（材料加工工程专业论文）薄板坯连铸二次冷却制度分析与优化.pdf

摘要 摘要 随着薄板坯连铸技术的发展和进步，连铸机的产量和铸坯质量已成为人们关注 的热点问题。连铸的二次冷却对连铸机的产量和质量都有重要的影响。为了获得良 好的铸坯质量和较高的产量，有必要对板坯的二冷制度进行深入研究，通过制定连 铸机合理的二次冷却制度，使铸坯快速均匀的冷却，在保证铸坯质量的同时，进一 步挖掘连铸机的生产潜力。 本文建立了薄板坯凝固的二维传熟数学模型，基于邯钢薄板坯连铸的实际生产 情况，应用a n s y s 有限元分析软件对铸坯的凝固过程进行数值模拟。通过与现场数 据相比较，验证了数学模型的可靠性。从模拟得到的铸坯凝固过程的温度分布可以 看出，在x 0 和x 1 的过渡区处由于冷却水量分布不合理导致横向温差过大，这样 极易产生裂纹。 依据优化设计基本理论，并结合二次冷却制度应遵循的冶金原则，建立了二冷 优化数学模型。以c s p 薄板坯连铸机3 8 m m i l l 拉速的工况为例，采用两种优化方法 进行优化运算，并分析和对比了两种优化算法。在优化运算中，通过调整各冷却段 的水量，使铸坯均匀冷却，温度场分布均匀。文本还研究了不同拉速下二冷区各冷 却段的最佳水量，采用最小二乘算法分别对二冷各段总水量和各环路水量进行一次 线性和二次曲线回归，参照实际生产的配水经验，得到相应的二冷区各段最佳水量 分布与拉速的关系，给出二冷的最佳配水工艺。 本文根据铸坯凝固过程中过渡区易产生裂纹的问题，通过大量的数值模拟计算， 找出了薄板坯二次冷却制度改善的方法，为指导实际生产提供了重要的参考依据。 关键词薄板坯连铸；c s p ；二次冷却制度：数值分析；优化 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t 锄da p p l i c a t i o n0 ft h et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h et h i n s l a bc 嬲t i n 舀t l l eo u t p u to ft l l ec a s t c t 柚dt h eq u a l i t yo ft h es l a bh a v eb e c a m et h ef o c u s q u e s t i o nt h a tp e o p l ep a yc 1 0 s ea t t e n t i o nt o 伊a d u a l l y s e c o n d a r yc o o l i n gi so fc e n t r a l i m p o n 卸c ef o rt h eo u t p u t 柏dt h eq u a l i t yi l lc o n t i n u o u sc a s t i n gp r 0 c e s s h lo r d e rt og a i na g o o dq u a l i t y t h ef i l 汕e rs t u d yo ns e c o n d a r yc o o l i n gi sn e c e s s a 觚di ft h es e c o n d a r y c o o l i n gs y s t e mi ss u i t a b l e ，i tw i l ld 培u pm o 坨p r o d u c t i v ep o t e n t i a l i t i e s a c c o r d i l l gt 0t h e a d u a ls i t u a t i o n0 fi r o n 觚ds t e e l c 0 m p a n yi nh a n d a n ，a t w o d i m e n s i o n a lh e a t - t 啪s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i ns l a bi nc o n t i n u o u sc a s t i n gh a s b e e ne s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r a tt h es 锄et i m e ，t h ef e ms o 行w a r ea n s y si ss u c c e s s f u l l y a p p l i e d t 0s i m u l a t et h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s h lc o m p a r i s o nw i t hs p o td a t e ，t h er e l i a b i l i t y 0 ft l l em o d e l si s p r 0 v e d n ec h 弛g i n gt e m p e r a t u r e0 ft h es l a b i nt h ep r o c e s s0 f s o l i d i f i c a t i o nc a nb es e e n 、m t ht l l es