（材料加工工程专业论文）小方坯连铸二冷配水传热与凝固关系的研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 连铸生产由于其低成本、高效率、操作灵活以及产品质量高等优点在全世界钢铁行 业中得到迅猛发展。但是在连铸生产中的各种铸坯缺陷仍然存在，特别是小方坯中柱状 晶粗大和穿晶甚至中心裂纹的现象时有发生。因此，对于凝固机理需要进一步深入的研 究。 本文对连铸坯缺陷、二次冷却系统、过热度和二次冷却系统对凝固组织的影响的研 究概况作了分析；在准确计算连铸坯温度场分布情况的基础上，充分考虑铸坯的凝固潜 热和材料热物性参数随温度变化的情况，建立了连铸坯温度场的数学模型。利用有限元 方法，通过编制计算机程序进行了数值模拟。通过对生产现场的考察，选择了具有代表 性的钢种2 0 钢，研究1 5 0 1 5 0 i n m 小方坯在一定生产拉速时的连铸坯温度场。 模拟结果表明，过热度对凝固速度的影响不大，但会影响柱状晶的生长速度，浇铸 温度过高时，铸坯在二冷区时两相区变窄，温度梯度增大，使得柱状晶推进速度增加， 易产生晶粒粗大甚至穿晶。水流密度对凝固速度的影响则较大，过大的水流密度会增大 凝固前沿温度梯度，加快柱状晶的生长速度，最终可导致穿晶或中心裂纹的产生。 研究结果表明，应用连铸传热凝固分析模型，可以_ 定量地描述连铸坯凝固速度与过 热度和二冷区水流密度的关系，估测出铸坯在各个拉坯位置的凝固参数。在生产中应使 用合理的连铸制度，采用适当的过热度和配水参数，减小铸坯凝固速度从而抑制柱状晶 的生长速度，达到避免穿晶或裂纹缺陷产生的目的。 通过模拟结果与实际铸坯低倍组织照片的对照，对一次枝晶间距进行了计算与测 量，发现模拟结果与实际生产中铸坯组织能较好地吻合，模拟结果对生产中确定合理的 连铸制度有一定的指导意义。 关键词：连铸、凝固、传热、温度梯度、枝晶间距 内蒙古科技大学硕士学位论文 s t u d y o fr e l a 缅n sb e 撕e e l ih e a tt 仡n s f e ra n ds o 嗣抵a t i 仰i l is e c o n d a r y c o o l i i l gw a t e ro fc o n t i n u o u sc a s t i i l go fs m a ub l e t a b s h 浊c t o 如血l u o 璐c a 蛳n gh 船b e e nd e v e l o p i n gi a p i d l yi n s t e e li n d u s h ya uo v e rl l l ew o d df o r m em 舐t s ，s u c h 趣l a wc o s t ，l l i g he m d e n c y ，n i 糍i b l eo p e m t i o l l ，l l i g hq u a l i 移o fp i 烈l u c 吐o n 鼬l d s 0o n b mb i u e t 曲缸滟s m lc x i s tj i l 血ec o n d n u o u s s t j n gp t o d u 曲o ne s p e c j a l l yc o l 啪n 对 c 叫s t a li st o ol a r g ea n de v e n 抽协哪s t 出l i n eh a so c c u n c df b m 吐m et ot i i i l ei i ls m a l lb i u c t p r o d u c t i o n s ot l l em 曲髓s t u d y o ns o l i d i 丘c a t i o ni n e c h 锄i 锄ss h o u l db ed o n e t h i s 硭i p e rs u m m 趾i z e dl l l er e 砌踟n 也yo f t h cb i u 融d e 触s ，c o 似呻c 0 0 1 m gs y s 劬， l e 砌砒4 mo fd e g 球eo fs u 咖c 砒a n ds e c o n d a r yc 0 0 l i i 珥s y s 咖t 0s o l i d i 6 c a t i o n 蛐m g t l l r e 1 1 1 e nt l i em o d e lo fl e m 】瑚咖r e & l df o r 卿埘n 唧sc a s t i n gb i u e t 栅sd g v e l o p e d 谢出 0 0 n s i d 毹n gs o l i d i 矗e dh i d d e nh e a to f b i l l e la tt l es 锄e 血n cm a t e i i a lm i 班n 0 - p 】删馏蹦a t i n g t 0t e m p c 稠士l l r ew e r ec 0 船i d 聊e d t h e l lw ew r i t et l l ec 0 i n l ) u 盼p g mm l dd o 血em 蛐甜c a l s i r n l d a t i o nb yu 咖gf i n i t eu 血m e t b o d r n d u 曲s o f n ei n v e s i