用N2作為等離子弧載體會導致鋼水有較突出的增氮問題。此外，中間包包型結構、鋼水覆蓋劑、中間包耐火材料、高頻電流起弧裝置電氣參數等也會影響等離子加熱的冶金效果。實踐中需根據鋼種特點選擇合適的電離氣體載體和電氣工藝參數。

1.3.1 等離子加熱對包內鋼水溫度的影響

無論是早期的交流等離子亦或當前的直流等離子，其加熱與控溫方面均可滿足連鑄工藝要求。武鋼二煉鋼的早期實踐表明，等離子加熱可以將中間包鋼液溫度波動控制在± 5℃范圍內[25]。Filippov等[32]研究發現在連鑄中間包內對鋼水進行等離子加熱，可以穩定澆鑄溫度、改善鑄坯質量、提高軋材性能一致性。青島特鋼的熱試實踐[22]表明，與不加熱相比，采用500 kW的等離子加熱技術可將ER70S-6鋼種的溫度升高5.3℃，采用700 kW的等離子加熱技術可將G4Si101鋼種的鋼水溫度升高9.2℃，等離子加熱裝置提溫速率約為0.32℃/min、鋼水溫度波動可控制在5℃以內。實踐中需根據鋼種特點和冶金效果要求選擇供電功率和供電時間以滿足不同的過熱度需求。比如，其6機6流高碳簾線鋼180 mm × 240 mm方坯連鑄(鋼包公稱容量100 t)，使用等離子加熱可將中間包過熱度控制在15℃以內，從而可增加鑄坯等軸晶區35%以上、降低中心碳偏析指數到1.08，這有利于軋材成分的均勻和加工性能的提高。實踐也表明，加熱裝備能效與常規耐火材料適用性等方面還需要進一步考證。

盡管等離子加熱可以有效提高中間包內的鋼水溫度，但鋼水的溫度分布并不均勻，通常是中間包上表面溫度高、底部溫度低[33]，這是由于加熱室的上部鋼液會由于熱浮力作用而滯流，降低了傳熱效率[18,34]。為解決這一問題，科研人員研究了中間包底吹氣技術[35,36]和電磁攪拌技術[18,34]，以期改善包內鋼水溫度的均勻性并延長中間包包蓋壽命。然而，這些嘗試均涉及到對中間包結構的不同程度改造，工業生產過程中的適用性和安全性還有待深入研究。另外，等離子加熱過程中鋼水上面的硅酸鹽覆蓋劑會對加熱效果產生不利影響，導致系統輸出功率和熱效率下降[17]。中間包內部結構和加熱位置也會影響加熱效果[24,37,38]，Barron-Meza等[37]的研究表明，在中間包中心位置加熱時熱響應更快，而在偏心位置加熱時，包內鋼水的溫度分布更均勻。王勇等[38]的研究表明，當加熱位置位于擋墻內側比外側中間包內的溫度分布更均勻，出水口處鋼液溫度上升更快，中間包死區比例更小。由此可見，通過選擇合適的中間包控流裝置和加熱位置，可以改善其澆注區各流鋼水之間溫度與流動的一致性。

1.3.2 等離子加熱對中間包鋼水N含量的影響

等離子加熱需利用Ar氣、N2等工作氣體形成高溫等離子體電弧熱源，等離子火焰槍作業過程中加熱室內也不可避免進入一定量的空氣，因此會導致一些鋼種不同程度增氮。電弧構型和表面活性元素濃度決定了鋼液中N含量的高低，表面熔渣和氮氣分壓也會影響鋼中增氮量。有研究[39]表明，通過選擇合適的電流方式和等離子槍極性，可以減少空氣滲透造成的氮氣吸附。在采用全N2和N2-Ar混合工作氣體時，鑄坯平均增氮約為4.7 × 10-6 [25]，而選擇全Ar氣作為工作氣體時幾乎不增氮[28]。另外，中間包覆蓋劑可以有效地減少吸氮[40]，因此，加熱功能應在覆蓋劑鋪展良好的情形下開啟，且應視鋼種對N含量的要求選擇等離子體氣體類型、混合比例乃至全Ar氣操作。

1.3.3 電氣特性對等離子加熱的影響

等離子槍電弧電氣特性不僅影響加熱能力，對電弧強度與穩定性也有重要影響。Essiptchouk等[41]模擬了中間包等離子加熱系統在轉移電弧作用下的電流-電壓特性發現，一定范圍內，電弧電壓對電流的特性表現出滯后現象。王存等[24]研究發現，等離子加熱的電弧越長，弧壓越高；使用時需要考慮最佳弧長和臨界弧長與電流的關系。

Yamamoto等[42]進行了磁場控制等離子體的研究，在頻率范圍為5~2000 Hz的交變磁場作用下，研究了磁場方向垂直或平行于等離子弧電流的直流轉移等離子體弧行為。發現在垂直磁場作用下，當磁場頻率小于50 Hz時，等離子體振蕩寬度不隨頻率變化，而當磁場頻率大于50 Hz時，等離子體振蕩寬度隨磁場頻率的增加而減小。在1000 Hz的平行磁場時，等離子火焰槍端部導體上等離子體的燃燒面積小于沒有磁場時的燃燒面積，磁場大于1000 Hz時，燃燒面積比沒有磁場時更大?？梢姡么艌隹梢钥刂齐娀〖訜岬哪芰考卸?。

1.3.4 其他研究

中間包加熱的核心目的是通過擴展其冶金功能提升鑄坯與后續鋼材質量。Isakaev等[29]研究了中間包等離子加熱技術對連鑄小方坯的宏觀組織和軋材力學性能的影響。結果表明，中間包加熱通過降低和穩定鋼水的澆鑄過熱度，可提高連鑄板坯的鑄態組織均勻性，板帶軋材的延展性和沖擊強度也有所提高。