e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rd j s t r i b u t e du n r e a s o n a b l y ；t h e t e m p e r a t u r ed i 骶r e n c eb e 撕e e nx o 柚dx 1i sh i 曲，c r a c 姑n go fs l a bh a p p e n s 臼e q u e n t l y t 1 l eo p t i m 讫a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e dw i t ht h et h e o r y0 fo p t i m i z a t i o n a n dt h em e t a l l u r g i c a lp r i n c i p l ei 1 1t h es e c o n d a 巧c o o l i n gp r o c e s s c o m b i n e dw i t ht h e p a r 啪e t e r so ft h ec o n t i n u o u sc a s t i n gs l a bc s p i i ld r a w i n gs p e e d3 8m m i l l ，t w ok i n d so f o p t i m i z a t i o nm e t h o d sf o r0 p t i m i z i n go p e r a t i o n 缸eu s e dt 0a n a l y z e 锄dc o m p a r ew a t e r 锄o u n t o nt h ep r e m i s eo fm e e t i n gt h eo p t i m i z a t i 佃r c q u i r e m e n t s ，i tn e e d sa d j u s t i n gt h e w a t e r 锄o u n ti ne a c hc o o l i n gp a r tt om a l 【es u r e 也es l a bc o o l i n gu n i f b 姗i t ye f f e c t i v e l y 锄d t h e t e m p e r a t u r ef i e l d i sw e ud j s t r i b u t e d i nt h j sp a p e r t h eo p t i m u mc o o l i n gw a t e r 锄0 u n ti ne a c hs e c o n d a 巧c o o l i n gi ss t u d i e d 柚dt h er e l a t i o n s l l i pb e m e e nc a s t i n gs p e e d 柚d c o o l i n gw a t e r 锄o u n ti s舀v e nb yu s i n gl e 弱ts q u a r e sa 1 9 0 r i t h m ， w h e r et l l c 叩t i m i z a t i o ns e c o n d a r ) rc o o l i n gw a t e r c a i lb es e e n i nt h i sp a p e r t h ep r o b l e m0 ft l l ed u m pc r a c l 【i n go nt h et r 卸s i t i o nr e g i o ni nt h e l i d i f i c a t i o np r o c e s so fs l a bh 勰b e e ns o l v e d ，t h er e 舔o n a b l em e t h o do fs e c 0 n d a r yc 0 0 l i n g s y s t e mi n l p r 0 v c di se s t a b l i s h e da r e rv 弱tc o m p u t a t i o n w h j c hp r 0 v i d e sv i t a lr c f e r e n c c f o u n d a t i o n 柚di 璐m l c t i o n t e c h i l o l o g y 卸dp 盯锄e t e 培 k e yw o h bt h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ；c s p ；s e c o n d a r yc 0 0 l i n gs y s t e m ；n u m e r i c a j a n a l y s i s ；0 p t i m i z a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 从2 0 世纪8 0 年代开始，薄板坯连铸连轧技术作为一种新的短流程工艺i 卜3 】应用 在热轧板卷的生产中。在钢铁工业中，它是继连续铸钢和氧气转炉炼钢之后的又一 革命技术进步之一，受到了广泛的关注。从薄板坯连铸连轧技术的出现到如今不过 短短十几年时间，它却引起了板材带材生产技术革命性的变化。 