i 鲥o ni n 脚汕时甲吒2 0s t e e l w 器c h t ob es t u d i e d 1 kt e l n p e 矗t m 糟矗e l do f1 5 0 x 1 5 妇瑚l e tw 塔d i s c u s s e d 缸 p i 硼删o nc a s d n gs p c c d 1 ks i m u l 靠o nr e s u hs h o 啪也砒吐璩砌u e n c eo f 吐坞d e g 啪o f 鲫p c d l tt o l i d i f i c 撕o n m t ei sl i g h t b u ta tt 1 1 es a i n et i i i l ei tc a nc h 粕g et 1 1 e 掣o w mr 锄eo f m ec o l m n n a rc f y s i a l s w h e i l 蕾e m 拼粕l u r eo fc a s d i 唱i a d i ei st o ol l i g i l ，t h em u s b y 盈o n eo fb i l l e ti l ls e c o n d a r yc o o l i i 唱z o r 圮 b e c a l l l el 脚ww 量l i c hc a ne m a r g el l l e 把m p e r a c u 地掣a d i e n t nw i l li i l c 燃m e 嘶l l i l 培m t eo f c o l l l i r l n 跚c r y s t a l sa n dg r a i l lc 0 皿s 即如g0 ri n 位哪s t a l l 妣s t 蝴d 锄菌够i s 舯砒e ri i n l ，a c tt o s o l i d i f i c a t i o nm ：c e b yi i l c r e a s i i 唱曲珊md 饥s i 饥t e m p e m n 】r eg r a m e n ti i l 矗o n to ft h e 自蛐g i n i e l 髓c ea n dm eg r o w m 船：c eo fc 0 i u m n 赶c r y s t a 曲w i l li n c 舱a s e u m m a t e l yi tc 姐l d 屯0t h e i i i m 啪1 1 i l l eo rc e n 衄b u r s l r e s e 肿c hr e s u ns h o w sl t l 武b yu s i n gc o r 岫咖o i l sc 枷n gh e a t 嘶s f - e ra n ds o l i d i f i 训d n 砌y s i sm o d e lw ec a nd e 鼢i b e 也er e l 鲥蜥锄o n gs 0 1 i d i 6 c 萌0 n 眈飘dd e g r e eo f s 呷忸h 咖孤ds 廿t 强md e i l s i 可q 啪t i t a _ d v c l y 0 nt h eo l h c rs i d e ，w ec 孤e 螗删et l l e 肚d i f i 硎o n 群啪l n e t e ro fd i 仃b 嘲l tp o s 甜o n h1 l l ep r o d i l c 妇lb ym a b n gp i d p e rc o m i i i u o l l sc a 砸n gs y s 胁 瓤du s i i 坞p r o p e rs u p e m 酬a 1 1 ds 臼磁毗lp a 伯n 1 曲w ec 眦r e d u c es o u d i f i 洲o n 眦c 粕d 蚵e c t t 1 1 e 粤姗均t eo f c o l u 呦盯c r y s t a l st oa v o i di n 躯叼删m l ea n d 础d e 岛c t 。 t h i o 吣咖t l l e 倒m _ a d i s i i l 剃蛔b 咖啪岫嘲l h so fs 诚i l l a l i o na n dm ea c t u a l i i l 啪蛐m 妇p i m u 麟吐l e 矗l s t 印翻：eb 吐w 嘲n 埒出m d m 船w a sc a l c u d a t e da n dm e 船u r e dw e - 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 如u r i dt h a t 血er e s 试谯o fs i 删a t i o ne a nn 垴击c ht l 】【ea c i = 【l a lb i l l c ts n k 电l r eb e c 屺r t h er 丽j l 乜o f s 硫叫a t i o nw 丑li i l s 昀c t 璐t om a k ec o m m u o 璐c a s d n gs y 曲。