作為一種新型輔助裝備，中間包等離子加熱的能效及其可能帶來的負作用也將直接影響其應用與發展。Neuschütz等[43]對比了等離子槍用石墨與金屬電極在尖端耗損率、鋼液增碳率和運行成本方面的差異，表明電極與鋼液意外接觸情形下石墨電極的耗損率與鋼液增碳呈正相關；而應用Ar氣等離子電弧的金屬等離子鋼液中的C、Mn和Cr含量幾乎不會發生變化。但對于C含量波動要求不是很高的鋼種，采用石墨電極的運行成本比金屬等離子槍要低。Badie等[44]對比了金屬電極氬氣弧和石墨電極氮氣弧2種加熱方式對中間包溫度的影響，表明后者的加熱效率更高。

針對直流轉移弧等離子槍，須在中間包底部安裝底部陽極，才能形成閉合的供電回路。由于底電極壽命需要與包襯保持同步，且底電極的安裝較為復雜，因此中間包耐火材料壽命和底電極安裝方式也會影響等離子加熱中間包的綜合應用評價[17]。此外，適合實際生產復雜工況的中間包等離子加熱自動化程度也會影響該技術的推廣應用。

關于等離子加熱中間包對鋼水潔凈度與夾雜物去除效果的影響，研究[28]認為，一方面采用等離子加熱后，中間包內鋼水會產生上升流，從而有助于夾雜物上浮被渣吸附；另一方面加熱后渣層溫度高、流動性好，提高了渣對夾雜物的吸附能力。然而，加熱室中間包耐火材料在高溫電弧熱輻射作用下的化學穩定性還缺乏有效的對比研究。

綜上分析，中間包等離子加熱技術能有效提升中間包內鋼水的溫度，有助于實現恒過熱或低過熱度澆鑄，但是在實際應用中還有一些不確定因素，比如電弧區局部高溫對加熱室耐火材料熔損和鋼水的二次氧化問題；局部高溫鋼水熱浮力控制與鑄流溫度分布的均勻性與一致性問題；鋼液不同程度增氮問題以及進一步降噪與提高熱效率問題等。結合實際鋼種生產特點與要求，基于服役環境與工況的應用研究仍然是亟待開展的工作。

2 中間包通道式感應加熱技術

與等離子加熱相比，基于電磁熱效應的中間包通道式感應加熱技術具有零噪音、不增氮和能量轉化效率高的特點。近年來，得益于國內實現了自主開發并進行了大量結合實際生產條件的應用研究，感應加熱中間包及其冶金效果已獲得較好的認可，并成為特鋼企業進一步提升與保障產品質量的重要手段。興澄特鋼、大冶特鋼先后引進了日本的中間包感應加熱技術。湖南中科電氣股份有限公司作為國內一家電磁冶金的龍頭企業，針對用戶中間包原型結構特點，自主開發了不同形式的感應加熱裝置，并在邢臺鋼鐵、濰坊特鋼、沙鋼、包鋼、敬業鋼鐵等多家企業上線應用。

感應加熱中間包的開發可追溯到1984年Ueda等[13]的一項專利，隨后川崎制鐵的Yoshii等[45]、新日鐵室蘭制鐵所的二川哲雄等[46]、日本鋼管的山口隆二等[47]、瑞典通用電機公司(ASEA AB)的Kollberg等[48]相繼提出了單通道式、雙通道式、水平式、集中式中間包感應加熱裝置。我國對于感應加熱中間包的研究比國際上晚十幾年，1994年趙沛等[49]首先研究了感應加熱中間包的加熱效果，此后，毛斌等[50]、李愛武等[51]、張家泉等[52]等相繼提出了蝶形、旁通式、十字型中間包通道感應加熱裝置，使其能夠應用到各種類型的中間包結構中。近年來通道式感應加熱技術在理論和工程應用方面均得到了快速發展。

2.1 通道式感應加熱原理和通道布置

中間包通道式感應加熱技術利用電磁感應原理，讓進入注流區的鋼水在通道內產生感應電流，從而實現自身發熱與升溫。其基于鋼包注流鋼水的實際溫度與澆鑄溫度要求，通過調控電磁感應線圈的加熱功率來實現鋼水的恒過熱度連鑄。如圖2[53]所示，加熱器感應線圈中心是閉環鐵芯，其中環繞鐵芯的線圈是一次回路，鋼水通道和中間包內的鋼流形成二次回路。對線圈輸入工頻交流電時，線圈內產生交變磁通。該磁通切割由鋼水構成的閉合回路，將在鋼水中產生感應電流和Joule熱，從而實現溫升[5,15,53]。通道式感應加熱裝置由鐵芯、線圈、保護套、流鋼通道以及冷卻系統等組成。

圖2

圖2   中間包通道式感應加熱原理示意圖[53]

Fig.2   Schematic of channel-type induction heating in tundish[53]

感應加熱器由鐵芯和多匝線圈組成，其作用是在通道中鋼水內產生交變磁通。保護套一般采用不銹鋼材質，主要作用是支撐外部耐火材料、控制加熱器位置和安裝冷卻系統。冷卻系統包括風冷式和水冷式，可以將鐵芯和線圈自身產生的熱量帶走，保護加熱設備。流鋼通道的主要作用是將中間包注流區鋼水引入澆注區并通過感生電流加熱鋼水。

通道式感應加熱器有單線圈感應加熱器和雙線圈感應加熱器。單線圈感應加熱器一般采用風冷式，雙線圈感應加熱器采用水冷式?；谥虚g包包型與加熱器設計，通道的布置方式亦有所不同[4,5,19,50]。圖3[53]所示為一個7流中間包通道結構和安裝位置示意圖。通道式感應加熱可適用的中間包形狀基本滿足現有各種連鑄生產條件，包括T型、一字型、H型、L型等常用中間包。選擇加熱器和冷卻方式時，需綜合考慮加熱器功率、現有中間包結構改造難度以及安全性可靠性等因素。

圖3

圖3   7流中間包感應加熱通道裝置示意圖[53]

Fig.3   Schematic of heating channel location in a 7-strand tundish[53]

