（冶金工程专业论文）喷嘴测试系统开发及南钢方坯连铸二冷制度优化.pdf

中文摘要 摘要 连铸二次冷却在连铸生产中占有非常重要的地位，不但关系到铸坯质量，而 且还与铸机产量密切相关。因此，建立合理的二冷制度( 包括喷嘴选型、布置方 式和配水控制模型) 具有重要的意义。 本文提出了现有喷嘴检测设备的不足，通过对喷嘴检测系统的完善与改进， 开发了新一代连铸喷嘴性能检测设备。对现有测试系统进行一系列改进，有效地 提高了测试系统对水流密度测试的准确性，减小了系统的测试误差，提高了喷嘴 测试精度。对南钢方坯铸机使用的水喷嘴和气水喷嘴进行了冷态性能测试，得到 了喷嘴的流量特性、喷射角、水流密度和冲击压力分布曲线，对四种不同类型的 气水喷嘴进行了比较，根据测试结果给出了气水喷嘴在一定工作条件下的最佳气 水比，得到了喷嘴的水流密度分布与二冷水量的关系式。 建立了方坯凝固传热数学模型，结合南钢方坯实际情况对模型边界条件进行 了优化，并进行了测温和铸坯坯壳厚度验证，结果表明模型的计算与实测结果能 够很好地吻合。二冷水量动态控制模型根据拉速的变化来实现二冷段动态配水， 在非稳态条件下为了保证配水的合理性，采用矫直点温度反馈的方法，即每隔a t 时间将矫直点温度与目标温度进行比较，产生反馈信号，调节水量变化，直至矫 直点温度控制在且标温度范围内，从而保证了较好的铸坯质量。 本文结合南钢方坯易切削钢种、中、高、低碳钢铸坯质量缺陷，分析了南钢 现有二冷制度存在的问题，根据不同钢种比水量的冷却要求和矫直点目标温度， 提出了二冷配水优化方案，并针对低碳钢钢种进行了测温验证和铸坯低倍质量观 察，结果表明二冷配水优化后，铸坯质量得到明显改善，有效地解决了与二冷有 关的质量问题。 关键词；方坯连铸，喷嘴测试，动态控制模型，二冷制度 英文摘要 a b s t ra c t t h es e c o n d a r yc o o l i n gs y s t e mh a s 趾i m p o r t a n ts t a t u sd u r i n gc o n t i n u o u sc a s t i n g p r o c e s s , i tn o to n l yr e l a t e st ot l a ep r o d u c tq u a l i t yd i r e c t l y , b u ta l s oa f f e c t sc a s t e o u t p u t t h e r e f o r e , e s t a b l i s h i n gap r o p e rs e c o n d a r yc o o l i n gs y s t e m ( i n c l u d i n gc h o i c eo fn o z z l e t y p e ，a r r a n g e m e n tm a i m e ra n dc o n t r o lm o d e lf o rw a t e rd i s t r i b u t i o n ) h a sas i g n i f i c a n t r o l ei nc o n t i n u o u sc a s t i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h en e we q u i p m e n td e v e l o p e df o rt e s t i n gc h a r a c t e r i s t i co f n o z z l eb yi m p r o v i n gt h ee x i s t i n gt e s t i n gs y s t e m t h r o u g has e r i e so fi m p r o v e m e n t , t h e t e s t i n gs y s t e mh a si n c r e a s e dt h ea c c u r a c yo ft h ew a t e rf l o wd e n s i t yt e s t i n g , a n d d e c r e a s e dt h et e s t i n ge i t o i o f s y s t e m t h ec o l ds t a t ec h a r a c t e r i s t i c so f w a t e rn o z z l e sa n d a i r - w a t e rn o z z l e sf r o mn a n g a n gb i l l e te a s t e rw e r l et e s t e d t h ef l u xc h a r a c t e r i s t i c , s p r a y i n ga n g l e , w a t e rf l o wd e n s i t ya n di m p a c t i n gf o r c ed i s ( r i b u t i o no f t h en o z z l e sw e p r e s e n t