l i la p p m p r i 削y 1 蛔，w o r d o ：n t i n u o 哪曲墩嫩i a i 椭n h 鞠“n n s f e r t e m p e h t l l 聆g r a d i e t ， 警岫go f d 蛆d d t i c 一3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：印芑肾日期：c 6 j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：趟：立 晰 内蒙古科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 选题背景 随着连铸技术的发展及对连铸坯质量要求的提高，尤其是热装热送和直接轧制的应 用，使得发展高效连铸( 高作业率、高拉速和高质量) 显得非常的重要；同时对连续铸 钢的过程控制和监视的要求也越来越高。而控制坯壳生长的两个关键工艺环节一结晶器 和二冷区越来越受到重视。从传热学角度来说，结晶器作用至关重要，它是几乎所有铸 坯质量问题的根源所在，而二冷区的配水，可以抑制也可以诱发质量问题的出现。同 时，二冷区冷却的好坏直接影响铸机产量。当其他工艺条件一定时，二冷强度增加。可 提高拉速；而二次冷却强度又与铸坯缺陷密切相关。耳前，不少学者和专家特另n 注意二 次冷却控制的研究，有着不同的侧重点。 随着铸机拉速的不断提高，虽然二冷参数的结构做了一定的调整和改造，但二冷配 水仍然局限于经验控制，时常出现了较多的铸坯低倍组织缺陷，主要表现为中间裂纹、 中心偏析等缺陷。 铸坯的凝固速度直接影响到铸坯的质量，凝固过快会引发各种缺陷，而过慢则影响 生产效率。在二冷区，随着冷却强度的增大，传热量增加，但并不是成比例增加，由铸 坯液芯向外的传热速度是随坯壳厚度的增加而减慢的。二冷配水方案的制定应在不浪费 水的前提下还要考虑喷水量对凝固速度的影响。因此，研究传热与凝固的关系必不可 少。 1 2 国内外发展研究概况 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。转炉的发明者贝氏麦 ( b e s s e m e r ) 于1 8 4 6 年首先提出了连续浇注的概念并进行了尝试。1 9 4 3 年德国建成了 第一台浇注钢水的实验性连铸机【”。连铸技术在2 0 世纪5 0 年代初开始步入工业应用阶 段，7 0 年代以后钢的连铸技术迅速发展，8 0 年代连铸技术日臻完善，一个国家的连铸技术 水平的高低已成为衡量其钢铁工业现代化程度的重要标志我国是世界上研究和应用连 铸技术较早的国家，从5 0 年代中期就开始进行连铸技术的研究，6 0 年代初与工业先进国 家同时进入连铸技术应用阶段。但从6 0 年代末到7 0 年代末，我国的连铸发展缓慢。8 0 年 代以后，连铸技术开始引起人们畦重视，连铸技术开始了新的发展时期，引进了一批代 表8 0 年代先进水平的小方坯、板坯和水平连铸机，对我国的连铸技术的发展起到了重要 的作用闭。 内蒙古科技大学硕士学位论文 国外连铸技术近十年来自身完善和优化速度很快，尤其是1 9 9 3 1 9 9 5 年以来， 1 3 0 n l n l 小方坯拉速大于4 0 n 妇血，1 5 0 i i h n 小方坯拉速超过3 o n 山i n 已不少见，而且先进 国家己在发展1 3 0 i 姗方坯拉速5 晰蛐i n 的高效铸胡p 。1 9 9 8 年美国钢产量为0 9 3 亿吨， 连铸比为9 5 3 ，日本钢产量为o 9 0 7 亿吨，连铸比为9 6 9 ，欧盟1 5 国家为1 5 3 亿吨，连 铸比为9 5 8 ，澳大利亚钢产量虽然仅0 0 8 8 亿吨，但连铸比却达到9 9 4 。我国的连铸 技术9 0 年代以来也得到飞速发展，尤其是近几年，每年连铸坯产量增加近1 0 0 0 万吨。连 铸比1 9 8 0 年仅为6 2 ，1 9 9 0 年连铸比为2 2 6 ，1 9 9 8 年达到6 8 8 ，到2 0 0 0 年粗钢产量 达到1 2 6 7 亿吨，连铸坯产量已超过1 0 4 亿吨，连铸比达到8 5 7 3 ，与工业发达国家相接 近【4 j 。至今我国已建成连铸机3 0 0 多台，已实现全连铸的工厂有5 2 家，连铸比达9 0 以上 的有7 3 家，连铸生产已成为工厂节能降耗、提高经济效益的重要环节【5 l 。 连铸技术在这十年中跨出了几大步。1 ) 提出连铸在炼钢工艺中的中心位置一“以连 铸为中心，炼钢为基础，设备为保证。”确立了连铸的位置，使炼钢一连铸生产配合出 现了重大转折。2 ) 狠抓连铸机达产，使建成的连铸机发挥其效能。3 ) 炼钢一精练一连铸 三位一体组合优化，炼钢厂向全连铸方向迈进。4 ) 在上述基础上又提出高效连铸，经连 铸技术国家工程研究中心与科研院校合作，通过三年努力取得成功。据统计2 0 0 0 年全国 约有2 0 个炼钢厂的方坯连铸已实现高效化。改造铸机使每流年产量达l 扣1 5 万吨，超过 原设计能力的一倍【6 j 。2 0 0 2 年我国板坯和薄板坯的生产能力达5 0 0 0 万吨左右，方坯和圆 坯生产能力达到6 0 0 0 万吨左右，我国连铸机总生产能力超过1 l o o o 万吨【”。 用计算机模拟铸坯凝固传热过程，也就是利用数值模型在计算机上模拟真实连铸过 程及各工艺参数之间的关系。在今天已成为铸机设计、工艺分析及开发工作中的重要手 段。 早在7 0 年代，k e i 也b i j m a c 咖b e 和他的学生首次采用有限差分法建立了合理的传 热模型和应力模型嗍，成为连铸数值模拟第一人。