設計感應加熱中間包時，應充分考慮長水口與澆注區浸入式水口之間的距離(鑄機澆注距離)[54]，保證通道的最佳長度，使鋼水得以充分加熱，且通道能多次使用。目前工業應用中大多采用的是直通道結構，如圖3[53]所示。為增加鋼水受熱面積，研究人員還提出了一種環形通道設計[55,56]，其在保證注流區與澆注區體積和距離均不變的情況下，增加了加熱通道長度。較傳統直通道，加熱效率和夾雜物去除率均有所提高。此外，為解決狹長型多流T型中間包使用直通道各流溫差大的問題，李小松[57]設計了一種分口通道，應用于特殊鋼工業生產并取得了很好的效果。

無論采用哪種通道結構和布置方式，電磁感應產生的感應電流均需形成閉合回路，即電流經過通道和中間包內的鋼水應形成閉合回路[30]。因此在中間包內設置擋墻、擋壩等控流裝置時應注意澆鑄過程中可能會因無法形成閉合回路而不能實現加熱的功能。布置通道時，可選擇在中間包靠近底部埋設，與注流區底部保持同一水平面，以避免通道內鋼水在澆注結束后滯留于通道內。通道安裝時應注意安裝位置、通道長度和內徑等對冶金效果的影響，同時要注意耐火材料材質與所生產鋼種的匹配。另外，內襯砌筑時需設置漏鋼預報網線，保證感應器的使用安全[54]；砌筑前需對通道和中間包永久層進行絕緣檢查[31]。

2.2 感應加熱中間包的流場研究

如前所述，中間包流場決定著各流鋼水溫差和鑄坯質量的穩定性及一致性。普通中間包一般采用擋墻、擋壩等控流措施來改善中間包內流場。通道式感應加熱中間包分為注流區、通道和澆注區3部分，鋼水由注流區進入通道，加熱后由通道流出進入澆注區。由于加熱器和通道的設置，其鋼水流動與傳統中間包有很大差異。眾多學者采用冷態水模擬的方法研究了感應加熱中間包內鋼水的流動，如安航航等[58]針對4流中間包的研究表明，有通道加熱裝置的中間包和無通道的中間包優化得到的最佳控流裝置并不相同。竇為學等[59]針對單流感應加熱中間包的研究發現，無控流裝置的中間包直通道對鋼液的流動限制較大，在通道出口兩側容易形成死區。采用上下擋墻組合的方式可有效改善感應加熱中間包內的流場、降低死區比例并基本消除短路流。蔡亦凡等[60]對6流八字型通道式感應加熱中間包研究發現，使用變徑通道可以有效改善流場的分布，增加流向中間包中部的流股。以上研究均是采用等溫的冷態水進行模擬，而感應加熱中間包通道內外鋼水有溫差，則以上研究方法是否適合感應加熱中間包研究值得探討。Joo等[61]認為：中間包內非等溫條件下的流體流動形態與等溫條件下不同，非等溫條件產生了自然對流和浮力驅動流。因此，有必要研究非等溫條件下感應加熱中間包內鋼液的流動規律。為此，前期工作[53,62]用不同溫差的水模擬了7流雙通道感應加熱中間包的流場，發現：流體流動狀態與等溫流動有很大差異。流體經加熱從通道流出后會形成明顯的上升流，通道內外溫差越大，中間包各流的一致性越好，整個中間包內的流場越均勻。通道內外只要保證5℃的溫差，即使中間包內不設任何控流裝置，流場也很均勻，死區幾乎為0。這為感應加熱器的供電方式指明了方向。但由于實驗條件所限，前期研究并未考慮電磁力的作用。若考慮電磁力作用和通道布置方式，中間包內流場將會發生變化。因此設計能夠測量電磁力和加熱效果的物理裝置將是以后需要加強的方向。

數值模擬依然是研究中間包流場的重要方法。相較于水模擬，數值模擬研究效率高且可以精細地顯示鋼水的流線、速度矢量等特征參數，并可考慮電磁力和Joule熱對鋼水流動的影響[63~73]。岳強等[64,65]計算模擬了7流雙通道感應加熱中間包在不考慮Joule熱和電磁力作用、只考慮Joule熱作用、以及同時考慮Joule熱和電磁力作用3種工況下鋼水在通道內外和中間包內的運動，其中間包內的流場有明顯差異。當不考慮Joule熱和電磁力作用時，通道內流出的鋼液以較大的速率沖擊側包壁，折返后形成向上的渦旋流。若只考慮Joule熱，則鋼液從通道流出后，直接流向鋼液面，整體形成一個大的渦旋流。在Joule熱和電磁力的共同作用下，鋼水在通道內呈螺旋狀流動，從通道流出后有較大的旋轉速度，在澆注區的流線亦呈螺旋狀，其流動狀態與前2種工況有明顯不同。由此可見，電磁力和Joule熱均對中間包內鋼液的流動有顯著影響，鋼液的流動狀態最終取決于電磁力和Joule熱的綜合作用。由于電磁力具有方向性，因而這種作用也受到通道設計傾角的影響。

邢飛等[70]研究了加熱功率600 kW時通道傾角對一個單流模型中間包流場的影響，表明：當通道傾角為0°時，鋼液流出通道后直接向上運動，控制不當可能造成表面卷渣，不利于穩態澆注；當通道傾角向下4°時，緩解了鋼液向上的沖擊力，但也會沖擊到表面渣層以及中間包前壁面；當通道傾角為向下8°時，基本避免了卷渣及對前壁面耐火材料的侵蝕，且澆注區的湍流強度較小，分布比較均勻?？梢姡槍χ虚g包結構特點，合理的通道傾角設計十分重要。通過調控傾角可以更好地實現優化中間包流場的目的。

通道結構同樣會影響感應加熱中間包的流場。傳統直通道工況下，鋼液優先從通道附近的浸入式水口流出，易在此處形成短路流，在遠離通道的區域形成死區。而環形通道[56]、分口通道[57]、變徑通道[60,73]等由于改變了通道出口鋼液流動方向，使得澆注區溫度分布更加均勻，避免了死區的出現，進一步改善了包內流場。