薄板坯连铸连轧技术的优越性降7 】体现为以下几个方面： 1 ) 简化生产工艺，缩短生产线，降低投资成本。 2 ) 缩短生产周期，节约流动资金。 3 _ ) 节约能源，提高成材率，提高经济效益。 据不完全统计，1 9 9 8 年美国应用连铸工艺生产的钢材占全美钢材生产总量的 9 5 3 ，欧盟1 5 国占9 5 8 ，日本占9 6 9 ，尽管澳大利亚年产钢铁总量与上述国家 比最少，可连铸生产的钢材占全国产量的9 9 4 。2 0 0 0 年由连铸生产工艺所生产的 钢铁总量占全球钢铁生产总量的8 5 以上。我国于2 0 世纪5 0 年代开始研究连铸技 术，到目前为止随着对国外先进技术的引进及国内对连铸生产工艺的研究，使我国 的连铸生产呈现钢种多样，机型齐全等特点。连铸生产工艺生产的钢材比率2 0 0 1 年 就达到了9 2 8 。由此可见开展对连铸生产工艺的研究有重要的意义。 典型的薄板坯连铸生产线工艺主要有：c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 1 8 ，9 l 、i s p ( 1 1 1 l i n es t r i pp r o d u c t i o n ) 、f t s q ( n e x i b l en i ns l a br o l l i n gq u a l i t y ) 、q s p ( q u a l i t y s t r i pp r o d u c t i o n ) 、c o n r o l l 工艺等1 1 0 j 。 。 连续铸造凝固是一个金属液充型和坯壳形成同时进行的过程。金属液进入结晶 器内以后，通过水冷铜壁强制冷却，逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和一定坯 壳厚度的铸坯。此时芯部仍为液相的铸坯被连续不断地从结晶器下口拉出，进入二 次冷却阶段。二次冷却就是将雾化了的水直接喷射到高温铸坯的表面，加速热量的 传递，这部分钢水按步骤、成比例地在运行中凝固，保证铸坯表面温度尽可能的均 匀分布，防止温度突变等。 随着现场生产工艺水平的提高，薄板坯连铸连轧技术日趋完善，如何得到高质 量的铸坯成为生产厂家关注的热点问题。连铸机的二次冷却对连铸生产非常重要。 为了获得良好的铸坯质量，应根据连铸机的生产条件确定正确的工艺参数，从而制 定合理的二次冷却制度，充分发挥连铸机的能力。 这个过程中拉坯速度是个重要的参数，若拉速过慢，则影响铸坯产量，而拉速 过快，则会产生拉漏现象；二冷区传热是整个连铸生产过程中的一个重要环节，冷 1 河北科技大学硕士学位论文 却制度不合理，会导致铸坯产生内部裂纹、表面裂纹、鼓肚以及铸坯菱变等缺陷。 因此了解铸坯内部温度场、流场分布以及应力状态分布情况与拉坯速度关系就显得 尤为重要。整个连铸过程中包含液体流动、传热、传质等复杂物理化学，它涉及到 材料、物理、数学、流体力学和传热学等学科。 连铸连轧生产工艺在整个生产和过程中会消耗大量的水、电和人力。随着国家 节能减排政策的提出，有必要开展连铸连轧生产过程中能量调控，以节省能源。本 文主要研究，铸坯二次冷却区水量的消耗。二冷区水量不能人为的控制，一来人为 控制的水量不能满足铸坏的凝固冶金原则，可能致使漏钢的发生：二来会耗费大量 的人力、物力、财力。同时由于生产条件及测量手段有局限性，连续的实际测量是 不大可能的，计算机技术的飞速发展为高新技术的应用提供了必要的条件。在计算 机上不但能够随意的改变各个参数( 浇注温度、拉速、水量等) 的大小，还可以通 过建立数学模型，加载约束条件，对所研究的目标函数进行优化。计算机模拟技术 甚至可以模拟实际的生产环境，准确的预报液相穴深度或某一位置的上铸坯的凝固 壳厚度。基于此本文开展了薄板坯连铸二次冷却制度的分析与优化。 近年来，计算机辅助工程( q 谩) 技术以其高效率、低成本的优势在钢铁工业中 得到了广泛的应用【1 1 1 。应用计算机对薄板坯连铸的二冷系统进行数值模拟研究，通 过建立合理的二冷控制数学模型来研究二冷配水制度对板坯内部组织和表面质量的 影响，确定合适的铸坯温度分布，结合钢种的高温力学性能，提出合理的二冷控制 参数，以最少的水量达到保证质量和效益并存，响应国家节能减排的号召，对指导 生产具有重要的现实意义l l 引。 1 2铸坯温度场数值模拟国内外研究现状 2 0 世纪6 0 年代m i z i l 【缸1 1 3 l 通过合理简化模型，用有限差分法首次实现了铸坯凝固 二维模型的数值模拟求解过程，开始了铸坯凝固过程模拟的时代。 2 0 世纪7 0 年代，美国麻省理工学院凝固理论权威m c f l e m i n g s i l 4 l 教授指出可以 用模拟技术来研究及预测大型铸锭和铸件的缩孔、缩松、热裂及偏析等缺陷，以确 保获得高质量的铸锭及铸件；a g r i l l l l 5 】和k s c h w e r d t f e g e r 等人建立了用于分析板坯鼓 肚的有限元模型。 2 0 世纪8 0 年代，随着计算机模拟技术的发展，铸坯温度场数值模拟在国内外 得到了充分应用：且模拟结果与实际的生产情况越来越接近。铸坯凝固传热理论为 研究晶粒的微观长大过程奠定了基础i 幡1 9 j 。 