随后，欧美一些学者开始开发钢连铸 过程分析的数学模型，并发表了许多有参考价值的成果。l 0 u h e n l d l p is 开发了在线和离 线传热数学模型并用于铸坯表面温度和坯壳厚度的模拟唧，c h a v e z 瓜c d a y aa 应用数 值模型计算结晶器和钢液温度场，分析钢液流动对热物性值的影响【l o l ，h a i d i nr a 通过 建立动态模型分析，变拉速下环境温度、材料成分、厚度、喷水速度等对铸坯温度和液 相穴的影响并以该模型在线控制二冷喷水【i l 】。近些年来，各国连铸技术研究学者都对钢 的连铸过程进行了许多典型的数值模拟，算法各异，模拟的重点与范围也不一样。如 k a n gc g 用有限元法对二冷区冷却水量控制进行模拟，结晶器内凝固坯壳厚度分布规 律的测量【瑚，t 0 z a k o g l 对结晶器温度、电磁场和速度场的模拟与验证【1 5 】，等等。 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 鼬缸皿趾d f 建立了计算连铸坯温度场的数值模型，以图象显示温度场数值模拟结果并 以此反求其工艺参数，已用于小型连铸机自主开剔”l ，b i a l e c l dr 等用边界元法模拟了 铸坯的直角坐标系下的稳定温度场，并用插值法平滑方程的非线性样条近似表示固液界 面的形状【1 4 】，以边界热流为控制参数实现对二冷水的优化配置等等【嘲。 国内也掀起了对连铸模拟的小高潮，结晶器内流场数值模拟、结晶器内传热、流 动、凝固过程的耦合模拟、弯月面区域传热数学模拟、液芯压下过程连铸坯传热应力变 形有限元模型：包括铸坯的凝固及温度场、应力场，薄板坯结晶器内流动数值模拟，薄 带连铸过程数值模拟，加电磁制动钢液温度场的数值模拟，但在对温度场模拟的研究 中，控制模型为一维二维非稳态传热模型，用差分方程或有限元求解。王玉的板坯连铸 凝固数学模型中u ”，推导出铸坯温度场显式、隐式差分公式，并采取等价比热法及温度 回复法处理潜热。蔡开科、倪满森、干勇等钢铁冶金界的前辈在连铸数学模拟领域做了 大量的研究和应用，建立了连铸各个区段的控制数学模型，在线控制工艺过程及参数优 化等等【1 删。清华大学机械学院史清宇曾选用m s c 公司的m m 配，采用自适应网格剖 分，弱耦合模型对厚板焊接过程温度场进行三维数值模拟田l 。 虽然对连铸过程各区段及各个部分的数值模型研究的很多，但大多结果只是利用简 单的程序或现成的软件模拟某一组工艺条件下的部分温度变化规律，某些点的表面温 度，工艺参数对温度或铸坯质量的影响，升级为独立的模拟软件或拥有可视化和实时模 拟的毕竟不多。西安交大的杨秉俭用有限元法开发了模拟软件c c s 0 l v e r 。东北大 学的卫超也曾用v b 开发连铸坯流场和温度场模拟软件豳，芬兰大学的n o d l i m 和 t c 髓p a 舡i c k 开发了浇包衬里的实时模拟和离线模拟相结合的软件包幽，r 丑k 0 刚i cv 开 发了板坯的在线智能系统s c a d a 监测和控制连铸工艺过程鲫，s a 啪d ai 建立了三维的涡 流扰动模型，开发了连铸坯夹杂物流动情况模拟的软件刚。 连铸技术走至今天，其自动化程度已经高度发展，并走向集成化。而进行连铸自动 化控制的商用软件及控制系统国外已经很多，并且发展得很成熟。国内大多数大型的钢 铁企业都是设备加工艺控制系统整套购进。在连铸工艺控制系统方面，如奥钢联的 o l d l l x p e i 汀系统和a s l ( 铸坯锥度自动控制) 咧。世界上其他几大钢铁公司如丹利 涅，新日铁，浦项等都有自己很成熟的自动化控制系统。 1 3 连铸方坯易产生的缺陷 在连铸过程中，连铸坯会发生各种各样的缺陷。这些分布在铸坯表面和内部的缺陷 损害了产品的收得率。在严重时，它们还能延长铸枫停机时间，从而造成巨大损失。连 铸坯的缺陷一般可分为表面缺陷、内部缺陷和形状缺陷三类。表面缺陷包括表面裂纹 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 含横向、纵向、角部和面部裂纹) 、气泡、夹渣、双浇、翻皮、振痕异常、渗漏、冷 溅、擦伤等。内部缺陷包括：内裂、非金属夹杂物、中心偏析和中心疏松等。形状缺陷 包括菱形变形又称为“脱方”、纵向和横向凹陷等【3 。】。 由于小方坯连铸一般采用敞开浇注，二次氧化夹杂较多，且因凝固速度快，不利于 这种夹杂聚集和上浮，因此，铸坯的清洁度较低；由于冷却速度快，柱状晶发达，容易 产生“搭桥”现象，造成中心偏析和缩孔：由于结晶器和二次冷却不均匀，对铸坯容易 引起温度应力并承受的拉矫力，铸坯容易发生裂纹。另外，由于设备设计不合理或操作 不当，也会造成铸坯缺陷，如菱形变形口”。 1 3 1 裂纹 据统计，在各种缺陷中约5 0 为铸坯裂纹。裂纹缺陷对钢的影响非常大。 表面裂纹产生的原因主要是由于结晶器的不均匀冷却和失去支撑应力超过了坯壳强 度。若凝固坯壳不均匀，抗张应力会集中在某一薄弱部位，会产生表面纵裂纹；较强的 冷却和低温 8 0 0 矫直会引起横向角部裂纹；结晶器铜管锥度不合适，安装不符合要 求，振动参数不匹配等会造成连铸坯表面横向裂纹。 内部裂纹按其在铸坯出现部位的不同可以分为内部角裂纹、侧面中间裂纹、中间裂 纹、中心线裂纹、皮下裂纹等。