此外，對于一定通道結構，不同加熱功率下其冶金效果也可能有所不同[71]。現有研究表明，通道式感應加熱中間包內擋墻擋壩的設計、通道類型、安裝傾角、出口直徑、電磁力大小、鋼液溫差以及加熱功率等均會對包內流場產生不同程度的影響。因此，對于感應加熱中間包的設計與應用應結合實際生產條件，是一個系統工程問題。

2.3 感應加熱中間包內溫度場研究

中間包內鋼水溫度的窄范圍控制對提升鑄坯質量和保證生產順行至關重要。中間包感應加熱技術的首要目的是補償鋼水熱損失、減小澆注過程中的溫度波動、實現恒溫恒拉速澆注。對于多流中間包，還需盡量減小各流出口溫差以保證各流鑄坯質量的一致性。工業試驗[15,19,31,58,74]表明，中間包使用感應加熱后正常生產狀況下可將鋼水溫度波動控制在± 5℃內，整個加熱過程溫度變化平穩，合理的中間包控流結構設計仍然是保障其冶金效果的重要基礎。

近年來，基于數學模擬對中間包內鋼水的溫度和均勻性與供電功率、通道結構、中間包控流裝置等因素的關系開展了大量研究。表明：電磁力產生的Joule熱主要集中在通道中，通道內鋼液溫度沿著流動方向逐漸增加[65,75~78]，且對于不同的中間包結構和容量，加熱升溫效率也不相同。如針對7流雙通道感應加熱中間包[65]，當加熱功率為900 kW時，加熱240 s，通道內的溫度可升高30.1℃。而在同樣的供電功率下，對于某單流板坯連鑄中間包，加熱145 s通道內鋼液的溫度即可升高31.8℃。通道結構和控流裝置不僅影響流場，同時影響其溫度場。邢飛等[70]發現，通道傾斜角度為0°和4°時中間包澆注區的溫度分布基本相同，通道傾角8°時澆注區的溫度比通道傾角0°和4°時低，且整個中間包的低溫區范圍更大。環形通道與直通道相比，環形通道的加熱效率更高，平均升溫幅度比直通道高(2~5)℃，澆注區溫度分布也更加均勻[56]。通道環半徑為3 m的熱效率較通道環半徑2和4 m的高[55]。在此半徑下，隨著加熱功率由600 kW增加到800 kW，澆注區內溫度逐漸升高，分布比較均勻。但當加熱功率增加到1000 kW時中間包內溫度場反而變得不均勻，溫差變大[72]。由此可見，合適的通道尺寸、傾角、供電功率是保障中間包溫度均勻的必要條件。有研究認為，與直通道相比，使用變徑通道[60,73]和分口通道[57]可以提高中間包內鋼水溫度分布的均勻性，并可將各出水口溫差控制在3℃以內。在感應加熱中間包內合理設置控流裝置[57,66,69,79,80]，同樣可以優化中間包溫度場、降低各流溫差。

中間包注流區(沖擊區)是接納鋼包鋼水的區域，其容積對中間包通道加熱效果同樣具有一定的影響[63]。注流區體積越小，鋼水在通道的加熱效果越好，但其體積太小會加劇來自鋼包長水口鋼水對此區域中間包耐火材料的沖刷。另外，中間包通鋼量與出水口流速越小，相同加熱功率和加熱時間下鋼液經加熱通道后的溫升越高，且通道中靠近線圈一側加熱速率更快、背離線圈一側加熱相對較慢[75]。

2.4 感應加熱電磁場研究

感應加熱是通過電磁感應的原理先將電轉換為磁，鋼液切割磁場產生感應電流和Joule熱使鋼水升溫。眾多學者針對感應加熱中間包內磁場、感應電流場、電磁力場和Joule熱的分布展開了研究。

Vives和Ricou[81]建立了一個感應加熱爐實驗模型，以金屬Hg為介質測量了爐內電磁場的分布。該模型與通道感應加熱中間包的結構類似，鐵芯套在通道上，在加熱爐內部形成循環的感應電流實現對金屬Hg的加熱。這也是為數很少的關于感應加熱爐中電磁場的實驗測量。結果表明，在通道橫截面上的磁場線近似為同心圓。電磁力作用在通道的水平截面上，指向通道中部，從而產生“箍縮效應”。箍縮效應有利有弊，尤其是在澆鑄初期、末期和換包期間因溫降較大需要加大功率以快速加熱，此時的箍縮效應較強，會導致鋼水沖刷中間包耐火材料，嚴重時甚至會使鋼液斷流，因此在使用時應注意避免箍縮效應的負作用[5]。

在Vives物理實驗[81]的基礎上，針對感應加熱中間包的電磁-流動-熱耦合數學模型研究十分活躍[64~66,68,69,77,78,82,83]。研究表明，電磁場的有效作用區域主要在通道及與通道接觸的壁面。感應電流在注流區、澆注區以及通道間形成電流回路，通道內的電流密度遠大于注流區與澆注區。由于電磁力指向通道的偏心位置，鋼液流過通道時具有一定的旋轉速度從而使其表現出與傳統中間包不同的流動狀態。感應電流產生Joule熱，且Joule熱的分布與感應電流的分布大致相同。此外，由于集膚效應與鄰近效應，通道靠近線圈一側的磁場比其他區域大，加熱功率對電磁力和Joule熱密度有顯著影響。這些研究不僅為中間包感應加熱技術的發展提供了重要的理論基礎，也極大地豐富了中間包冶金學的研究內容。然而，現有電磁數模的驗證多基于Vives和Ricou[81]對低熔點金屬Hg的物理測量結果。鑒于介質物性參數差異的影響，如何更好地針對鋼液熱特性建立更加合理的物理模型，加強液態金屬電磁感應加熱過程介質內電磁場分布特性的實驗測量，對于校驗和深化電磁-流動-熱耦合模型研究，更好地指導實際應用，均是十分必要的。