国内对凝固过程数值模拟起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代末，但发展很快。以沈 阳铸造研究所、大连理工大学等科研院所为代表，数值模拟研究的对象十分广泛。 进入9 0 年代以后，国内高校开展了大规模的数值模拟的研究。在连铸凝固过程 的研究方面，张乃凤等c s p 生产线为研究对象，对薄板坯连铸坯传热过程进行了数值 2 第1 章绪论 模拟1 2 0 】；王春会利用m a r c 有限元软件对板坯连铸二冷区温度场进行数值模拟，研究 了二冷水在铸坯表面的分布情况。分别讨论了过热度、拉速、冷却模式和环境温度 等连铸工艺参数的影响1 2 l l ；王和军对板坯连铸过程传热与凝固前沿机械应变进行了 研究1 2 2 】：米静对带有液芯压下的薄板坯连铸凝固过程进行数值模拟1 2 3 l ；许志强采用 有限差分法建立了连铸板坯凝固过程温度场数学模型，在m a t i a b 平台下对二冷区 内板坯温度场进行了分析模拟l 冽。 在工艺和设备优化方面，凌国胜针对莱钢3 # 连铸机的实际情况，对小方坯冷却 温度场进行了模拟研究，并调整了二冷区的冷却设备，对二冷制度进行了优化，二 冷效果得到明显改善l 冽；高静娜利用数值模拟方法对薄板坯二冷区内冷区制度的优 化问题进行了研究：孔凡杰等针对南钢电炉厂缩孔和缩松的铸坯内部质量，建立了 二维的传热模型，研究二冷区改造前后的铸坯温度场的分布【2 6 1 。梅峰利用v i s u a lb a s i c 6 0 高级语言编制程序对南钢板坯连铸二冷制度优化研究1 2 7 1 。 除此之外国内还有众多的高校、研究所以及企业单位对二次冷却动态控制进行 了研列勰，2 们。 随着大型有限元软件的日趋成熟，由此所带来的温度场数值模拟得到了充分发 展。铸件凝固温度场数值模拟由原来的传热模型发展到流动综合模型和传热传质模 型，并逐渐由宏观模型向微观模型转变。其中，宏观模拟包括流场和应力分析，微 观模拟包括晶粒由形核到逐渐长大的整个过程【3 0 l 。 1 3 课题的研究任务 基于a n s y s l o o 对薄板连铸坯凝固过程二冷段进行模拟、分析并优化包括以下 几个方面的内容： 首先，建立薄板连铸坯凝固传热过程中温度场变化的数学模型，并利用邯钢c s p 生产线实际数据对该薄板坯连铸生产线的实际凝固过程进行模拟计算，将计算结果 与实际结果进行对比，验证计算模型的正确性； 其次，建立优化数学模型，设定目标函数和设计变量，用a n s y s 自带的优化模 块进行优化分析，并且同时采用在i s i g h t 软件中调用有限元数值模拟软件的方法进 行优化计算，将两种优化算法对比，对薄板坯连铸二次冷却的二冷水量及分配等优 化变量进行优化计算； 接着，给出薄板坯连铸二次冷却水量及二冷水分配等二冷制度的优化计算结果， 并根据优化计算结果，确定出最为合理的二冷区配水工艺； 最后，找出各回路水量及分配与生产工艺参数( 拉速) 之间的函数关系。 1 4 技术路线 利用a n s y s l o o 模拟薄板连铸坯凝固过程时，薄板连铸坯通过热辐射、对流、 3 河北科技大学硕士学位论文 热交换进行热量的散失，特别是在二冷段大量的热与水进行热量的交换逐渐凝固， 因此二冷段的冷却机制将直接影响薄板连铸坯的质量。 本文将建立薄板连铸坯凝固传热过程中温度场变化的数学模型，设定目标函数 和设计变量，建立薄板连铸坯凝固过程二次冷却制度的优化数学模型，采用数学方 法进行优化计算，对薄板连铸坯的二冷制度进行优化，并对生产现场的二冷制度进 行改进，从而找出各回路水量及分配与薄板坯连铸生产工艺参数拉速之间的函数关 系，确定合理的二冷配水制度。故本文将采用的技术路线如图1 1 所示。+ 图1 1 技术路线 确定合理的二次冷却制度是提高铸坯质量和连铸生产率的关键问题。在理论的 基础上得到铸坯温度场，并对水量进行优化分析，以理论指导实验，应用现场的数 据来验证理论，以保证数学模型的正确性，达到相辅了相成的目的。本课题优化的 结果不仅仅在理论上是成立的，还可以用于指导生产实践。 4 第2 章薄板坯连铸二次冷却理论基础 第2 章薄板坯连铸二次冷却理论基础 在薄板坯连续铸钢的发展过程中，不断提高连铸坯的质量是一个重要课题。我 国在发展连铸过程中，也对铸坯质量进行了大量的研究工作，全面提升连铸生产率 和铸坯质量已成为人们关注的重点。根据铸坯凝固传热特点，连铸坯质量的好坏与 二次冷却过程有着直接的关系。而二冷区是一个复杂的传热过程，传热过程受多种 因素的影响，二冷区冷却系统是否合理，直接影响铸坯表面温度分布的均匀性，与 铸坯表面质量息息相关，而表面温度主要取决于二冷区的喷水冷却强度，因此，深 入研究二冷区凝固传热特点，二次冷却与铸坯质量的关系，以及如何确定合理的二 次冷却制度等理论基础是提高连铸生产率和质量的关键问题。 2 1 邯钢c s p 生产线工艺流程 邯钢c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 薄板坯连铸生产线是由西马克公司开发的。 邯钢c s p 工艺生产线是我国引进的第二条c s p 生产线，自试运行成功后根据工艺特点 及市场需求情况，开发出了包括管线钢及汽车大梁等在内的2 0 余个品种系列的新产 品。