t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ff o u rd i f f e r e n tt y p ea i r - m i s tn o z z l e s ，t h eb e s ta i r w a t e rr a t i oi n1 3 , c o n d i t i o na n dt h er e l a t i o no fw a t e rf l o wd e n s i t ya n dw a t e rf l o ww e r e o b t a i n e db a s e do i lt h et e s t i n gr e s u l t s t h es o l i d i f y i n gh e a tt l a n s f e rm o d e lo f b i l l e th a sb e e ne s t a b l i s h e d , a n di t sb o u n d a r y c o n d i t i o n sh a v eb e e no p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ec i r c u m s t a n c e so f n a n g a n gb i l l e tc a s t e r t h er e s u l t so f t e m p e r a t u r ea n db i l l e ts h e l lt h i c k n e s st e s t i n gi n d i c a t et h a tt h ec a l c u l a t i n g r e s u l t so fm o d e lw e l ei ng o o da g r e e m e n tw i mt e s t i n gr e 吼d t s a n dt h es o l i d i f y i n gh e a t t r a n s f e rm o d e lw a sf e a s i b l e t h ed y n a m i cc o n t r o lm o d e lo fs e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r a d j u s t st h ew a t e rd i s _ i a i b u t i o nb yc a s t i n gs p e e d , u s 鼯t h es t r a i g h t e n i n gp o i n tt e m p e r a t u r o t of e e db a c ki no l d e rt om a k ep r o p e rw a t e ra d j u s t m e n ti nu n s t e a d ys t a t ec o n d i t i o n t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h es t r a i g h t e n i n gp o i n tt e m p c r a t t t r oa n dt a r g e tt e m p e r a t u r e , t h e r ei saf e e db a c ks i g n a lt oa d j u s tt h ew a t e rd i s t r i b u t i o nf l o 嬲t og u a r a n t e ob e t t e r q u a l i t yo ft h eb i l l e t , u n t i lt h es ( r a i g h t a a i n gp o i n tt e m p e r a t u r ei nar a n g eo ft a r g e t t e m p e r a t u r e i na d d i t i o n , t h ep a p e ra n a l y z e dt h ep r o b l e mo ft h ee x i s t i n gs e c o n d a r yc o o l i n g s y s t e ma c c o r d i n gt ot h e 醐l 髓q u a l i t yd e f e c t so fd i f f e r e n tt ) i p 髑o fs t e e lw h i e l ae o n t a i n s f r e e - c u t t i n gs t e e l ，h i g h - c a r b o ns t e e l ，m e d i u m - c a r b o ns t e e l ，l o w - c a r b o ns t e e la tn a n g a n g 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 o p t i m i z i n gs c h e m eo fs