2.5 感應加熱中間包對鋼水夾雜物去除的影響

中間包不僅是連鑄生產過程中分配鋼液的容器，也承擔著去除夾雜物、改善鑄坯質量的任務。感應加熱過程的熱效應與電磁力學效應均可能對鋼水中的夾雜物運動行為產生一定程度的影響，從而影響其夾雜物去除效果。

Mabuchi等[84]和Miura等[85]基于工業試驗研究了感應加熱對中間包內鋼液潔凈度的影響，發現采用感應加熱的中間包對應鑄坯中夾雜物數量減少、板坯表面質量提高。其原因通常被歸屬為鋼水中電磁力引起的箍縮效應和溫差造成的上升流動[4,19]。通道內鋼水的電磁箍縮效應使密度較大的導電鋼水向中心箍縮，而密度較小的不導電夾雜物受到與電磁力方向相反的泳動力(電磁力梯度產生的力)作用向通道壁泳動并附著在通道壁上被去除。另一方面，通道中鋼水由于箍縮效應流出速率加快，加之受熱后形成的密度差，通道出口鋼水將產生上升流。受這種電磁和熱效應的影響，澆注區鋼水混合作用加強，從而不僅促進了鋼水溫度的均勻化，也使懸浮其中的夾雜物顆粒更容易碰撞、長大和上浮去除。

近年來，有研究者[15]對比了中間包在無感應加熱、感應加熱功率大于1000 kW和小于1000 kW工況下Q235、Q345連鑄板坯在后續板帶軋材中的表面缺陷指數。發現當加熱功率小于1000 kW時，缺陷指數低于無加熱時生產工況；但當中間包加熱功率大于1000 kW時，產品表面缺陷指數又有增加。可見，感應加熱條件對中間包去除夾雜物的冶金效果有重要影響，同時也存在一個合理的加熱功率。毛斌等[19]跟蹤了國內某鋼廠使用通道式感應加熱中間包后的鑄坯軋材中夾雜物改善效果，其直徑6 mm盤條中總氧由常規連鑄條件下約5.8 × 10-6降低至5 × 10-6以內，直徑7 mm盤條由6.5 × 10-6降低至5.2 × 10-6。肖紅等[86]對感應加熱中間包應用過程的熱調試、試生產及正常生產中出現的各種情況進行了總結分析，發現合理安放通道磚的角度、出口位置以及設置擋墻、擋壩等改善中間包流場的舉措均有利于提高實際生產中夾雜物的去除效果。其中，采用通道感應加熱時，軸承鋼中大顆粒夾雜物(> 15 μm)基本去除，小顆粒夾雜物也大大減少。謝文新等[31]對30 t的H型感應加熱中間包的工業應用結果進行了統計分析，發現使用適中的感應加熱強度可明顯改善鋼材產品中夾雜物控制水平，降低夾雜物指數。

至今為止，衡量中間包夾雜物去除效果最可靠的方法仍然是實驗檢測與比對。但在一定假設條件下，發展流體動力學數值模擬研究中間包內夾雜物的去除率，還可能揭示鋼水中夾雜物的去除路徑，對中間包冶金技術的進步有重要意義。Lei等[87]通過計算模擬比較了一個雙流感應加熱中間包在Joule熱和電磁力作用下中間包內、通道內、注流區、澆注區4個區域中夾雜物的去除率，表明：Joule熱和電磁力均可以提高夾雜物的去除率。與Joule熱相比，電磁力是影響夾雜物運動的主要因素。開啟感應加熱時，通道內的夾雜物去除率高達整個中間包內夾雜物去除率的1/3，開啟加熱較不開啟加熱中間包內夾雜物去除率提高14%。

關于感應加熱功率對夾雜物去除效果的影響，也有模型研究[88,89]表明，通道中的夾雜物受電泳力作用而向通道壁面運動，力的大小與夾雜物粒徑呈正相關，因此電泳力對大夾雜物的去除有顯著促進作用。增大加熱功率可提高夾雜物的碰撞幾率，因此當感應加熱功率由800 kW增加到1200 kW時，中間包的夾雜物去除率可由67.45%提高到96.43%。此外，通道形狀和尺寸對夾雜物去除效果同樣有影響。在相同的加熱功率下，環形通道較直通道更有利于夾雜物去除。通道環半徑為2和3 m時夾雜物的去除效果較好，而半徑為4 m時效果稍差，主要與通道長度有關。在3 m通道環半徑下，隨著加熱功率的增加，澆注區內溫度逐漸升高，夾雜物去除率也隨之增加[55,72]。正多邊形與圓形通道截面相比，后者的去除率高于前者，達到47%[90]。值得指出的是，鑒于多相流、多物理場耦合研究的復雜性，模型研究的科學驗證至今還十分欠缺。采用實際生產條件下的實驗檢測結果定量比對這類復雜模型的計算結果往往也是權宜之計，且用戶針對中間包加熱對鋼水潔凈度影響的比較研究目前還不夠精細，公開報道的信息也十分有限，因此，深化模型研究并設計可靠的實驗驗證，尤其是對中間包加熱去除夾雜物機理的深入認識，仍然是未來需要進一步加強的工作。

3 近年來應用研究新進展

近年來，國內實現了不同結構高效能感應加熱中間包的自主開發，并在多家特鋼企業不同容量中間包中得到推廣應用。針對實際應用的需要，作者團隊對特殊鋼長材生產中常用的感應加熱多流中間包開展了一系列物理和流體動力學數值模擬研究，其中發現的新現象、新問題也推動了中間包冶金學的發展。