绝大多数内裂纹都是在凝固过程中形成的，故有时也称 为凝固裂纹。内部裂纹是各种应力( 包括热应力、机械应力、相变应力等) 作用在脆弱 的凝固界面上而产生。 对于小方坯铸机而言，影响铸坯内部质量最敏感的莫过于二次冷却系统。发生在铸 坯中心的内部裂纹主要是由于热应力引起的，通常采取的措施是减少二冷比水量以降低 铸坯断面的温度梯度，并延长二次冷却区以防止铸坯表面回热造成的柱状晶开裂。其它 影响因素有钢水过热度、钢中碳含量、m r 烬比等。中间裂纹缺陷等级高的原因是铸坯 二次冷却不均匀，铸坯温度回升大产生的热应力造成的。 1 3 2 中心缩孔和疏松 缩孔和疏松缺陷产生的原因主要为：中间包钢水过热度较高或二冷过强造成柱状晶 生长过快，产生搭桥现象而造成的。 在方坯中，中心疏松、缩孔与结晶组织是柱状还是等轴晶有很大关系，采用扩大等 轴晶的各种措施均可减轻中心疏松，控制中心缩孔的产生。中心疏松的产生很大程度上 与钢的成分有关，特别是碳含量增加和浇注速度增加，中心疏松的程度也加重。然而浇 注速度的影响并不像碳含量的影响那么明显。即使二次冷却非常均匀，也会产生一定程 度的疏松。使用电磁搅拌可以减轻中心缩孔和疏松的程度。 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 4 连续铸钢的凝固过程 1 4 1 凝固概述 凝固是指从液态向固态转变的相变过程。虽然凝固过程的研究对象是单一的，即液 一固相变过程，但研究对象的尺度变化使得凝固过程的控制因素和环节具有本质的差 别。小尺寸铸件在金属型中的快速凝固过程是在数秒甚至更短的时间内完成的，溶质的 扩散和自然对流的作用将不明显，导热成为凝固过程的控制环节。而对于数十吨乃至上 百吨的大型铸件或铸锭，凝固过程将持续数十至上百小时，凝固过程中的对流将成为影 响铸件质量的重要因素。合金元素的宏观偏析也成为凝固过程研究与控制的主要问题。 凝固过程的冷却速率是标志凝固条件的主要指标。不同凝固条件下的冷却速率变化 范围达十几个数量级。在不同的冷却速率范围内凝固过程的主要矛盾发生变化，凝固过 程的研究内容也将随之变化。 在合金凝固过程中，由于合金元素在液相和固相中的化学位不同使得析出固相的成 分不同于原始液相。合金元素在凝固界面发生再分配，同时造成固相和液相内成分的不 均匀而发生扩散过程。溶质的再分配过程及扩散过程不仅会引起溶质元素在宏观或微观 尺度内的偏析，而且对凝固组织有决定性的影响。溶质传输过程是和凝固方式密切相关 的。 1 4 2 凝固过程的传热 凝固过程之所以能够进行，在于合金液内所含有的热量和凝固潜热能够及时导 出。因此，传热过程控制是凝固过程控制的首要因素。维持合金液的均匀冷却可得 到等轴晶组织。而采用强制一维散热则可使凝固过程沿温度梯度方向定向进行，获 得定向凝固组织。对于定向凝固过程，控制凝固的关键参数是温度梯度和凝固速 率。而均匀冷却的自由凝固过程的控制参数则是冷却速率。 在凝固过程中，液相向固相的转变伴随着结晶潜热的释放，液相与固相的降温 也将释放出物理熟。同时，在定向凝固等特殊凝固条件下还需要外加热源使凝固过 程以特定方式发生。只有各种热流被及时导出才能维持凝固过程的进行。从宏观上 讲，凝固方式和进程主要是由热流控制的。 定向凝固和体积凝固是在两种极端热流控制条件下实现的两种典型凝固方式。前者 通过维持热流一维传导使凝固界面沿逆热流方向推进，完成凝固过程，称为定向凝固。 后者则通过对凝固系统缓慢冷却使液相和固相降温释放的物理热和结晶潜热向四周散 失，凝固在整个液相中进行，井随着固相分数的持续增大完成凝固过程，称为体积凝 固。以上两种典型凝固过程的条件是有代表性的。 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 凝固过程的传热符合传热的普遍规律，包括传导、辐射及对流三种基本传热方式， 其控制方程如下： 导热： g ：一五孥( 傅里叶第一定律) ( 1 1 ) 芸：口v z 丁( 傅里叶第二定律) ( 1 2 ) 辐射： 雌脚一( 训 n ， 对流： g = 口( f t ) ( 1 4 ) 各式中：九一热导率； f 一时间； 一传热系数；r 一温度； f 一铸件温度；疋一环境温度； a 一热扩散率，n = pc p ，其中c p 为质量定压热容； 口一界面传热系数( 经验参数。常通过实验确定) ； 罂一等温面法线方向的方向导数。 以上述基本方程为基础，在特定的定解条件下即可进行凝固过程温度场及其演变过 程的计算。这些定解条件包括： 1 ) 物理条件( 主要是物理性质参数的数值) 。 2 ) 几何条件( 凝固系数的几何形状及尺寸) 。 3 ) 时间条件( 初始条件) 。 4 ) 空间条件( 边界条件) 。 实际的凝固过程的传热还有以下影响因素需要考虑： 1 ) 凝固过程中由于铸件的收缩将在铸件和铸型之间形成间隙，此间隙在凝固过程 中是变化的，并且不同部位( 侧面、顶面和底面) 的间隙可能不同，因而间隙内的界面 传热率影响需被考虑。 2 ) 结晶潜热的处理是凝固过程研究的又一特殊问题。对于平面界面凝固，可将凝 固界面看作是一个移动朐热源进行处理。