e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r d i s t r i b u t i o nh a sb e e np u tf o r w a r do rt h e b a s i co f w a t e rr a t ec o o l i n gr e q u e s to f d i f f e r e n tt y p e so f s t e e la n dt h es t r a i g h t e n i n gp o i n t t a r g e tt e m p e r a t u r e t h e nl o w - c a r b o ns t e e lh a sb e e nc h o s e nf o rt e m p e r a t u r ep r o o fa n d m a c r o s c o p i cb i u e tq u a l i t ys u r v e y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eq u a l i t yo fb i l l e t h a s i m p r o v e dg r e a t l y , a n dt h eo p t i m i z i n gs c h e m eh a se f f e c t i v e l ys e t t l e dt h eq u a l i t yp r o b l e m r e l a t e dt ot h es e c o n d a r yc o o l i n g k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e t ，n o z z l e c h a r a c t e r i s t i ct e s t i n g , d y n a m i cc o n t r o l m o d e l ，s e c o n d a r yc o o l i n gs y s t e m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 新星 签字日期： 伽7 年伯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废盘堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：耘星 签字日期： m 7 年i 月1 日 导师躲土玄学 签字日期：砷年6 月，日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 连续铸钢( 以下简称连铸) 是炼钢领域内发展最快的技术之一，其原因 在于连铸技术具有显著的经济优越性，是钢生产流程中结构优化的重要环节。 连铸技术大规模工业应用以来，以其大幅度提高金属成材率，节约能源，提 高劳动生产率等突出优点获得了突飞猛进的发展。据统计，2 0 0 1 年我国连铸 比为9 2 8 ，2 0 0 3 年上半年全国连铸比达到9 4 6 5 ，已超过了世界8 9 7 0 平均连铸比的水平，我国连铸比已达到发达国家的水平【l 捌。2 0 0 6 年我国钢铁 产量约4 1 亿吨，连铸比己达9 6 以上。 在经过不断的改进、发展和完善之后，连铸生产技术、设备等已达到很 高的水平。常规连铸生产已日趋成熟，目前，国外连铸机的作业率普遍大于 9 0 ，已基本可生产无缺陷铸坯；高效连铸技术进一步发展，低碳板坯铸速普 遍大于2 m r a i n ，最高可达3 o m m i n ，1 3 0 m m x l 3 0 m m 和1 5 0 m m x l 5 0 m m 低碳 方坯最大铸速分别超过4 n d m i n 和3 5 n g m i n t 3 , 4 1 。连铸机生产效率大大提高， 已出现单流板坯能力大于2 0 0 万吨，年，单流方坯能力大于2 0 万吨，年以上的 铸机：连铸生产自动控制水平迅速提高，国外连铸机中已普遍采用结晶器液 面检测与控制技术，已成功应用计算机铸坯质量跟踪、判定技术、拉漏预警 与控制技术在大型板坯连铸机中得到使用，智能化技术也有了很大发展，如 二冷段水量动态控制技术1 5 一。 连铸技术在钢铁工业中的应用和计算机的发展几乎是同步的，在六十年 代，连铸开始代替传统的模铸，计算机也开始了商业化生产。以计算机为手 段的数值模拟研究方法已成为目前连铸研究的主要方法，这主要是由以下原 因决定的： 连铸是一个高温过程，影响连铸的因素错综复杂，用实验的方法很难 达到取得有价值结果所要求的实验模拟环境，但在数学模拟过程中，这就比 较容易实现。 对连铸这样的复杂系统，进行某一具体问题的实验是可能的，也是必 要的。但针对整个工艺开展系统的试验研究，其成本将非常高昂。如用数学 模拟的方法代替试验研究，不但成本低廉，而且也较为灵活。 计算机技术的飞速发展为数学模拟提供了可靠的手段，这不但体现在 计算机硬件不断更新换代，而且体现在各种软件不断推陈出新。