汽车用钢大方坯连铸二冷配水数学模型.pdf

第 1 6卷第 2期 2 0 0 6年 2月 中国冶金 Ch i n a M e t a l l u r g y Vo 1 1 6 No 2 Fe b 2 0 0 6 汽车用钢大方坯 连铸二冷 配水数学模型 刘 青 曹立 国 王 良周 张立 强 齐永革 丁 秀中 粱 玫 1 北京科技大学冶金与生态工程学院 北京 1 0 0 0 8 3 2 石家庄钢铁有限责任公司炼钢厂 河北 石家庄 0 5 0 0 3 1 摘要 应用开发的连铸传热数学模型对石家庄钢铁有限责任公 司炼钢厂 电炉车 间所 生产 的 5个钢种 及 2 种 规 格铸坯的二次冷却配水进行了模拟计算 根据铸坯凝固冷却过程冶金准则的要求 经反复模拟及优化 得出了二 次冷却区各段 水量 与拉 速的二 次关 系式 综合考虑了过热度对铸坯凝固过程的影响 建立了新的二次冷却水控制 模 型 并应用于实际生产 关键词 连铸 大方坯 二次冷却 配水模 型 汽车用钢 中图分类号 T F 7 7 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 9 3 5 6 2 0 0 6 0 2 0 0 3 3 0 3 M a t he m a t i c a l M o d e l o f W a t e r Di s t r i bu t i o n a t S e c o n da r y Co o l i n g Zo ne i n Bl o o m Co nt i nu o u s Ca s t i n g o f Au t o mo b i l e S t e e l L I U Qi n g C AO Li g u o WANG Li a n g z h o u ZHANG L i q i a n g QI Yo n g g e DI NG Xi u z h o n g LI ANG Me i 1 Me t a l l u r g i c a l a n d E c o l o g i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o 1 Un i v e r s i t y o f S c i e n c e Te c h n o l o g y B e i j i n g B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n a 2 S t e e l ma k i n g P l a n t S h ij i a z h u a n g I r o n S t e e 1 C o I t d S h ij ia z h u a n g 0 5 0 0 3 1 He b e i C h i n a Ab s t r a c t Us i n g t h e d e v e l o p e d ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r h e a t t r a n s f e r i n c o n t i n u o u s c a s t i n g t h e wa t e r d i s t r i b u t i o n o f s e c o n d a r y c o o l i n g z o n e s f o r 5 s t e e l g r a d e s a n d 2 s e c t i o n b l o o ms we r e c a l c u l a t e d Ac c o r d i n g t O r e q u i r e me n t s o f me t a l l u r g i c a l c r i t e r i a f o r b l o o m s o l i d i f y i n g p r o c e s s c o n i c r e l a t i o n b e t we e n s e c o n d a r y c o o l i n g wa t e r f l u x a n d c a s t i n g s p e e d we r e r e g r e s s e d T h e n e w c o n t r o l m o d e l o f s e c o n d a r y c o o l i n g w a t e r w a s e s t a b l i s h e d b y t a k i n g t h e s u p e r h e a t o f mo l t e n s t e e l i n t o a c c o u n t M o r e o v e r q u a l i t y o f b l o o m wa s i m p r o v e d a f t e r u s i n g n e w c o o l i n g wa s c o n t r o l mo d e l t O r e a l p r o d u c t i o n Ke y wo r d s c o n t i n u o u s c a s t i n g b l o o m s e c o n d a r y c o o l i n g wa t e r d i s t r i b u t i o n mo d e l