薄板坯生产过程的工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 邯钢c s p 生产工艺流程图 f i g 2 - 1 d i s t 曲u t i o no fc s pp r o d u c tu n co fh 孤d 锄i r o n 锄ds t e c lc o 唧柚y 2 c s p 生产线工艺流程一般包括：电炉( a c 或d c ) 、钢包精炼炉、薄板坯连铸 机、均热炉( 保温) 、热连轧机、层流冷却、地下卷取。c s p 工艺具有流程短、生 产简便且稳定，产品质量好、成本低等一系列突出优点。 由电炉冶炼后所得钢水，根据钢水的处理需要，经过l f 或l f + v d 精练处理后， 用吊车将钢包吊到回转台，经糟炼后的钢水经滑动水口注入到中间包内，通过一个 5v 河北科技大学硕士学位论文 能阻止钢水发生二次氧化的浸入式水口，钢水到达漏斗型结晶器内，该水口能避免 钢水凝固时横向应力的产生。注入结晶器内的钢水被结晶器下口的引锭杆挡住，结 晶器中的钢水，在结晶器铜板的冷却作用下形成具有一定厚度的坯壳，坯壳包裹着 未熔化的钢水以一定的速度进入二冷区继续冷却。在喷淋水的作用下，打到铸坯表 面的冷却水已一定的冷却强度对铸坯进行冷却。在铸坯进入矫直机之前，确保液芯 完全凝固。随后进入空冷区，铸坯经辐射换热与空气进行热量交换。铸坯继续沿辊 道前进到剪切机，铸坯经剪切后，按一定速度拉入辊底式隧道均热炉。板坯被加热 到一定温度后到经均热保温处理到达高压水除鳞机，经过除鳞处理后的板坯经四辊 精轧机组后得到不同厚度、不同规格的热轧带钢【3 1 】。后经过层流冷却到达地下卷板 机，将带钢卷制成一定规格的成品。最后经吊车吊离到指定位置进行后续加工。 薄板坯连铸连轧技术的发展，大大的缩短了生产周期。从钢水冶炼到成品离线 整个过程仅仅需要一个半小时的时间。生产周期的缩短及带钢质量的提高使得热轧 带钢在钢材市场上显示出强大的市场竞争力。 2 2 薄板坯连铸的传热特点 连铸过程是钢水连续填充、连续凝固的过程，包含着复杂的传热与传质现象。 钢由液态凝固成固态的过程实质上是热量的传输过程1 3 2 】。在这个过程中，所涉及的 热量包括以下几种： 1 ) 钢水过热，由浇铸温度冷却到液相线温度所释放的热量。 2 ) 凝固潜热，由液相线温度冷却到固相线温度所释放的热量。 3 _ ) 物理显热，由固相线温度冷却到室温所释放的热量。 传热学中，热量的释放包括以下三种方式：热传导、热对流和热辐射。实际上， 在铸坯的凝固和冷却过程中，往往这三种基本传热形式是同时存在的。 1 ) 热传导又叫导热，属于接触式的传热。指在没有物质转移的条件下，由于 温度梯度不同，在同一物体的不同部分或者是两个温度不同的物体相互接触时而引 起的热量传递现象。在薄板坯连铸过程中，存在的热传导现象包括由温度分布不均 导致的铸坯中心的热量传输、铸坯表面与导辊接触传热以及坯壳中热量传导i 矧。 其基本定理是1 8 2 2 年傅里叶首先提出的，表达式如下： 留- 一枷d 丁 ( 2 1 ) 式中q 热流密度，w m 2 - a 导热系数，w ( m k ) 胛d r 温度梯度，k m 2 ) 热对流热对流是指指流体中温度不同的各部分之间发生相对位移，冷热流 体相互掺杂所引起的热量传递方式。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其相 接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用产生的结果。薄板 6 第2 章薄板坯连铸二次冷却理论基础 坯连铸过程中，结晶器中钢液流动引起的热量传输、二冷区冷却水与铸坯表面的换 热等都属于对流传热现象。 对流换热的基本定律是牛顿冷却公式为： g q 彳一 ( l 一丁，) ( 2 2 ) 式中l ，固体表面温度，。c l 流体温度， 彳与流体接触的固体表面积，m 2 3 ) 热辐射属于一种非接触式的传热方式，是指物体以电磁波的形式发出辐射能 的能量传递形式，它是波长在0 1 1 0 0 微米之间的电磁辐射。薄板坯连铸过程中，铸 坯表面一直存在着向周围环境的辐射传热。 单位表面积辐射的热流量与表面温度的关系遵循斯蒂芬波尔兹曼定律： 曰一刃4( 2 3 ) 式中g 单位表面积辐射的热流量，w m 2 物体黑度，w ( m 2 k 4 ) 仃斯蒂芬一波尔兹曼常数，其值为5 6 7 1 0 培w ( m 2 k 4 ) r 物体表面温度，k 连铸坯的质量在很大程度上取决于连铸坯的凝固过程和铸机的冷却系统。在连 铸机中，铸坯的凝固过程是一个热量释放和传递过程。坯壳在以一定拉坯速度向下 运行的过程中，通过水冷结晶器、二次冷却区和空冷区，把钢液的过热、潜热和显 热经坯壳传递给外界，使钢液在连续运动时由液态铸坯凝固为固态铸坯的过程，坯 壳凝固的过程见图2 2 。 在结晶器冷却区，具有一定过热度的钢液与水冷结晶器接触，钢水传递给结晶 器铜板的热量被高速流动的冷却水带走，紧靠结晶器壁的钢水迅速凝固，使结晶器 内的坯壳厚度能稳定生长，在出结晶器时形成均匀而足够厚度的坯壳来抵挡钢水静 压力的作用。 