相当于七十 年代中型机速度的计算机现已以家用微机的形式出现在普通人的办公桌上， 计算机自身内部管理和编程环境与以前相比有了质的飞跃，这就意味着数值 重庆大学硕士学位论文 模拟一般所需要的计算机大容量、高速度的特点在目前已能够得到满足。 利用计算机作为工具对连铸过程进行数学模拟研究经历了不同的阶段。 早期的数学模型计算和同时期的连铸工艺一样是很不成熟的，它不能帮助研 究者对像坯壳生长、液相穴深度、铸坯的温度分布等重要现象有深刻可靠的 了解。只有当人们把研究的重点转移到产品的质量之后，才试图利用数学模 型建立铸坯在结晶器内及二冷段出现的缺陷种类、数量与连铸设备和工艺设 计之间的定量化联系。由于上述需要和随着计算机技术的发展，实现了连铸 主要过程仿真模拟，细微表现钢液流动、结晶凝固、铸坯机械运动、二冷水 冷却控制、应力产生和分布。对复杂的连铸过程温度、应力、流体流动进行 较精确的数学模拟【s , 9 1 。 计算机仿真技术是最近几年来发展起来的研究手段，在连铸过程中得到 了广泛地应用，特别是在连铸二冷凝固传热的解析中相当普遍，将连铸二冷 凝固传热机理数值计算方法和连铸冶金准则在计算机上有机地结合起来，能 够迅速、准确地对连铸二冷过程进行解析，从而定性、定量的分析和预测工 艺参数对连铸二冷过程的影响，这已经成为铸机设计、工艺分析和过程控制 的重要手段h ”。 连铸二冷过程计算机仿真模型研究是通过数学方法，建立合理地数学模 型，应用数学模型模拟连铸坯的实际冷却过程，可对连铸二冷区的冷却、传 热进行研究。但是描述钢液凝固传热的数学方程相当复杂，而且由于连铸过 程中复杂的边界条件，要精确计算非常困难，因此必须结合具体条件做出一 些合理的假设，然后用数值方法求解，并借助于计算手段，对所建立的数学 方程进行模拟优化计算，制定出合理的二冷水表及配水控制方法。将建立的 连铸凝固传热模型在计算机上对操作参数进行模拟和优化，可建立合理的二 冷制度控制模型【1 4 1 。控制模型的建立为连铸工艺过程的过程控制奠定基础， 为连铸热送一轧制提供铸坯工艺和质量上的保证，提高铸机产量和铸坯质 量。因此建立连铸二冷控制模型对优化二冷制度具有重要的实际意义1 16 1 s 1 。 1 2 连铸二次冷却的作用和特点 连铸工艺的过程就是把液态钢水转变为固态钢坯的过程，通过辐射、传导 和对流传热方式使过热、潜热和显热三部分的能量释放。过热是从浇注温度您 冷却到液相线湿度霉放出的热量；潜热是从液相线温度互冷却到固耜线温度 乃放出的热量，即完成从液相到固相转变的凝固过程放出的热量；显热则为 从固相线温度西冷却到环境温度瓦放出的热量。整个凝固传热过程是在三个 冷却区中完成的。 2 1 绪论 一次冷却区：钢水在结晶器中传热给结晶器铜板，再由冷却水带走热 量，钢液在结晶器内形成足够厚的坯壳，保证铸坯出结晶器时不会拉漏。结 晶器中的传热包括钢液的对流传热、凝固壳的传导传热、渣膜的导热、气隙 的辐射和对流换热、铜板的导热和冷却水与铜板的对流换热等。根据铸坯凝 固热平衡的测定计算，结晶器散热量大概占总散热量的1 6 2 0 【6 】。 二次冷却区：包括辊子冷却系统的喷水冷却区。在二次冷却区喷永以 加速铸坯内部热量的传递，使铸坯完全凝固，二次冷却区的传热包括：凝固 坯壳的热传导、铸坯表面与轧辊之间的热传导、以及冷却水的对流换热和辐 射等。二冷区散热量大概占总散热量的2 3 2 5 哺j 。 图1 1 连铸过程示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e c o n t i “l l o u ae a a f i n gp r o c e 空气冷却区：铸坯向空气中辐射传热，使铸坯内外温度均匀化。以低 碳钢为例，钢水从结晶器一二次冷却区一辐射区放出的热量分别是：8 4 k j k g 、 4 6 2k j k g 和2 7 3k j k g e m 3 】。铸坯切割后放热5 6 7l d k g ，钢水凝固潜热不能 在结晶器内全部放出，凝固壳必须带着液芯进入二次冷却区继续凝固。从连 铸机热平衡来看，钢水从结晶器到辐射区大约有6 0 热量放出来，铸坯才能 完全凝固，这部分热量的放出速率决定了铸机生产率和铸坯质量，而铸坯切 割后大约还有4 0 热量放出来，利用这部分能量是开发铸坯热装和连铸连轧 工艺的根本出发点晦“】。 3 重庆大学硕士学位论文 1 2 1 二次冷却对铸坯质量的影响 二次冷却与铸机产量和铸坯质量密切相关。在其它工艺条件不变时，二冷 强度增加，拉速增大，则铸机生产率提高；同时，二次冷却对铸坯内外部质 量也有重要影响，与二次冷却有关的铸坯缺陷有以下几种： 内部裂纹 内部裂纹包括中间裂纹、皮下裂纹、三角区裂纹、中心裂纹等【3 】。 中间裂纹位于铸坯表面和中心之间。产生的主要原因是铸坯通过二冷区 是冷却不均匀，温度回升过大而产生的热应力造成的；皮下裂纹的产生主要 由于二次冷却的不均匀性，通过二冷区的铸坯表面温度呈周期性变化，铸坯 温降速度和温度回升速度过快，铸坯发生多次热循环，造成坯壳多次变形， 形成皮下裂纹；三角区裂纹产生于离铸坯侧面一定距离的三角区内，形成的 原因是：在三角区内，刚凝固或内部未完全凝固的铸坯，高温强度差，受到 侧面强烈冷却所产生的热应力，侧导辊位置不当或积渣产生的机械力，铸坯 弧面冷却不良导致的鼓肚力和热应力，铸坯弧面支撑和夹持不良导致的鼓肚 力和机械应力，这些热应力或其总应力超过了铸坯高温强度时，就产生裂纹； 中心裂纹是由于铸坯通过二冷区时冷却不均匀，温度回升大而产生的热应力 造成的。