傳統常規中間包的流場優化主要是依據相似原理，用常溫水進行冷態模擬[91,92]。然而感應加熱中間包通道內外鋼水有溫差，用等溫水模擬無法真實反映感應加熱工況下的鋼水流動。基于一臺國內在用的7流T型通道式感應加熱中間包(結構示意如圖3[53]所示)，用不同溫差的水模擬了加熱工況，發現有溫差的非等溫流動和無溫差的等溫流動差異明顯，如圖4[53]和圖5[53]所示(因中間包為對稱結構，因此取其中的4流進行了研究)。由圖4[53]可見，當通道內外有溫差時，流體產生了上升流，由通道流出的熱流首先到達中間包表面，這為鋼中夾雜物被頂渣吸收創造了良好的機會。熱流充滿中間包表面區域后整體而不是局部向下擴展(圖4c)[53]，這有別于等溫實驗。因此當熱流自上而下逐漸充滿整個中間包時，中間包流場比較均勻，各流一致性較好。而在如圖5[53]的等溫實驗中，示蹤劑從通道流出后部分向上流動到液面附近，另一部分則直接從2#水口流出形成短路流。示蹤劑的主要流動方向指向中間包窄邊兩側，而中間區域即4#水口所在區域流動不活躍，導致各流流動差異較大。研究[53]還表明，通道內外溫差越大，各水口的一致性越好，死區比例越小。

圖4

圖4   通道內外溫差5℃不同時刻中間包非等溫水模擬流場[53]

(a) 53 s (b) 91 s (c) 215 s (d) 478 s

Fig.4   Non-isothermal flow fields of tundish at different moments with 5℃ of temperature difference between inside and outside the channel[53]

圖5

圖5   通道內外溫差為0℃不同時刻中間包等溫水模擬流場[53]

(a) 23 s (b) 38 s (c) 101 s (d) 205 s

Fig.5   Isothermal flow fields of tundish at different moments with 0℃ of temperature difference between inside and outside channel[53]

由于水模擬實驗無法模擬電磁力和Joule熱對中間包內鋼水升溫的影響，利用數值模擬方法研究了供電功率、供電時間等因素對鋼水溫度的影響，表明在相同的供電功率下隨著加熱時間的延長，通道內外的溫差縮小，鋼液上升的趨勢逐漸減弱[53]。這一研究結果為感應器的供電方式和合適溫差的選取提供了依據，并有望成為未來重要的研究方向。

針對該7流中間包，還通過數值模擬比較了不同控流方案下5、10、30和50 μm 4種粒徑夾雜物的去除率和運動路徑[53]，發現對同一種中間包控流結構，開啟加熱后夾雜物去除率遠高于未開啟加熱時的去除率，驗證了感應加熱具有去除夾雜物的功能。且水模擬實驗中流動特性好的方案夾雜物去除效果同樣較好，說明水模擬實驗方法對研究感應加熱中間包依然具有重要的指導作用。大尺寸夾雜比小尺寸夾雜容易去除是由于其運動路徑差異，如圖6[53]所示，50 μm的大尺寸夾雜從通道隨鋼液流出后在自身浮力和上升流的作用下，直接到達鋼-渣界面被渣吸收，30 μm的夾雜物有部分返回鋼液，而10和5 μm的夾雜物返回得更多，且有部分無法上浮到液面，因此去除率較低。

圖6

圖6   某方案下不同粒徑夾雜物在中間包內運動路徑[53]

(a) 50 μm (b) 30 μm (c) 10 μm (d) 5 μm

Fig.6   Paths of different sizes of inclusions in tundish[53]

依據優化結果應用于工業生產后，發現之前各水口對應鑄坯質量差異大的問題得以改善。優化前由于通道出口靠近2#水口、遠離4#水口，因而在2#水口易形成短路流，而在4#水口附近形成死區，現場生產確實發現2#水口對應特鋼鑄坯夾雜物含量高、探傷合格率低，優化后改善效果明顯。

H型中間包是一種非常有特色的中間包結構，通過耐火材料通道將注流區和澆注區(又稱分配區)分開，從而可減輕或避免連澆換包階段中間包液面波動造成的鋼水卷渣、鑄坯質量不穩定現象。H型中間包比較適合使用感應加熱，因加熱器直接安裝在通道上，不需像T型中間包另外設置通道從而占據澆注區空間。作者團隊[69,79,93]針對國內自主開發了H型6流通道感應加熱中間包，通過建立電磁-熱-流動耦合數學模型，研究了該中間包內電磁力的作用特點、鋼水的流動及傳熱規律，對比了感應加熱不同應用模式下中間包內流場和溫度場特點，并探討了傳統冷態水模擬研究方法對該感應加熱中間包結構優化的適用性。結果表明，針對圖7[93]的中間包結構，線圈產生的磁場主要分布在2個加熱通道上，在注流區和澆注區分布很少?？拷ǖ辣诿娴拇艌雒黠@大于通道內部，在1000 kW加熱功率下靠近線圈的內側壁面磁場最大達到了0.16 T。

圖7

圖7   H型6流雙通道感應中間包感應磁場分布[93]

Fig.7   Induced magnetic field (B) distribution in an H-type 6-strand dual-channel induction tundish[93]

磁場方向在通道截面沿著圓周旋轉分布，沿直徑方向由外向內逐漸減小，且磁場的中心位于通道的偏心位置，左右2個通道的磁場分布較對稱。通道內旋轉分布的磁場在中間包內形成了感應電流，感應電流同樣主要分布在通道內，并和注流區、澆注區形成了閉合回路。感應電流產生的Joule熱加熱流經通道的鋼水，從而達到補償澆注過程中鋼水溫降的目的。中間包內由于感應電流和磁場的作用產生了電磁力，通道內電磁力的分布與磁場分布規律相似，靠近壁面的電磁力大于通道內部。通道內的電磁力遠大于鋼液的重力[69]，因此電磁力對鋼液運動行為的影響較大，使得從通道流出的鋼液有向下運動的趨勢。

