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钢包出钢系统作为衔接炼钢和连铸之间的一项特殊作业在钢材生产过程中起着至关重要的作用。为了避免传统出钢系统用引流砂对钢液带来的污染,提高钢包自动开浇率,生产高洁净、高品质的钢材,本文提出了一种新型电磁出钢方法。其工作原理是利用与钢液成分相同或相近的Fe-C合金颗粒代替传统引流砂,在钢包出钢过程中利用安装在水口座砖内的感应线圈加热,使钢包底部上水口的Fe-C合金全部或部分迅速熔化,从而实现自动开浇目的。 为了确保电磁出钢系统用钢包可以安全地用于工业生产,本文通过ANSYS有限元软件,在验证模型正确性的基础上,实现了初始温度非均匀条件下实际300t钢包磁-热-应力耦合场的数值计算。在此基础上研究了传统钢包、电磁出钢系统用钢包的温度场和应力场,提出一种可使感应加热线圈在高温水口砖内正常工作的隔热方法,讨论了该隔热方法的作用效果,并验证了电磁出钢系统用钢包的热稳定性及其结构安全性;此外,通过对感应加热效果的磁-热耦合分析,探讨了电源(电流及频率)和线圈(直径、长度和距钢液的高度)参数对开浇时间的影响规律,并得出一套可用于工业生产的电源及线圈参数。不仅为今后的实验方案提供了参考数据,而且对电磁出钢系统的工业应用提供了理论支持。 通过本文的研究,得出的主要结论如下: (1)相对于传统钢包,在水口座砖内置入感应加热线圈的电磁出钢系统用钢包温度波动较小(最大波动温度为40℃),进而验证了电磁出钢系统用钢包的热稳定性。 (2)提出一种可使感应加热线圈在高温水口砖内正常工作的隔热方法,当隔热层厚度δ=40mm、导热系数九=0.03W/(m·K)时,线圈的环境温度由1002℃降低到467℃,满足线圈的工况温度要求,可使线圈在高温的钢包底部正常工作。 (3)线圈的结构参数(直径、长度和距钢液的高度)对感应加热效果有显著的影响,对于工业应用的300t钢包,线圈的直径D=280mm、长度L=102mm、高度H=206mm时,加热效果和结构安全最为理想。 (4)感应加热电源的电流和频率参数均与开浇时间成反比,并且相对于电源频率,电流参数对开浇时间的影响更大。当电流I=1.8kA、频率f=10kHz时,钢包能够在60s内顺利开浇,满足工业生产的要求。