另外，铸坯壳鼓肚或对弧不正造成的外力，作用在凝固过程中的固 液接口，也可以产生这种裂纹。 表面裂纹 表面裂纹包括表面纵裂纹、横裂纹和网状裂纹等。表面横裂纹产生的原 因是二次冷却不当，对于碳钢和低合金钢，铸坯矫直时表面温度位于7 5 0 9 0 0 。c 之间的高温脆性区，降低了钢的延展性，在矫直力的作用下在振痕波谷 处产生了横裂纹【2 】。 铸坯鼓肚 如果二次冷却太弱，铸坯表面温度过高，钢的高温强度较低，在钢水静 压力作用下，凝固壳就会发生蠕变而产生鼓肚。特别是在接近液相穴末端时， 很可能形成严重的中心裂纹和偏析【l l 】。 在二冷区，凝固过程受铸坯导热性、喷嘴喷化介质的冷却效果及铸坯质 量的限n t s , n 。对二冷区的冷却要求是： 1 ) 在铸坯宽度方向和拉坯方向，铸坯表面的冷却要均匀，使铸坯表面温 度均匀； 2 ) 冷却效率要高，使铸坯在进入矫直前尽可能完全凝固； 3 ) 矫直铸坯时表面温度应大于9 0 0 0 ，应尽量避开铸坯脆性温度区，保 证铸坯质量； 4 1 绪论 4 ) 能够按不同钢种的冷却工艺要求，最大限度地调节冷却强度。 因此，在满足二冷区冷却要求的条件下，从铸机产量和铸坯质量两方面 考虑，确定合理的二冷制度。 1 2 2 连铸二冷区的冷却制度 二次冷却制度包括二次冷却强度、二次冷却区水量的分配、冷却的方式 以及喷嘴的布置方式等 1 3 , 1 4 。 二次冷却强度一般用比水量来表示，其含义为在单位时间冷却水耗量 ( l ) 和通过二冷区铸坯的质量( k g ) 的比值，单位为l k g ；也可用水流密 度来表示，即单位时间单位铸坯面积上接受的水量，单位为t 4 m 2 s ) 。提高水 量或水流密度时，由喷嘴喷出的水量增加，水滴射到铸坯表面，大部分被蒸 发带走热量，使传热效率变大，从而改善冷却效果【1 5 1 。二次冷却强度随着钢 种、铸坯断面尺寸、铸机型式、拉坯速度等参数不同而变化，通常情况下保 持在o 5 1 5l k g 之间。表1 1 列出了不同钢种类别冷却强度的变化情况【2 】。 表1 1 不同钢种的二次冷却强度 t a b l e1 1s e c o n d a r y c o o l i n g i n t e n s i t y o f d i f f e r e n ts t e e l 钢种类别 冷却强度。l k g 普碳钢 1 0 h 1 2 中高碳钢，合金钢0 6 0 8 裂纹敏感性强的钢种0 4 0 6 高速钢01o3 二次冷却区水量的分配包括在铸坯长度方向上水量的分配和在弧形段上 水量的分配。二冷区各段水量分配的原则：既要使铸坯散热效果好，又要防 止铸坯内外有过大的温差而引起热应力，使铸坯产生裂纹。铸坯表面的热流 或表面温度在二冷区从上到下逐渐减小，因而喷水量也应该从上到下递减 1 5 j 。 对于弧形板坯连铸机，铸坯内弧面和外弧面的喷水冷却效率是不同的。内弧 由于冷却水聚集在铸坯表面，冷却效率大，而在外弧面，水是向上喷的，由 于重力的原因，打到铸坯后立即落下来，甚至有些水滴没有到达铸坯表面， 没有发挥冷却的作用。因此必须考虑到冷却长度上内弧和外弧间水量的分配 比的差异，在铸机扇形段到近似水平部分，内弧和外弧的水量比为1 ：1 3 1 ：1 5 或更大些【1 7 1 。 二次冷却区可采用水喷雾冷却、气水喷雾冷却、干式冷却三种冷却方式。 喷雾冷却。采用专门的喷嘴将冷却水雾化后喷向铸坯表面对铸坯进行冷 却。按照喷出水雾的形状不同可分为：圆锥、矩形、扁平型喷嘴。冷却方坯 时普遍采用圆锥形喷嘴，冷却板坯时多采用矩形或扁平型喷嘴。水喷嘴冷却 5 重庆大学硕士学位论文 具有水路简单、维修方便、操作成本低的特点，但有易堵塞，冷却不均匀的 缺点1 1 s , 1 9 。 气水喷嘴冷却。用压缩空气在喷嘴中将水滴进一步雾化，使喷出水滴直径 变小，速度增大，从而喷出雾化程度很好的高冲击力的广角流股，达到很高 的冷却效率和均匀程度。气水喷嘴口径较大，不易堵塞，通过气压和水压以 及气水比可以有效地扩大水流量调节范围，由于管路复杂，拆卸维修不方便， 生产成本及投资费用比较高。目前，气水喷嘴主要用于板坯及大方坯连铸机 上【2 0 】。 喷嘴的布置应以铸坯受到均匀冷却为原则，喷嘴的数量沿铸坯长度方向 由多到少。理想状态是在铸坯的断面方向上，除边角部位外，断面各点喷水 冷却量一样，但是由于喷嘴的特性限制及一只喷嘴不能覆盖所有断面，所以这 是不可能做到完全一样，因而要先根据钢种连铸机的结构特性，确定好单个 喷嘴，然后根据喷嘴水量分布特性进行组合，尽量使组合的整体水量分布平 整一致【1 6 】。小方坯连铸机普遍采用压力喷嘴，其足辊部位多采用扁平型喷嘴， 喷淋段则采用实心圆锥形喷嘴，二冷区后段可用空心圆锥喷嘴；大方坯连铸 机可用单孔气水雾化喷嘴冷却，但必须用多喷嘴喷淋；大板坯连铸机多采用 双孔气水雾化喷嘴。对于某些裂纹敏感的合金钢或者热送铸坯，可采用干式 冷却，即二冷区不喷水，仅靠支撵辊及空气冷却铸坯，夹棍采用小辊径密排 列以防铸坯鼓肚变形【1 7 】。 1 3 喷嘴性能测试的重要性 在连铸坯的冷却凝固过程中，二冷区的冷却凝固是铸坯凝固的中心环节。 