以上研究結果與前人工作[65,68,78,82,83]得出的磁場、電流和熱分布規律基本一致。研究[93]也表明：中間包內部結構不同，電磁力和Joule熱綜合作用下流體的流動和傳熱特性不同。裸包方案下，開啟感應加熱1500 s時比未開啟中間包內鋼水溫度高21℃，且由于電磁力作用使通道附近水口的短路流加劇、各流一致性變差。但通過冷態水模擬對中間包結構進行優化后，數值模擬顯示通道附近水口短路流消失，各流溫差降低、一致性改善、升溫速率加快。研究不僅揭示了這種新型中間包的冶金機理，同時也表明基于冷態模擬的中間包結構優化方法仍可作為感應加熱中間包結構設計和優化的重要依據，這為中間包新技術的推廣應用提供了重要的理論基礎。依據以上研究結果新建的H型中間包生產線運行以來，連澆過程中間包鋼水過熱度波動可穩定控制在± 3℃的設計目標，各流之間溫差為0~3℃，開啟加熱后渣線處耐火材料侵蝕與不開啟時無明顯差異。鑄坯質量一致性較原生產線改善明顯，滿足用戶生產高端齒輪、軸承、冷鐓等特殊鋼品種的質量穩定性要求，且終端鋼材用戶的質量異議減少[69]。

對于多流狹長型T型中間包，直通型通道會使其周圍水口形成短路流，而2個通道之間又會形成比較大的死區，且各流溫差大。如國內某特鋼廠一個5流中間包在軸承鋼和彈簧鋼澆注時實測中間包內邊部流和中間流鋼水溫差高達7~14℃。這種現象不僅影響各流鑄坯質量的一致性，也導致實際澆注過程需要提高鋼水過熱度，不利于發揮感應加熱中間包的冶金功能。造成這一現象的原因仍與感應加熱通道設計和中間包控流裝置有關，為此提出了一種分口通道設計[57,94]。使用該設計后水模擬得到的停留時間分布(RTD)曲線(圖8a[94])顯示3個水口的一致性較直通型通道水口(圖8b[94])大大改善，死區比例也由原來的29.50%降低到20.33%，鋼水平均停留時間較直通型延長了40 s。應用于工業改進后表明，分口式新型通道設計中間包各流澆鑄溫度一致性得到改善，其中邊部流和中間流的平均溫差較直通型通道降低了3.6℃，滿足了生產中控制各流溫度和鑄坯質量一致性的需要，實現了感應加熱中間包應用效果的進一步提升。

圖8

圖8   不同通道結構中間包水模擬停留時間分布曲線圖[94]

Fig.8   Residence time distribution E(θ) curves in tundish from water modelling (θ—dimensionless time)[94](a) split channel(b) straight channel

通過對多流感應加熱中間包的研究與應用，本研究團隊目前基本掌握了常見奇數流和偶數流感應加熱中間包流場設計優化的原則。結合數值模擬方法，通過揭示感應加熱中間包溫度場、電磁場和夾雜物運動規律，可以從感應加熱器設計與選擇開始，更好地提高該類中間包的冶金效果。

4 問題與討論

中間包感應加熱技術近年來在工業界得到快速推廣應用，其技術經濟性和鑄坯質量提升效果也在生產中得到進一步的認可。同時，由于不同用戶生產條件與品種質量要求的差異，在應用研究中有以下問題值得深入研究與探討。

(1) 傳統冷態模擬方法的局限性

感應加熱中間包具有不同的包型結構和特殊的傳熱、流動特性，控流結構設計過程中，傳統的物理模擬優化中間包流場的方法對感應加熱中間包仍然具有一定的指導意義，同時也存在一定的局限性。

傳統中間包通常是基于冷態物理模擬和數學模擬相結合的方法對其控流結構進行優化。該方法為工業界普遍接受并被證明是一種行之有效的方法[69]。一般認為冷態模擬條件下流場好的方案溫度場也是相對均勻的。然而，針對感應加熱中間包，由于通道內鋼水受到電磁力的箍縮作用以及由通道內外溫差產生的熱浮力作用，傳統的冷態模擬優化中間包結構方法對感應加熱狀態的適用性和適用程度如何？另外，在鋼包澆注前期，由于鋼水溫度較高，感應加熱功能不需開啟，通常在澆注中后期才開啟加熱模式。因此，針對實際生產澆注工況特點，感應加熱開啟與否，中間包內鋼水的流動和傳熱規律有所不同。如何針對多種使用工況設計中間包結構是目前工業界非常關注的問題。

(2) 電磁模型的驗證

冶金過程的高溫特性使得其無法像常溫流體那樣可以通過實驗進行準確模擬再現，而計算機和計算科學的發展為通過數學方法模擬鋼液的運動行為提供了條件。通過建立準確的電磁-流動-熱耦合模型可以預測電磁場作用下高溫鋼水的流動和傳熱，進而指導實際生產工藝的設計和改進。在對中間包感應加熱的電磁-流動-熱耦合模型的預測中，大多采用的是Vives和Ricou[81]以金屬Hg為介質測量的一個感應加熱爐模型內電磁場結果進行驗證。該介質的物性參數不同于鋼液，因此有必要針對鋼液熱特性建立更加合理的物理模型，測量其電磁場分布以更精確地校對電磁-流動-熱耦合模型。

(3) 如何通過調控供電模式和通道設計控制中間包內鋼水的流動和傳熱

作者團隊前期研究[69]表明，感應線圈的安放方式、通道結構、供電模式均對鋼水的流動有很大影響。當線圈與通道垂直或水平設置時產生電磁力的大小和方向均不相同，因而冶金效果亦不相同。當通道出口下傾時，電磁力的箍縮效應可能會加速出口鋼液的短路流、加重中間包包底或前壁耐火材料的侵蝕，而當傾角向上時鋼水的上升流可能會對中間包側壁造成一定的沖刷，在某鋼廠發現使用感應加熱澆注幾爐后中間包側壁出現沖刷坑。此外，上升流也可能導致中間包覆蓋劑卷入鋼水中，從而增加鑄坯中大尺寸的外來夾雜物數量。如何根據準確的數值仿真和試驗結果調控線圈安放方式和通道角度是提升中間包冶金效果的一個重要環節。另外，在前期初步的理論研究[53]中發現，在同一功率下隨著供電時間的延長通道出口鋼液的上升趨勢減弱，且通道的結構和設計傾角對上升流的形成有明顯影響，這提供了一個啟示：如何通過調控供電模式、通道結構達到對鋼水流動的控制。目前的工業應用采用的大都是直通道、固定供電功率和頻率下的加熱，這勢必會造成隨著加熱時間的延長通道內外溫差減小，接近等溫流動。是否可以通過間歇式加熱或動態調控澆注過程中的供電功率，讓通道內外不斷產生合適的溫差，從而活躍流場、降低死區比例，值得深入研究。