a u t o mo b i l e s t e e l 铸坯的二次冷却在整个连铸生产过程中起着非 常重要的作用 特别是对于汽车用钢的连铸而言 由 于钢种的裂纹敏感性很 强 连铸坯质量缺陷在二次 冷却区形成和扩大的可能性急剧增大 因此连铸二 次冷却配水的研究和优化亟待深化 二次冷却控制 的目的是 在一定 的设备与工 艺条件下选择合适的 二次冷却制度 既要得到高生产率 又要保证 良好的 铸坯质量 为此 以石家庄钢铁有限责任公司 简称 石钢 炼钢厂 电炉车间的大 方坯连铸 机为对 象进 行了研究 该机组 主要工艺参数 铸坯尺寸 为 2 2 0 mm 1 8 0 mm 3 0 0 mmX 2 2 0 mm 浇注钢种 有 4 5 4 0 C r 4 2 C r Mo 4 O Mn 2 2 0 C r Mn Ti 等汽车 用钢 机 型为弧形 3机 3流 圆弧半径 R 9 m 1 7 5 m 二次 冷却区有 4 个冷却段 为气一水冷却 1二 冷 配 水优 化 方 法 国内外扩大连铸品种钢的生产实践表 明 浇铸 不同的钢种 对其 沿铸机长度方 向二次冷却段铸坯 表面温度分布的要求也各异 即不同的连铸钢种对 应的二次冷却制度也不尽相同 故应 根据钢种 的高 温力学性能及质量要求和铸机实际情况制定相应 的 二次冷却控制制度 应用开发 的连铸二次冷却模拟软件 1 输入设 定的二次冷却工艺参数 各钢种的热物性参数 铸机 几何参数 计算出不同工艺参数下的铸坯温度场 凝 固壳厚度 液芯长度 温度梯度等 并按照冶金准则 进行反复的模拟及优化 得出二次冷却 区最佳水量 分布与最佳拉速的关系 作者简介 刘青 1 9 6 7 男 博士 副教授 E ma i l q l i u me t a l 1 u s t b e d u c n 修订 日期 2 0 0 5 1 0 1 0 维普资讯 中国冶金 第 1 6卷 反复模拟及优化二次冷却水量的过程 就是确 定各钢种 目标 温度 的过程 引 选定 钢种 的 目标 温 度 首先要考虑钢的高温力学性能 然后根据二次冷 却区的冶金准则来综合考虑 针对具体的钢种和浇 铸断面对铸坯的冷却速度 表面温度 结 晶器出口坯 壳厚度 液相穴长度 特别是在矫直点处的温度要求 等进行相应的优 化 并根据石钢大方坯 连铸典型钢 种的高温延性和塑性 测试 结果 结合铸机二次冷 却的特点 确定了各 钢种及铸坯断面的 目标 表面温 度 表 1 表 1 连铸坯二次冷却 配水的参数 Ta bl e 1 Pa r ame t e r s f o r s e c on da r y c o ol i n g wa t e r di s t r i bu t i on o f b l oo m 钢 种铸 坯 m m 星 中 间 包 t m s徘 h i 腿 m in 1 温 度 O 段 1 段 2 段 3 段 2 2 O 1 8 O 3 O 0 2 2 O 2 2 O 1 8 0 3 00 2 2 O 2 2 0 l 8 O 3 O O 2 2 O 2 2 O 1 8 O 3 O 0 2 2 0 2 2 O l 8 O 3 O 0 2 2 0 2 铸坯冷却控制的冶金准则 在连铸过程中钢水热量的导出决定 了铸机产量 和铸坯质量 其产量和质量在某种程度上存在一定 的制约关系 而在实际生产中二者又均受冷却过程 中的传热状态控制 从工艺 角度看 当连铸机条件 一 定时 应寻求一种能同时满足铸机产量 和铸坯质 量 的二次冷却制度 并根据钢种提出铸坯冷却控制 的冶金准则 限制沿液相穴深度 连铸坯凝 固冷 却的过程实质上是沿液相穴的加工过程 在外力作 用下 如果凝 固前沿承受的应力超过了固相线温度 时钢的断裂强度 就可能导致 内部裂纹 因此 应避 免凝固过程中的变形 特别是对弧型连铸机应控制 液相穴在矫直点前完全凝 固 限制矫 直点铸坯 表面温度 为 了提高铸机 的拉速及产量 矫直点处 的铸坯表面温度 应控 制在第 脆 性温 度 区上 限以 上 避开脆性 口袋 区 限制铸坯表面温度的回 升 铸坯表面温度回升会导致凝 固前沿张应力增 大 而产生内部裂纹 B r i ma c o mb e的试验表明 温度 回升超过 1 0 0 m会引起内部裂纹 因此一般在二 次冷却区沿拉坯方 向将其控制在 1 0 0 m 以内 限制铸坯表面冷却速度 铸坯冷却速度过快 则 会促进裂纹的扩展 或使铸坯表面处于低延性阶段 且在热应力及机械应力 的作用下 产生新 的裂纹而 恶化铸坯质 量 一 般认 为 最 大 的冷 却速 度应为 2 0 0 m 限制二次冷却 区铸坯表 面温度 为 避免温度过高 过低和过大波动 将其表面中心温度 限制在 8 0 0 1 1 5 0 铸坯鼓肚将导致 中心偏 析 裂纹 疏松等缺陷 矩形坯鼓肚较方坯要 明显 铸坯 表面温度小于 1 1 0 0 C则对防止鼓肚有利 控制 出结晶器坯壳 的厚度 铸坯在出结晶器下 口时 应 保证其有均匀和足够的坯壳厚度 以免拉漏 一般 方坯出结晶器的坯壳厚度应不小于 8 1 2 mml 5 从生产角度考虑 在设备一定的条件下 为保证 铸机的高生产率和合格铸坯质量 应根据不同钢种 来确定最佳的二次冷却水量控制参数 以满足冶金 准则的要求 3 配水 优 化 结 果 与水 量 回 归模 型 以 4 5号钢 2 2 0 mm 1 8 0 mm铸坯 的二次冷却 配水为例 说明二次冷却配水优化 的情况 4 5号钢 2 2 0 mm 1 8 0 mm铸坯在不同拉速下 的配水计算结 