在二冷区内各种传热方式中，通过喷嘴喷淋水与铸坯表面的传热是主要的， 亦是可控的，影响着铸坯的质量和铸机的产量。因此，从生产角度考虑，对 喷嘴性能进行测试对于开发满足连铸坯冷却工艺条件的新型喷嘴和正确选择 喷嘴的使用条件具有重要的作用，掌握喷嘴具体性能参数，这对于保证二次 冷却区冷却效果是非常重要的，从而提高铸机生产能力和改善铸坯质量【l ”。 喷嘴性能测试包括喷嘴冷态性能测试和热态性能测试。为了评价喷嘴是 否满足连铸二冷区对喷嘴性能的要求，用喷嘴冷态特性指标来表示。具体包 括为：喷嘴流量特性，即喷嘴压力与流量的关系；喷嘴的水流密度分布，也 就是水垂直喷射到铸坯表面，在单位时间和单位面积上接受的水量；从喷嘴 射出流股的夹角，喷射角的大小代表了喷射水流的覆盖面积；水滴雾化程度， 水滴尺寸越小，单位体积水滴个数就多，雾化就好，有利于铸坯冷却均匀； 水滴冲击速度或压力，水滴冲击速度或压力增大，穿透蒸汽膜到达铸坯表面 6 1 绪论 的水滴数目增加，提高了传热效率；气水比( 保证雾化效果) ，不同水流量对 应的气水比值( 压力比或流量比) 。 目前国内外对连铸二冷喷嘴水流密度分布定量检测大体有三种方法： 一是采用水平喷射，喷嘴前方布置密排的集水管，采用软管将水流导引 至集水瓶中，然后采用量杯逐个量取集水瓶中的水量，计算出各点的水流密 度，得到水流密度分布。该方法需要时间长，人工工作量大，而且经过几个 环节，数据测量精度低。 二是测量装置采用大量的传感器，每个测试点配备一个传感器，通过计算 机实现自动检测。该方法的优点是增加了系统的自动化程度，减少了工作量， 但缺点是设备投资大大提高，维护工作及维护费用增加，同时由于集水器和 传感器本身之间的误差使得数据精度和可比性受到影响。 三是仍然采用试管水量收集的方法，通过接收管下部连接的电磁阀的开 关实现接收管的集水、排水、测试初始位置的调节等功能，与电磁阀相连接 的开关和传感器来进行集水管中的液位测量，并将信号输入计算机自动进行 处理，获得喷嘴的水流密度分布。该方法的优点是整个系统仅用两个传感器 便可对上百个集水管中的水量进行测量，极大地减少了传感器数量，节省了 部分设备投资，消除了不同传感器之间的测量误差，但仍然存在集水系统复 杂、电磁阀门多、维护工作量大和整个过程测试时问长等不足。 喷嘴冲击压力分布测试是采用多个压力传感器，计算机自动采集数据，得 到冲击压力分布曲线。该测试方法缺点是传感器数量多，投资大，维护工作 及维护费用高，同样也存在由于传感器本身之问的误差使得数据精度和可比 性受到影响的问题。 喷嘴热态性能测试主要为对喷淋水与铸坯之间的传热系数的测试，主要影 响因素有水流密度、冲击压力和雾化程度。水流密度越大，冲击压力增加， 水滴速度加快，水滴能穿透蒸气膜，达到铸坯表面水滴数目增加，从而加快 了水滴与铸坯之间的热交换。雾化程度好，单位面积上水滴个数就越多，有 利于铸坯均匀冷却，促进传热。当铸坯其它条件一定时，二冷区的冷却效果 主要取决于喷嘴的结构和使用条件，如水压、气压、水量和喷射距离等。喷 嘴的冷、热态性能参数和热态传热系数与水量的关系是设汁连铸二次冷却的 基础 x 9 , 2 0 1 。 近年来，国内外的一些研究者对喷嘴的特性进行了研烈2 0 1 ，提出了一些有 效的喷嘴性能测试方法，传统水流密度的测试方法为：在垂直安装的喷嘴下 方布置大量的集水管，喷嘴喷水后，集水瓶开始采集喷嘴的喷射水流，到一 定时间后，喷射水量采集完成，读取采集瓶中的水量，根据采集水量和时间 7 重庆大学硕士学位论文 就可以计算各采集点的水流密度，把每一个采集点的水流密度连接起来就得 到了喷嘴的水流密度分布曲线。冲击压力的测试方法为：在垂直安装的喷嘴 下方布置一排压力传感器，在喷嘴喷水过程中，通过测试喷嘴下方每个压力 传感器测得的水冲击力，得到喷嘴的冲击压力分布曲线。 攀钢与重庆大学合作，开发了喷嘴热态性能测试装置，通过研究【l8 】表明， 喷嘴的冷却效果与雾化水滴的冲击密度有关，同时还与喷嘴的种类、结构及 性能有很大的关系。并对攀钢板坯连铸机二冷段上使用的喷嘴进行了热态性 能的测试，为喷嘴的选择以及进一步研究二冷传热机理和设计合理二冷工艺 制度打下了基础。江苏博际喷雾系统有限公司与国内各大钢铁公司参考近几 年引进连铸机所用的喷嘴，研制了几种新的适合方坯和矩形坯连铸机用的气 水雾化喷嘴，经测试性能良好，可以满足新建马钢方坯连铸机及现有方坯连 铸机改造的需要【l5 1 。重庆大学与南钢合作【1 6 】，开发了喷嘴冷态性能测试装置， 对南钢板坯使用喷嘴进行测试，测试结果表明原用的喷嘴布置情况不能满足 铸坯良好冷却，提出了喷嘴布置的改进方案，并进行二冷仿真，结果表明改 进后角部温度分布优于原有布置。采用改进的喷嘴布置后，板坯的改判率明 显降低。樊军庆【2 1 】等针对喷嘴雾化特性影响因素进行研究，讨论了针形喷嘴 的结构、喷射压力对其雾化特性的影响。在实验的基础上，详细分析了喷射 压力、喷嘴直径、长径比、入口角等诸因素与喷嘴雾化特性之间的关系，实 验结论对工程上针形喷嘴雾化的应用方面有一定的指导意义。袁伟霞【2 2 】等通 过研究开发了喷嘴喷雾冷态特性测试装置，进行喷嘴质量检验和新喷嘴开发， 研究喷嘴特性与使用周期的关系，对实际生产中的喷嘴应用进行有效的指导 和控制，从而有效地提高铸坯质量。