(4) 夾雜物去除機理和效果研究

高端特殊鋼產品如高速機車的輪轂、軸承、簾線等對連鑄坯內部潔凈度要求非常高。目前不少特鋼企業已開始應用中間包感應加熱技術，實踐表明該技術有效地降低了鋼水上臺溫度，實現了恒過熱恒拉速連鑄。然而，感應加熱中間包去除夾雜物特別是小尺寸夾雜物的能力至今缺乏來自一線的詳細報告，相關定量的理論研究也比較欠缺。邢臺鋼鐵公司最早使用國產化感應加熱中間包技術，其應用目的主要是解決高碳軸承鋼的偏析、疏松問題。實踐表明，使用中間包感應加熱技術后鑄坯的偏析、疏松確有減輕，但到目前為止對于夾雜物的去除效果尚未做系統試驗比較。日本在20世紀八、九十年代對中間包感應加熱應用效果進行了報道，表明使用感應加熱可以減輕鑄坯的中心疏松偏析等級，還可降低SUS304板坯皮下的大型夾雜物。與不加熱時比較，大型夾雜物可減少1/4~1/12，且非正常澆注期的板卷表面質量借助加熱可提高到正常澆注期的水平[84,85]。但這些報道大多是應用效果，針對其去除機理研究很少，一般均定性地解釋為通道受熱鋼水的上升流和電磁箍縮力的綜合作用使夾雜物減少。但2者的作用孰重孰輕，定量化的描述很少，也沒有通道中有效吸收夾雜物的明確試驗數據。夾雜物去除可能有通道吸附的貢獻，也可能基于上升流帶動夾雜物上浮去除，還可能是由于電磁力對夾雜物的驅動作用，改變了其流動軌跡，使其更容易碰撞長大。在影響夾雜物去除的各種作用力中，各自所占份額及其主導因素尚需深入探討。國內一些學者[55,72,87~89]近年來通過數值模擬研究了夾雜物的去除效果，但大多是針對單流或雙流中間包的模型研究，未見相關工業應用背景與效果的報道。特殊鋼長材生產多采用多流方坯或圓坯連鑄，應該針對在服役的該類中間包，通過工業試驗和模擬相結合的方法，系統研究夾雜物的去除機理，為提升感應加熱中間包的應用效果提供依據。

(5) 針對不同鋼種通道耐火材料的開發

在感應加熱中間包中，所有鋼水需經過通道進行加熱，通道內鋼水的溫度高于通道外。一方面鋼水要與通道耐火材料長時間接觸，另一方面由于電磁力的作用鋼水在通道內呈螺旋狀加速運動流出，會加劇通道耐火材料的沖刷侵蝕，從而對通道耐火材料提出了很高的要求。此外，鋼水中的夾雜物與耐火材料之間會發生化學反應，不同鋼種中夾雜物類型不同，如鋁脫氧鋼中主要的夾雜物是Al2O3，而硅錳脫氧鋼的主要夾雜物是SiO2和MnO，因而耐火材料的選擇也應有所不同。目前幾乎所有的鋼種都使用同一種耐火材料，有必要針對不同鋼種開發相應的通道耐火材料。

(6) 感應加熱線圈供電模式與鋼種合理匹配的理論基礎

目前，通道式感應加熱中間包在國內的應用主要是補償鋼水熱損失，其中加熱模式和供電參數的選擇多依據經驗，在役的感應加熱中間包大多采用1000 kW和50 Hz進行加熱。然而，針對不同鋼種和斷面，其過熱度和拉速有所不同、過程溫降不同，導致需要補償的熱量并不相同。即使對于同一鋼種，整個澆注過程中拉速或通鋼量也可能不同，因此應該動態調控。如何實現功率參數、供電時間、熱效應與鋼種和澆注工藝的合理匹配仍需要深入的理論支撐。

5 結論與展望

中間包加熱控溫是當前鋼鐵生產中代表性的連鑄裝備新技術，對實現恒溫恒拉速澆鑄、進一步提升連鑄生產效率、穩定產品質量具有重要意義。中間包內鋼水溫度和溫差的窄范圍可控不僅是發展高效連鑄和調控鑄態組織的重要手段，同時也大大豐富了中間包冶金學的研究內容。

綜合來看，以感應加熱為主的中間包加熱技術近年來在我國特鋼企業得到快速推廣，其技術經濟性、提升與穩定鑄坯質量的效果也在不同企業得到體現。因用戶水平、生產條件與品種質量要求等方面的差異，中間包加熱技術擴大應用的同時，也發現一些理論與工藝問題亟待深入研究與解決。比如，等離子加熱技術的加熱效率與溫度均勻性問題、起弧穩定性與耐火材料消耗問題等；通道式感應加熱中間包通道耐火材料的合理選擇，以及如何提高中間包體積利用率的問題等。此外，如何合理選用加熱器類型、匹配供電模式與鋼種、拉速之間的關系以及通道結構與中間包包型、容量間的關系，如何進一步提高控溫精度和鋼中夾雜物的去除率，以及多流連澆中間包各流流動和溫度的一致性等均是未來應該加強的研究方向。同時值得指出的是，任何新裝備新技術應用效果的體現均是一個系統性的工作，結合實際生產條件的應用研究將會推動其不斷發展與完善。

來源--金屬學報