在二次冷却区，铸坯在结晶器中仅有部分钢水凝固，芯部仍未液态钢水，铸坯 表面只有薄薄的外壳，进入二冷区，铸坯需要再喷淋水的冷却作用下继续冷却，坯 壳继续生长，直至进入矫直段以前保证铸坯中心完全凝固。 在空冷区，从二冷喷淋区出来的铸坯在空气中冷却。铸坯的热量主要以热辐射 的形式散失，在这个过程中，铸坯的表面温度会出现回升并趋于均匀。 在结晶器冷却区、二次冷却区和空冷区中，二次冷却区起着至关重要的作用， 二冷区各段冷却水量的分配与冷却强度的大小不仅影响铸坯板坯质量，而且影响到 铸机的生产率和设备的使用寿命。为实现连铸的高质高效生产，有必要对铸坯的二 次冷却过程凝固传热规律进行研究。 7 河北科技大学硕士学位论文 图2 - 2 铸坯的凝固过程 f i g 2 2 1 n h cp r o o c 0 fs l a bs o u d i 辱髓t i 2 2 1 结晶器的凝固传热 结晶器作为连铸机的“心脏”，凝固传热效果的好坏与铸坯的表面成形质量和 连铸机的生产率有直接关系。钢水在结晶器内的传热过程极其复杂，包括传导、对 流和相变等。具体包括以下几个部分：钢水与结晶器铜板的接触传热1 3 4 ，3 5 1 ，也就是 冷却水通过结晶器铜板将钢水的热量带走，这种水平传热是主要的热传导方式，是 总散热量的9 5 左右。 趟 赠 l 死 气隙 1 立 l? ，一， 咖l 瓦 距结晶器壁距离 图2 3 结晶器横断面传热及温度分布 f i 吕2 - 3h c 越m 【n s f c r 柚dt c m p c 忍m 亿d i s 试b l i t i o n 砒n 地啪辐d i o no fm o m 8 第2 章薄板坯连铸二次冷却理论基础 当钢水逐渐凝固形成凝固坯壳后，坯壳与结晶器之间会形成气隙，气隙的形成 阻碍了热量的传递，气隙热阻可占到总热阻的8 0 9 0 。结晶器热流密度的大小铸 坯和结晶器铜板形成的气隙有关。结晶器横断面传热及温度分布如图2 3 所示。 凝固坯壳与结晶器之间的传热方式取决于他们相互接触的状态，结晶器内钢水 初生坯壳的形成过程如图2 4 所示。结晶器沿纵向可分为三个区域：弯月面至凝固起 始点区域、间歇接触区、完全气隙区。钢水与结晶器铜板接触，在水冷铜板的冷却 作用下首先形成一个半径很小的弯月面，在弯月面形成的初始位置，由于冷却强度 较大，很快形成了一个初生坯壳。钢液表面具有弹性薄膜性能，在表面张力的作用 下，这种性能可以抵抗剪切力的作用。随着结晶器的不断振动，钢水随引锭杆继续 向下输送，在结晶器的冷却作用下形成新的固体坯壳。 已经凝固高的温坯壳开始发生6 一y 的相变，在漏斗区与平行区过渡的区域存 在一定的夹角，使坯壳向内弯曲脱开铜壁，铸坯与结晶器在此区域接触时形成气隙， 由于气隙的形成，使铸坯向外传热的热阻增大1 3 6 了7 1 ，传热速率减慢，整个铸坯的凝 固速度也随之降低，坯壳较之前有所减薄。在钢水的鼓胀力和钢水静压力的共同作 用下，铸坯以一定速度下降时坯壳处于一个平衡状态。气隙的形成直接影响结晶器 热流密度的大小，这些传热方式构成了结晶器的复杂传热机制。 结晶器 图2 _ 4 坯壳与结晶器铜板的接触 f i g 2 _ 4 c o n 协c tb c t w e c ns l a b 柚d p p c 叩l a t co fm o l d 2 2 2 二冷区的凝固传热 铸坯在二冷区传热主要靠打到铸坯表面的冷却水将热量带走，使铸坯中心与表 9 河北科技大学硕士学位论文 面产生温度梯度，加速了热量的传递。铸坯在结晶器中释放的热量仅占钢水完全凝 固的2 0 左右，因此在二冷区需要喷淋水的继续冷却作用。在二冷区铸坯的传热方式 主要包括以下四个部分1 3 8 - 3 伽，具体如图2 5 所示，其中，冷却水加热带走的热量占2 5 ； 铸坯与支撑辊的接触传热占1 7 ；冷却水的蒸发传热占3 3 ；铸坯表面与空气的辐射 传热占2 5 。 图2 - 5 二冷区的铸坯表面传热方式 f i g 2 5h t 岫邶f c ro f t h es u 血o fc 弱t i n gs l a bi n 跗n d a r yc l i n g n c 在设备和工艺一定的条件下，喷淋水作用引起的传热占主导地位，铸坯通过辐 射和夹辊的导热变化不大。要想提高二冷区传热效率，也就是提高铸坯与喷淋水之 间的传热系数值，就必须对喷雾水滴与高温铸坯之间传热过程进行研究，受到铸坯 表面状态、水滴速度以及冷却水温度等多种因素的影响，综合分析，喷淋水与铸坯 表面的传热关系可以用( 2 _ 4 ) 进行计算： 驴一j i l ( 一l m( 2 4 ) 式中 传热系数，硒矿伽2 。c ) 正铸坯表面温度， l 拎却水温度，。c - 彳喷雾冷却面积，m 2 实践证明，结晶器和空冷区的冷却对铸坯质量的影响不大，而二冷段的配水制 度对铸坯质量有着重要的影响。在以上的传热方式中，喷嘴的性能、喷嘴的布置方 式以及连铸机的支撑辊的布置方式对传热过程都有重要影响。铸坯表面与冷却水的 换热设计复杂的热量交换，冷却效果的好坏主要取决于传热系数j i l ，在工业生产中， 传热系数的值很难直接测定，由j l l 矽。关系式求出传热系数的大小，为合理的制定 1 0 第2 章薄板坯连铸二次冷却理论基础 二次区的冷却制度l 柏l 提供了理论依据，从而合理的分配二冷区的水量分配，获得良 好的铸坯质量。 