梅国晖【1 7 】等从连铸喷雾冷却强度的控制 因素入手，建立了冷却强度与水流密度、冲击速度、雾滴尺寸间的关系式， 通过测定气水比对上述参数的影响进而利用该关系式来计算冷却强度结果表 明气水喷雾冷却过程存在最佳气水比值，但最佳气水比不是固定不变的，它 随着水压的增加而减小，最佳气水比的确定对降低连铸二冷能耗具有重要的 意义。 喷嘴喷雾冷却在冶金行业中应用十分广泛，从炼焦、烧结矿的冷却到高 炉废气冷却、连铸坯喷雾一次冷却、轧钢过程中的控制冷却、表面除鳞均需 要采用喷嘴喷雾冷却。喷嘴喷雾冷却特性的优劣，与冶金过程生产质量、生 产效率密切相关。影响喷嘴冷却特性的因素很多，喷嘴的结构设计、加工精 度是决定性因素，但在喷嘴的使用过程中，因使用温度、冷却介质中的杂质、 磨损、机械碰撞等因素均可能造成喷嘴性能失效。因此，对喷嘴特性进行准 确的测试，保证实际生产中所使用喷嘴的性能达到设计要求，对冶金生产过 1 绪论 程十分重要的意义剀。 因此，在二冷区喷嘴布置设计之前，对选用的喷嘴必须用专门的测试设 备测定喷嘴冷态特性指标，以此作为评价喷嘴特性和设计喷嘴布置方式的依 据，这对于保证二次冷却区冷却效果和改善铸坯质量是非常重要的【1 6 1 。 1 4 连铸二冷控制方法的发展情况 1 4 1 连铸坯凝固传热数学模型 对连铸过程进行模拟，可以了解工艺中重要参数对铸坯质量的影响，分 析铸坯产生缺陷的原因，有助于分析和确定试验的重点，减少盲目性，节省 试验成本，提高试验效果，对实际生产有重要的意义。到目前为止，连铸凝 固传热的数学模拟已发展的比较成熟。用数学形式定量地来描述连铸系统变 化的性质和特征，建立变化过程的数学模型，至今已经成为一种重要的科学 研究方法【3 4 1 。 用于计算连铸坯凝固传热过程的数值方法主要有：有限差分法、有限元 法、边界元法和线上积分法【2 】。有限元法、边界元法和线上积分法在最近几年 中有了很大的发展，并己成功解决了一些传热实际问题。但是，就方法发展 的成熟程度、实施的难易以及应用的广泛性而言，有限差分法仍占相当的优 势，在连铸坯传热过程中应用最为普遍【3 5 1 。有限差分法可分为显示差分法和 隐式差分法，显示差分法具有计算简便、计算时间短、计算精确性可根据实 际要求确定等特点，绝大部分文献中都采用此方法。 早在1 9 3 3 年，h i l l s l 2 3 1 就开始用解析法来解热传导偏微分方程，以探索连 铸坯凝固过程。m i z j “2 5 】用数值法求解传热数学模型进行开拓性的工作，通 过数学上的简化处理，用计算机模拟连铸坯凝固过程，由于得到了符合实际 的结果已被人们接受。很多研究者通过把流动和传热耦合来模拟温度场。 f l i n t - 2 2 - 在1 9 9 0 年建立了板坯三维流动、凝固传热的耦合模型，用此模型进行 二冷制度的优化，并详细研究了铸坯内过热度的变化，认为铸坯内部温度受 外部冷却条件影响不大，主要是浇注温度和流动状态的影响，而铸坯表面温 度主要是受二冷制度控制。1 9 9 4 年，c h o u d h a r y 【5 1 】在考虑了对流传热影响的条 件下，计算了小方坯连铸过程坯壳的生长规律，预测结果与实测结果吻合较 好。1 9 9 7 年，s c y e d e i n 【5 2 】建立了连铸板坯三维紊流的传热模型，采用热焓法 模拟凝固。 目前国外连铸生产自动化水平很高，实现了计算机对连铸过程的控制和 生产管理，生产过程控制机都配有控制模型，使生产处于最佳状态从而得到 了高产、优质、高效率的效果。近十来年，我国连铸技术发展较快，也开展 9 重庆大学硕士学位论文 了连铸控制及数学模型的研究。对数学模型的建立、求解方法、模拟计算及 二冷控制方法都有所进展，为消化国外连铸技术，提高连铸机控制水平提供 了理论指导f 3 7 , 3 引。 1 4 2 二冷水量控制方法 连铸技术的发展对二冷水量的动态控制提出了越来越高的要求，这主要 体现在下面几个方面： 随着连铸钢种的扩展，一些裂纹敏感性钢种对铸坯的冷却要求更加严格。 以提高单位铸机作业率为目的的高拉速技术发展迅速，作为其核心技术的 一部分，二冷水量的动态控制必须满足高拉速的要求。 热送、热装的短流程工艺既要求铸坯有良好的质量又要求铸坯又较高的出 坯温度，这就要求二冷水的控制既要能满足铸坯质量控制的要求又要尽可 能保持较少的喷水量时，铸坯维持较高的熟焓。 连铸二冷区传热模型的计算机仿真一般分为静态仿真和动态仿真，静态 仿真主要是针对连铸工艺稳定时各参数的模拟，解决的是工艺参数的设计问 题。二冷区冷却水动态模型控制是指在某一浇注条件下，使二冷区各段冷却 水量随着拉速连续变化，且沿拉坯方向按最佳状况分布，以控制铸坯表面温 度符合设定的目标温度，从而获得良好的铸坯质量 4 0 a 1 1 。 连铸的二冷控制方法主要有： 等比水量的比例控制法【4 3 】：这是一种传统的控制方法，根据经验模型的比 水量，以水表形式给出拉速和喷水量的直线对应关系( q = k v ，q 为喷水量， v 为拉速，k 为系数) 进行比例控制。这种方法具有明显不足，当拉速急剧变 化时会引起铸坯表面温度大幅度回升和滞后变化，容易产生裂纹。 