而对予体积凝固过程( 温度连续变化) ，可采 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 用折合质量热容法，其基本原理是把凝固潜热办加合到质量热容c 上， 的折合质量热容f ，折合质量热容的计算式为： c ，：c 一】 l 盟 刀 获得一个增大了 ( 1 。5 ) 由于却，d r 是与凝固过程相关的，并且由凝固过程的传质和扩散决定，因而不同 凝固条件下c 可能不同。 3 ) 常见的凝固并不是按照平面界面进行的，而存在一个凝固区，即糊状区，在该 区内存在着传热和传质的耦合问题，需要同时考虑传质过程。为了便于处理，通常先对 传质条件简化，并在此基础上进行传热过程的研究。 1 5 连铸二次冷却冶金准则 为保证铸坯质量，生产无缺陷铸坯，应该研究合理的二冷制度，使铸坯表面温度的 变化符合于工艺上冶金准则的要求【2 川。 1 ) 钢的脆性温度 如图1 1 所示，钢的高温脆性分为三个区，在9 0 1 3 0 0 范围内，钢延性值高； 7 0 0 9 0 0 范围内，钢延性值低：在小于7 0 0 的范围内钢延性又上升。 因此，为防止铸坯表面横裂纹的生成，铸坯在矫直时，表面温度应在9 0 0 以上。 也就是铸坯表面温度应严格控制在口袋区以外。 涟度( ) 图l ，l 钢的臆性温度曲线 f 远1 1b 砌e 切n p e 删：呱i e p m f i i e o f s t e e l 2 ) 表面温度回升 经验指出，在二冷区沿连铸机拉坯方向铸坯表面温度回升率应小于l o o m ，以防 止表面再加热导致凝固前沿产生张应力而形成裂纹。 7 毋褥躲攀隐藏 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 ) 铸坯冷却速度 铸坯喷水太强，表面快速冷却，促使已形成的裂纹的扩展，或者使表面温度处于低 延性段，会产生新的裂纹。因此，允许温度下降速度应小于2 0 0 ，m 。 4 ) 液相穴长度 连铸应具有足够的冶金长度，以保证铸坯在剪切机位置前一定距离处完全凝固，通 常此距离可取为2 m 。 5 ) 铸坯鼓肚 铸坯鼓肚会形成严重内裂和中心偏析。因此应使带液芯的铸坯表面温度低于某一限 度，在两支撑辊之间形成鼓肚最小。经验证明，铸坯表面温度大于1 1 0 0 ，铸坯鼓肚的 可能性增加。 因此，连铸坯在二冷区进行喷水冷却，要保证铸坯表面温度的变化符合上述冶金准 则所要求的范围。 1 6 二次冷却的控制 根据铸坯凝固热平衡的测定计算，若钢水的总热焓为l o o ，则连铸机内各区散热 的比例为；结晶器1 6 屯o ，二冷区2 3 2 8 ，辐射区5 0 o 。可见结晶器散去的 热量仅占钢水完全凝固热量的2 0 左右，所以带液芯的坯壳进入二冷区接受喷水冷却， 铸坯才能完全凝固。实践证明，结晶器和空冷段冷却对铸坯质量影响不大，而二冷段的 配水对铸坯质量有着重要影响，二冷段的水冷却强度偏高或偏低都会产生铸坯质量事故 ( 产生偏析裂纹等) 【3 2 】。 二次冷却与铸机产量密切相关，二次冷却对铸机质量也有重要影响，因此优化和控 制二次冷却十分重要田】。在二冷区铸坯裂纹的形成主要决定于f l 】： 1 ) 钢的高温力学行为； 2 ) 铸坯表面温度的分布； 3 ) 铸坯冷却过程的相转变； 4 ) 铸坯的鼓肚。 上述因素综合作用的结果，创造了铸坯裂纹形成和扩展的条件与二次冷却有关的铸 坯裂纹有以下凡种，见表1 1 。 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 表1 1 二次冷却裂纹的影响因素 1 a b1 1a 睡c t e d 船哑so f c o 蝴c o o l i n gc m c k s 种类主要原因 中间裂纹 菱形裂纹 表面横裂 矫赢裂纹 中心裂纹 铸坯表面温度回升过大 喷水不均匀 矫直点表面温度 9 0 0 液相穴太长 铸坯鼓肚 在设备和工艺条件一定时，主要是选择合适的二冷制度，以保证铸机的生产率和合 格的铸坯质量。 连铸坯喷水冷却可以使凝固速度提高2 0 ，但并不是随着冷却速度的增加传热量成 比例增加。因为钢的导热系数是一定的，由铸坯液芯向外传热的速度是随坯壳厚度增加 而减慢的。因此要尽可能改善喷雾水滴与铸坯表面间的热交换，以提高二冷效率。但 二次冷却又与铸坯缺陷，特别是内部裂纹、中心疏松、偏析等密切相关，因此如何对二 次冷却的过程进行适当的控制十分重要。 1 6 1 铸坯在二次冷却区的凝固特征 二次冷却方式及强度对铸坯表面和内部裂纹及铸坯表面温度具有重要影响。二次冷 却的目的就是要使铸坯从结晶器出来后坯壳厚度不断均匀地增加，直至最终完全凝固。 在此过程中，通过控制和调节二次冷却水量( 强度) 来实现所需的铸坯生产要求。众所 周知，铸坯在铸机二次冷却区内的运行过程中，是通过不同冷却方式使铸坯内部热量不 断地向外传递的，从而实现钢液在固液界面上不断凝固、坯壳厚度不断增加的目的。所 以，要了解铸坯在二次冷却区的凝固特性，首先必须要掌握铸坯在二次冷却过程中的热 传递行为及影响因素。 钢水在从进入结晶器至铸机出口的浇铸过程中，通过辐射、传导和对流三种方式， 从浇铸温度的液态逐渐放出其内在的过热、潜热和显热，并凝固成具有较一定温度的连 铸坯。而二次冷却在此过程中只是其三个冷却环节之一。事实上，钢水进入结晶器以后 被结晶器冷却水( 也称一次冷却) 快速吸收热量，并在与结晶器内壁接触处形成初生坯 壳。