2 3 薄板坯连铸二次冷却制度 2 3 1二次冷却的重要性 二冷区是指板坯从结晶器拉出到进入矫直机前的冷却区域，铸坯在结晶器中仅 有2 0 的钢水发生凝固，出结晶器时铸坯只凝固能一个薄薄的外壳，而中心部分仍为 液态钢水，带有液芯的铸坯随后进入二冷区，约有8 0 的钢水需要继续冷却。二次冷 却的目的就是使铸坯在离开结晶器以后可以连续冷却，从而完全凝固，保证铸坯的 质量。二次冷却的主要作用【4 1 ，4 2 】为： 1 ) 在上引锭杆时对引锭杆起支撑、导向作用。 2 ) 确保连铸坯的质量。合理的二次冷却制度可以使铸坯均匀冷却，铸坯在冷却 过程中避免漏钢事件的发生及表面、内部或形状缺陷的产生，从而使铸坯具有优质 的内部质量和良好的外形尺寸。 3 ) 加速铸坯凝固，提高连铸机产量【4 3 朋】。在整个连铸生产线上，二次冷却起着 至关重要的作用，二次冷却强度的增加，可以提高铸机拉坯的速度，进而提高连铸 机的产量；合理的二冷强度又可保证铸坯的质量。 不同型号的铸坯对二冷区的冷却强度要求不同，薄板坯对二冷区的的要求表现 为以下几方面： 1 ) 需保证单位时间内铸坯传递的热量尽可能的多，以加速铸坯的凝固，提高拉 坯速度，增加连铸机的产量； 2 ) 二冷区各段的喷淋水量要适当，以保证铸坯在宽度方向和拉坯方向能够均匀 冷却，使铸坯的表面温度分布均匀： 3 ) 为保证铸坯具有良好的内部质量和外观形状，需使铸坯在进入矫直机前完全 的凝固； 4 ) 能够按照钢种及冷却工艺的要求，最大限度的调节冷却强度。 2 3 2 二冷区传热的影响因素 2 3 2 1 铸坯表面温度 铸坯表面温度越高，铸坯的传热效率越低1 4 5 j 。原因是水滴打到铸坯表面时，水 滴会马上破裂并蒸发，就会在铸坯表面形成一层蒸汽膜，阻碍了后续打到铸坯上水 滴与铸坯的进一步接触和热交换。铸坯表面温度与热流之间呈非直线关系，它们之 间的变化情况如图2 6 所示： 1 ) 当铸坯表面温度小于3 0 0 时，水滴以对流传热方式润湿铸坯表面，热流密 1 】 河北科技大学硕士学位论文 度值随着表面温度的增加而增大： 2 ) 当铸坯表面温度处于3 0 0 培0 0 之间时，在高温铸坯表面有蒸汽膜产生，呈核 态沸腾状态，热流密度值随表面温度增加而呈下降趋势； 3 ) 当铸坯表面温度大于8 0 0 时，铸坯表面与水滴的热量交换受到表面蒸气膜 的影响，此时，热流密度值与表面温度几乎没有关系。 由上面分析可知，在二冷区内，铸坯表面温度越高越不利于喷淋水与铸坯之间 的热量交换。 抛4 0 0 日8 l 01 2 表面温度代 l 一4 9 5 伽2 s ) 2 3 3 3 工，( m 2 s ) 3 _ 1 6 5 工伽2 s ) 图2 击铸坯表面温度与热流的关系 f i g 2 61 n h c 佗l a l i o n b c m ns u 血t c 呷c m t i l r co fs l a b 龃dt h c 锄a ln 取 2 3 2 2 水滴直径 水滴直径大小是雾化程度的标志。水滴直径越小，雾化效果就越好，水滴个数 就越多，铸坯表面冷却越均匀，有利于提高传热效率，从而改善铸坯表面质量。 水滴算术平均直径d 。： v 玎矗 厶。冬一 ( 2 5 ) v 厅f 。 禽 水滴特征直径d 。： 式中刀水滴个数； v 础3 一， 么一上生一 v 础2 鲁 1 2 ( 2 - 6 ) 彻 姗 撇 帅 o ，点譬笛炼霰 第2 章薄板坯连铸二次冷却理论基础 d 水滴直径。 气水喷嘴的雾化效果较好，一般要提高传热系数可以采用增加气水比值的方 法，冷却效率大大提高。 2 3 2 3 水流密度 喷嘴冷却效果的好坏与水流密度有关，传热系数与水流密度的关系【删可用( 2 7 ) 的经验公式，可知传热系数会随着水流密度的增加而增大【矧。 j l a ” ( 2 - 7 ) 式中卜通常为0 5 o 7 之间的常数： i l 传热系数，图矿伽2 。c ) 矽水流密度，l 炳2 s ) a 常数 在实验室内可以用热模拟实验装置对传热系数进行测定，各学者在对传热系数 进行研究时，最后所得到的计算公式各不相同，但总的变化规律是传热系数随着水 流密度增加而增大。 2 3 2 4 水滴速度 由喷嘴喷射出的水滴需要克服蒸气膜的阻力才能到达铸坯的表面，水的清洁度、 喷水压力和喷嘴孔径都会影响到水滴速度。水滴速度增加，水滴数目增加，传热系 数增大。水滴速度的大小可以用式( 2 8 ) 计算。 由柏努里理论，导出水滴从喷嘴出口处的速度1 ，o ： ( 2 8 ) 式中 喷嘴出口处的水滴速度，o c 只令却水温度，。c 置拎却水温度，。c q 水流量，臃2 j d 水滴密度，k 渺( 朋2 。c ) d 喷嘴水管直径 亭阻力系数 2 3 2 5 铸坯表面状态 铸坯表面生成的氧化皮会对传热效率造成一定的影响。对碳钢表面生成的f e o 进行实验，结果表明，加热碳钢时若用心气作保护气比在空气中加热时生成的f e o 少，说明空气的吹入有利于调高冷却效率。 1 3 河北科技大学硕士学位论文 2 3 2 6 喷嘴使用状态 连铸二冷段常用的喷嘴有两种形式：一，扁平形、圆形、锥形等水喷嘴；二， 单孔或双孔气水喷嘴。图2 7 所示为邯钢c s p 薄板坯连铸生产现场二冷区喷嘴布置以 及采用的扁平型喷嘴。