实测表面温度反馈控制法【4 5 】：该方法是在每个二冷段安装高温计测试铸坯 表面温度，根据目标表面温度与实测温度的差值来调节控制水量。但二冷区 高温多湿，铸坯表面有冷却水形成的水膜和氧化铁皮，周围又有二冷水汽化 后形成的雾状蒸汽，影响铸坯表面温度测量的精确度。这种方法由于表面温 度监控较难实现而在应用上受到限制。 参数控制法嗍：参数控制法根据钢种，按离线计算出的水量与拉速的优化 关系q = a + b v + c v 2 来进行配水。当拉速变化时，根据预先设定在智能仪表和 控制计算机中的相应参数来控制各段水量。该控制方式中水量随拉速的变化 是二次曲线的变化趋势，优于比例控制。由于这耪方法所追求铸坯质量的目 标性更强，因此在应用中若其它干扰因素的动作较小，铸坯温度分布可控制 在对应钢种的目标表面温度附近，有利于改善铸坯质量。该控制方法仍为静 态控制，对生产条件变化的应变能力较差，只能适用于温度和拉速相对稳定 l o i 绪论 的情况。 计算模式的表面温度动态控制法：运用传热模型每隔一定时间结合在线实 际拉速、二冷水量、结晶器传热和钢水温度等数据，实时模拟铸坯温度场， 并按水量控制模型动态调节水量。水量控制模型计算新水量以缩小模型计算 实际温度和目标表面温度的差异。这种控制方式在目前在板坯连铸机上应用 较多，传热模型可采用一维传热模型或二维传热实时模拟模型。其中一维传 热模型计算的应用较多，该方法在浇注条件变化的情况下可以控制铸坯表面 温度在较小的范围内波动。但这种方法对于连铸中开始和结束阶段以及连铸 中拉速急剧变化的情况不能准确控制，铸坯表面温度与目标表面温度有较大 的差距，对铸坯质量不利。二维传热实时模拟模型能更有效地模拟急剧变化 地浇注条件下地连铸传热，应用该模型的主要优点是铸坯表面温度在各种浇 注条件下保持恒定，铸坯表面温度与目标表面温度偏差表小。 新型动态控制法。新型动态控制是针对一维传热模型计算的动态控制在拉 速变化较大的情况下的不足和控制中计算速度较慢影响控制精度的情况而研 究应用的。通过传热模型离线计算出各种工艺条件下水量与拉速、过热度的 优化关系，预先设定在计算机中，并根据实际的工艺参数如钢水温度、冷却 水温度、铸坯表面温度等与设定值的偏差来修正水量。该控制方法省去了在 线的大量计算，对控制计算机要求不高，控制系统简单便于应用，更重要的 是在各种浇注条件下能有效地控制冷却，在开始和连铸结束阶段以及连铸中 拉速变化较大地情况下铸坯表面温度与目标值较小。连铸二冷水量动态模型 控制的缺点是实现起来较为复杂，投资比较大。在一定情况下选用参数控制 方法比较实际可行。 早在上世纪9 0 年代初，国外一些钢铁企业就开始动态二冷水控制模型的 研究，其中现在发展的比较完善的是芬兰的罗德洛基( r a u t a r u u k k i ) 开发的 动态二冷水控制模型叭c 0 0 l ，它是在不同铸造条件下动态控制二冷水，从 而获得理想的铸坯表面温度分布，以保证不出现有缺陷的产品。它应用在线 数据，实时计算铸坯表面温度分布、铸坯壳厚度和每段二冷水流量，使目标 温度分布和计算所得温度分布之间差别最小，模型采用有限空间法和时间有 限差分法，用边界条件法解辐射和对流方程式来计算通过铸流中部纵断面的 温度场瞬】。d y n c o o l 模型在实际应用中获得了良好的效果，在各种铸造条 件下使铸坯表面温度保持稳定，保证了良好的铸坯质量。由英国的 r i c h a r d h a r d i n 等研究的d y s c o s 模型也具有一定的代表性，采用实时控 制模型，使目标温度和实时温度保持较小的变化范围。 目前，国外连铸二冷控制技术已十分成熟，而国内大多数仍为水表比例 重庆大学硕士学位论文 控制和参数控制方法【4 6 】。1 9 9 8 年武汉钢铁有限公司p l 】论述了方坯连铸机二冷 段配水对铸坯质量的影响，采用离线模型计算和在线死循环控制相结合的方 法对二冷水进行控制，提出了以钢种、铸坯断面、拉速等多种因素来自动调节 二冷段配水量的控制方法，实现了有效地二冷水动态控制。1 9 9 9 年安钢【3 4 依 据安钢板坯连铸机的具体条件，建立了连铸板坯凝固传热数学模型，实现了 随铸坯钢种、断面尺寸及拉速变化对各回路水量连续实时控制，经现场应用 表明，利用配水模型所制定的二冷配水制度是合理的，效果良好。为了保证 高效化改造的自动化水平，韶钢集团公司采用s t 2 1 0 0 控制器作为核心控制系 统。s t 2 1 0 0 是一款有集散控制功能的智能型盘装化多回路控制仪表，它可以 实现对现场仪表进行数据采集、监控及进行信号隔离处理，并且可以对现场 仪表进行调节控制。并配置有r 4 2 2 等人机接口，可与c r t 及p l c 系统进行 通信。它改变了原有冷却工艺方式，建立了一种全新的合理的控制模型冷却 方式，由于实现了自动跟踪，根据不同的拉速，配给相应的冷却水量，完全 能满足工艺要求，使铸坯冷却均匀，铸坯表面质量良好，减少因二冷水配水 不当所造成的漏钢、铸坯鼓肚等事故，真正达到了优质、高产、低耗的目的【3 5 】。 2 0 0 4 年涟钢口建立了r o k o p 高效连铸坯的凝固传热数学模型，提出二冷区 总有效喷淋系数e 与各段有效喷淋系数e i 、水量q i 和二冷段总水量q 的关系 式，二