进入二次冷却区后，带液心的铸坯余熟伴随各种冷却方式的作用而继续放出，其铸 坯坯壳厚度也不断增加。此区间铸坯表面热量传递方式有如下4 种：1 1 纯辐射传热； 2 ) 喷雾水滴蒸发；3 ) 喷淋水加热；4 ) 辊子与铸坯的接触传导。其中1 ) 和4 ) 属不可控因 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 素，所以可调的方式是2 ) 和3 ) 两种，即可以通过二次冷却水系统有关参数调攘来实现控 制铸坯质量和出机温度的目的【3 5 l 。因此，从影响铸坯内部质量和出机温度两方面来考 虑，二次冷却工艺制度的合理性至关重要。 凝固是发生在铸坯传热过程中的主要现象，而铸坯传热动力来自于二次冷却区内铸 坯内、外形成的较大温度梯度。在二次冷却区内铸坯凝固具有如下特征p 6 】： 1 ) 在结晶器内凝固而成的薄钢壳内具有大量高温钢液，进入二次冷却区后形成一 个很长的液相穴，其漤心深度可能通过平方根定律计算。 2 ) 在二次冷却区内的铸坯表面，由于受到二次冷却水及其他方式的冷却，其表面 温度不断降低，而中心部分的高温钢水不断向铸坯表面传递热量，由此形成较大的温度 梯度。同时在固一液界面上伴随有钢液不断凝固成坯壳的现象发生，使坯壳厚度增加。 3 ) 由铸坯液心向外的传热速度随着坯壳厚度的增长而降低。而其液心内含有的热 量则随着坯壳厚度的增长而减少。 4 ) 在固一液界面凝固过程中，可能伴随有裂纹或偏析现象发生。 1 6 2 二冷区传热 铸坯由中心把热量传到表面，而表面接受喷水冷却，使温度降低，这样在铸坯内外 形成了较大的温度梯度，这是铸坯传热的动力。 喷淋 冷却 n 夹辊1 之 l 2， 、套 代 4 h u 图1 2 铸坯表面的传热方式 l 一辐射；2 一喷雾冷却：3 一水渍加热：4 一辊子接触 f i g1 2h e 砒协如s f h n l o d e s b i l l e t 乳l r 盘c e - 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 二冷区铸坯表面热量传递方式见图1 2 ，主要有以下几种传热方式： 1 ) 纯辐射2 5 ； 2 ) 喷雾水滴蒸发3 3 ； 3 ) 喷淋水加热2 5 ； 4 ) 辊子与铸坯的接触传导1 7 。 对小方坯，二冷区主要是1 ) 和2 ) 两种传热方式。可用对流传热方程来描述这一传热 过程口7 l ： 庐= ( 瓦一正) ( 1 6 ) 中一热流密度，w c m 2 ； 方一传热系数，w ( c m 2 k ) ； 疋一铸坯的表面温度，；r 一冷却水温度，。 实际上热流与铸坯表面温度不呈线性关系，二冷区传热除受冷却水温度和铸坯表面 温度有影响外，其它因素( 如喷水强度，铸坯表面状态) 对传热也有一定影响。总的传 熟效果可归结到传热系数 上，因此要得到良好的铸坯质量，就是要得到二次冷却区铸 坯合理的 值的分布( 也就是合理的铸坯表面温度的分布) 。 1 6 3 二冷传热的影响因素 对二次冷却的影响因素有以下几个方面。 ( 1 ) 铸坯表面温度 图1 3 是热流密度与表面温度的关系。由图1 3 可知，热流与铸坯表面温度不是线性 关系。可分为三种情况： 1 ) t 。 3 0 0 ，热流随t s 增加，此时水滴润湿高温表面为对流传热； 2 ) 3 0 0 t 。 8 0 0 ，热流几乎与铸坯表面温度无关，甚至于呈下降趋势，这是因为高温 铸坯表面形成稳定蒸气膜阻止水滴与铸坯接触。 可是在二次冷却区，铸坯表面温度是在l 0 0 0 1 2 0 0 范围内，因此只有通过改善喷 雾水滴状况包括速度和雾化程度才能提高传热效率。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 0 一 墓 醚舯 御 媛 霰 1 0 0 l 八 约j 0 跗m i n 蕊 。、 5 编蠢、 | - 、i 1111 1 2 3 蝴oe t 8 9 i 0 l ：l 1 2 表面温厦c ) 图1 3 表面温度与热流关系 f 追1 3r e l a t i o n s h i pk 嘲s 咖锄n p e r a t u r ea n d h e a tn o w 文献p 8 捌研究指出当表面温度在6 0 0 母0 0 范围内时有： ：2 2 9 3 x 1 0 8 矿o 1 6 z 。一2 4 4 5 矗，c ；a l ，矾2 而 ( 1 7 ) 当表面温度在9 0 1 2 0 0 时有： ：2 8 3 1 0 7 矽。7 5 l 一。+ 1 0 0 a l 挣产 ( 1 8 ) 式中：矿一冷却水的水流密度，( m i i l 确；凡铸坯表面温度，。 ( 2 ) 水流密度 水流密度是指铸坯在单位时间内单位面积上所接受的冷却水量。水流密度增大，传 热系数 增大，它们之间的关系以经验式表示： = 一形” ( 1 9 ) 式中：孵一系数，一般取o 。5 0 7 ；是一传热系数，形必m 2 的； 彳一常数；矿一水流馘，三( n 血) 。 许多研究人员对厅与蹦关系进行了实验测定，总结出不同的经验公式，虽然公式 的形式上有差别，但总的趋势是在一定温度范围内，水流密度增加热流增大。 ( 3 ) 水滴速度 水滴速度取决于喷水压力和喷嘴直径。