研究表明：水喷嘴传热系数较气水喷嘴相比，在表面温度发 生变化时，前者较后者的变化幅度大，尤其是当铸坯表面温度在9 5 0c 以下时，随铸 坯便面温度的改变，气水喷嘴的传热系数几乎不发生变化。这也表明气水喷嘴在均 匀冷却铸坯方面优于水喷嘴。 对于同一型号的喷嘴，水流密度的增加，必然使得单位时间内喷射到铸坯表面 的水量增加，同时也使的喷嘴的喷射冲击压力增大( 水滴速度增大) ，进而会致使传 热系数增大【4 7 1 。 图2 7 二冷区喷嘴的实际安装位置 f i g 2 7 r e a lp o s i t i o no fn o z z l ei i is c n d a r yc 0 0 l i n g 对于气水喷嘴而言，气水量的配比也会影响喷嘴的传热系数，在气水比不断加 大的过程中，通过实验得出，气水喷嘴的传热系数有一个先加大后减小的过程。这 是因为随着气水比的不断加大，使得气水喷嘴所喷射出的水滴尺寸减小，其中的微 小水滴会发生漂移现象，铸坯的冷却作用减弱。因此气水喷嘴在使用过程中，应当 使气水比控制在一个合适的范围内，这样才能最大限度的利用气水喷嘴的优势。 总体而言，水喷嘴的传热系数要比气水喷嘴的传热系数大，也就是说，水喷嘴 对铸坯的冷却强度比水喷嘴的冷却强度大，但是气水喷嘴对铸坯的冷却要比水喷嘴 均匀。同时应定期对二冷水质进行检查和处理，防止因喷嘴老化造成喷嘴的堵塞， 和喷嘴安装位置不当造成冷却强度的不合理，直接影响铸坯的质量。 2 3 3 二次冷却与铸坯质量 连铸机的产量和铸坯质量与二次冷却有密切的关系，二次冷却作为连铸生产线 上的一个重要组成部分，二冷强度的增加，可以提高连铸机的拉速，提高连铸机的 生产率。由二次冷却强度不当引起的连铸坯缺陷包括表面缺陷、内部缺陷和形状缺 陷。其中表面缺陷包括表面纵( 横) 裂纹、皮下气孔、皮下夹渣等：内部缺陷包括 1 4 第2 章薄板坯连铸二次冷却理论基础 夹渣、中间裂纹、中心疏松、偏析等；形状缺陷包括鼓肚、菱形变形( 俗称“脱方 ) 。 与二次冷却有关的缺吲铝，4 9 l 如下： 1 ) 表面缺陷：铸坯的表面缺陷主要表现为铸坯的表面裂纹，它起源于铸坯在结 晶器弯月面处形成的铸坯的坯壳薄厚不均，在二冷区内冷却强度太大，使得铸坯在 矫直时温度处于7 0 04 c 一9 0 0 。c 之间，这一温度刚好属于钢的“脆性区，这时及易 形成表面裂纹。铸坯的表面缺陷还包括皮下气泡、夹渣和表面凹陷等。板坯出现表 面缺陷的主要影响因素包括保护渣、拉速、钢水过热度、碳含量和冷却制度等。 2 ) 内部缺陷：内部缺陷的主要表现为内部裂纹，它是由于铸坯在二冷区所承受 的机械应力和热应力超过了铸坯的临界应力。内部缺陷具体表现形式包括中心线裂 纹、角裂、压下裂纹等。板坯出现内部缺陷的主要影响因素包括钢水的化学成分( 主 要为s 、p 元素对铸坯的影响) 、二次冷却强度、拉坯速度、连铸机整体设备使用情况 左盘 奇o 3 ) 形状缺陷：铸坯的形状缺陷主要表面为鼓肚和铸坯菱变( 脱方) 。鼓肚是由于 铸坯在凝固过程中铸坯的表面温度过高，外部形成的坯壳不足以支持内部钢液所产 生的静压力作用，而形成的鼓胀凸面。鼓肚的形成会增加增坯阻力极易损坏设备。 铸坯菱变( 脱方) 属方坯所特有，本文就不作进一步解释。 综上所述，为了实现连铸机的高产高效，需综合考滤钢液的化学成分、钢水过 热度、拉坯速度、二次冷却强度及设备整机情况等因素。合理的二次冷却制度不但 能够满足铸坯的冶金原则，还可以提高铸机产量和铸坯质量。 2 3 4 二次冷却的冶金原则 连铸生产过程中铸坯质量和连铸机产量是由铸坯凝固时钢水热量的导出决定 的。而在实际生产过程中，铸坯产量和质量往往是互相矛盾的，它们受凝固过程的 传热状态制约。从操作工艺的角度来考虑，当连铸机条件一定的条件下，应根据薄 板坯连铸传热凝固特点，确定合理的二次冷却制度，在保证良好的制皮质量的同时 提高连铸机的产量。因此，在提出对二次冷却制度进行分析和优化时需要遵循的冶 金准则。 1 ) 对冶金长度的限制 对于一般薄板坯连铸生产过程，要求液芯在矫直点前完全凝固。原因是连铸坯 凝固过程实质上是液相穴的加工过程。为防止因凝固前沿的应力扩张导致的内部裂 纹，应避免带液芯矫直，为防止凝固过程中铸坯产生变形，需要满足铸坯进入矫直 机前液芯全部凝固。 2 ) 出结晶器铸坯表面温度和凝固壳厚度的限制 薄板坯经结晶器的铜板冷却传热，在出结晶器时的铸坯表面中心温度应保持在 一定的温度范围，一般认为应小于1 1 0 0 。c ，以保证出结晶器时铸坯有合理的坯壳厚 1 5 河北科技大学硕士学位论文 度，限制出结晶器时薄板坯的坯壳厚度不小于8 1 1 m m ，从而避免鼓肚和漏钢等质 量缺陷和事故。 3 ) 对铸坯表面温度回升的限制 铸坯从一个区进入另一个区时应避免表面温度的大幅度回升，回温导致凝固前 沿产生张应力，当超过临界值时导致中心裂纹的产生和扩展。研究表明，根据铸坯 的弹塑性行为，在二冷区沿铸机拉坯方向铸坯表面回升温度不超过1 0 0 c m 。另外， 应特别注意，在二冷段喷淋水结束后的一段距离内，温度回升的速度不能过大。 4 ) 对矫直点铸坯表面温度的限制 由钢的高温脆性曲线可知，钢在7 0 0 。c 9 0 0 时延性最低，这个区间被称为“口 袋区，钢中含有的、n b 、v 的成分会使“口袋区发生移动。为防止铸坯在矫直 区产生脆性区变形，要求铸坯表面温度在矫直点处的控制在