水滴速度增加，穿透蒸汽膜而达到铸坯表面 的水滴数增加，提高了传热效率。试验指出：水滴速度为6 ，8 ，10 i i l s 时，冷却效率分别 为1 2 ，1 7 ，2 3 。 1 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 水滴的雾化程度 譬 鼍 专 皑 蓄 蘸 髓 霰 避 水i j i i 密度i ，每- 妇 图1 4 两种喷嘴对传热系数的影响 f i 9 1 4 h l n u e i l c c t o h 髑l t 乜曩n s 研0 0 e f e d e n t o f t w o 够p e s o f n o z z l e 水滴直径是雾化程度的标志。水滴尺寸越小，单位体积水滴个数就越多，雾化就越 好，有利于铸坯均匀冷却和提高传热效率。 水滴平均直径是：采用压力水喷嘴，2 0 0 6 0 0 ，铆；气一水喷嘴，2 0 6 0 胛。水 滴越细传热系数越高。如图1 4 所示。 ( 5 ) 喷嘴的使用状况 喷嘴的类型、喷嘴的安装位置、喷嘴的使用次数及喷嘴是否堵塞等对二次冷却区传 热效率也有重要影响。因此对二次冷却水水质的处理和喷嘴的定期检修尤为重要。 1 6 4 小方坯二冷配水优化设计的原则 目前市场对产品质量要求越来越高，铸坯的质量问题更加突出，而二冷区水量及分 布与铸坯质量密切相关。因此，二冷区的配水制度应从连铸坯生产率及冶金质量两方面 来综合考虑，制定合理的二冷配水。 二冷区的配水应满足产品质量、生产设备和生产率的要求。连铸坯二冷区配水的原 则是： 1 ) 防止铸坯产生因水量过小而形成的膨胀应力或因水量过大而形成的收缩应力， 避免裂纹的产生。 2 ) 裂纹敏感性弱的钢种，比水量可大一些( 适应高拉速要求) ；而裂纹敏感性强 的钢种，比水量要求小2 些( 拉速相应低) 。 3 ) 同等条件下的弧形或立弯式铸机，在弧形半径或垂直段高度相同时，其直线段 越长，则比水量越小。 1 3 内蒙占科技大学硕士学位论文 4 ) 同等条件下铸机，采用气一水冷却时的比水量要小于单纯的水冷却时的比水 量。 5 1 对于弧形或立弯式铸机，其弯曲段外侧( 弧) 的水量比例应高于内侧( 弧) 。 6 ) 二次冷却区沿铸机长度方向水量应呈递减，即上部区水量高于下部水量。但有 气一水冷却时则不完全如此。 1 6 5 二次冷却计算机动态控制 二次冷却水计算机控制是一种根据浇铸过程中工艺条件的变化而适时调整冷却强度 的动态控制。不仅要考虑拉坯速度、浇铸温度及浇铸宽度，还要考虑浇铸状态等因素。 目前已投入生产应用的控制方式有如下两种h 叫4 】： 1 ) 目标表面温度控制法。其原理是跟踪铸坯表面温度( 实测值) ，并与设定( 由 模型计算机得出) 的理想铸坯表面温度相比较，若发生偏差则通过自动调整二次冷却强 度来校正，并由此实现铸坯表面温度铸坯质量的最佳化。见图1 5 。但在生产应用中， 由于铸坯表面氧化铁皮、蒸汽以及周围恶劣的环境等问题的影响，铸坯表面实际温度测 量的准确性难以保证，因而限制了其应用前景。 图1 5 表面温度反馈控制喷水 f i g1 5s p r a y i n gc o i l n db y 细d b a c ko f s u m i c et e r n p e m t u r e 2 ) 目标拉速控制法。其原理是通过经验确定铸机在一定条件下某标准拉速( 一般 取1 o 晌i n ) 的二次冷却强度( 此值称为标准冷却强度) ，然后确定实际拉速与标准 拉速二次冷却强度之间的关系。当实际拉速发生变化时，二次冷却强度也发生相应变 化。见图1 - 6 。 需要说明的是，此时铸机拉速具有特定的含义，即： k = ( 1 一c 0 叼v 。+ e v 。 ( 1 1 0 ) 式中： v c 一计算机计算二次冷却强度时选择的速度参数，蜘i l l ； 1 ，i 一某一时刻的瞬时速度，妇畦b ； 1 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 v d 一某一段时间内的平均速度，删b i n ； c o e 一动态系数，取值范围为o 1 。 由上式可以看出： 当c o e = 1 时，= 。即冷却速度取决于平均速度； 当c 0 e = o 时，= h ，即冷却速度取决于瞬时速度。 目标拉速控制法中，计算机实际给定的二次冷却强度( 用流量表示) 为： q 女w 可v c q m ( 1 1 1 ) 式中： q 实际一计算机实际给定的二次冷却水量，i m h q 蹴一设定的二次冷却标准水量( 与标准拉速对应) ，l 血l i l l ； ，一系数( 包括温度调节、宽度调节及比例系数) ，取值范围一般为o 5 1 5 ； h 计算机根据铸机实际拉速计算后确定的拉速，瑚m h 图1 6 根据拉速控制喷水图 f 适1 6s p r ；砸n gc o f 咖lb y 谢l l l d 墙啪ls p o e d 此方法( 原理) 在实际应用中比较普遍，只是参数或所考虑的因素不完全相同而 已。 1 6 6 二次冷却计算机仿真的应用 连铸二冷凝固过程的计算机仿真作为连铸机、工艺分析以及过程控制的重要手段， 在国内外引起了广泛的重视，并且在生产上得到了成功的应用删。通过计算机仿真， 可以解决如下一些问题： 1 )