果见表 2 二次冷却区最佳水量分布与最佳拉 速的 关 系式见 表 3和图 1 4 连铸 二次冷却 配水模 型 对大方坯连铸 的二次冷却 拉速 和过热度变化 共同影响着二次冷却水量 借鉴文献 6 本文 在此 设计一个新的二冷水控制模型 即 Q 一A B C D 一 2 5 1 式 中 Q 一 二次冷却各段的水量 L mi n 一 拉 速 m rai n 5 5 6 5 7 0 O 8 O 5 7 6 8 5 6 5 O 6 8 6 O O 0 O 0 0 1 O O O l O 0 7 5 O 7 5 7 9 O 9 0 9 8 9 8 2 9 9 9 O l O O O 0 l O O 0 5 O 6 5 6 0 O 5 3 4 6 7 7 6 6 7 O 7 7 7 0 O 0 0 O 0 l O O O O O 6 5 0 2 5 4 0 6 4 d 5 3 4 4 7 5 5 4 0 O O O 0 O 0 O 0 O 5 5 5 5 O O O O O O l 7 l 7 1 7 1 7 l 7 口 l 0 l 0 1 O 1 O l 0 O O O O 5 5 5 5 5 5 9 6 9 6 8 5 8 5 8 5 O O O O O 0 O 0 O 0 O O O O O 0 O O O O 5 6 5 6 5 6 5 6 5 6 9 9 5 5 7 7 7 7 9 9 l 1 2 2 1 1 3 3 l l 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 l 1 8 8 6 6 3 3 9 9 3 3 9 9 3 3 3 3 6 6 4 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 O 0 2 2 2 2 4 4 9 9 O 2 9 9 l 1 9 9 4 4 5 5 4 4 5 5 4 4 一 一 2 维普资讯 第 2 期 刘 青等 汽车 用钢 大方 坯连铸二冷配水数学模型 一一 钢液的过热度 AJ 系数 常数 B 系数 常数 c 系数 常数 D 一系数 常数 二次冷却段的序号 i 0 3 确定 系数 AI B C 主要考虑拉速对二次冷却 各段水量的影响 其确定方法是 运用编制 的二次 冷却模拟软件 在确定钢种和在最常用的过热度下 进行模拟和优化计 算 可获得不 同拉速下的二次冷 却各段合适的冷却水量 将各段水量与拉速的对应 表 2 4 5号钢 2 2 0 mm 1 8 0 mm 断面铸坯在 不同拉速 下的配水计算 结果 Ta bl e 2 Re s u l t s o f wa t e r di s t r i bu t i o n a t di f r e r e nt w i t h dr a wa l s pe e d s 表 3 4 5号钢 2 2 0 mm 1 8 0 mm铸 坯二 冷区水量 分布与拉速 的回归关 系式 Tab l e 3 Re g r e s s i v e e qu a t i o n s on s e c o n d ar y c o o l i n g wat e r f l o w Q a n d c a s t i n g s p e e d 重 毫 棚 图 1 4 5号钢 2 2 0 mm 1 8 0 mm铸坯二冷 区水量 分布与拉速 的关 系 Fi g 1 Re l a t i o ns b e t we e n s e c o nd a r y c oo l i n g wa t e r f l o w Q a n d c a s t i n g s p eed v 数据 回归 可确定合理 的 AJ B C 系数值 系数 D 项的引入是考虑过热度对二次 冷却各 段水量的影响 过热 度 是 由中间包温度 与钢种 的液相线温度确定的 采用测温仪连续测定中间包 内的钢水温度 并将其传至计 算机而得到适时的中 间包温度 中间包温度减去所浇钢种的液相线温度 即可确定其过热度 在最通常 的钢水浇 注温度 A t 为 2 5 左右 时 不考虑过热度项对 二次冷却 的影 响 此时系数 D 为零 不为 2 5 时则系数 D 不为零 A t 大于 2 5 时要增加二次冷却各段的喷水量 反之则减少 各段 喷 水量 图 2为 4 5号钢 2 2 0 ml rn 1 8 0 ram 在不 同的 一2 5 下二次冷却 水量的修正值 Q 一 A 7 3 B 7 3 c 曲线的斜率为 D 值 用同法可获得其 他钢种和规格铸坯的二次冷却各段的 D I 值 见表 4 该二次冷却配水模 型的应用 不但稳定 了铸坯 表面温度 减少了二次冷却 区的质量缺陷 改善了铸 坯的疏松及缩孔 而且为特殊 钢连铸机二次冷却水 过程控制系统的改造提供了理论依据 星 棚 冷 0 段 二冷l 段 二冷2 段 1 二冷3 段 矗 一 6 4 摹 一 2 i I 2 4 6 量 Tab l e 4 Di o f di f f e r en t c o o l i ng z on e s f o r 5 s t e e l g r a de s and t wo s e c t i o n b l oo m s 下转第 4 8页 维普资讯 中国冶金 第 1 6卷 为配重翻板式密封阀 只不过在安装 时调整好密封 角度并定期清洁其密封面即可 3 3 卡 的对策 根据分析 结合氮破真空的各类参数条件 将氮 破真空系统 中分别控制 2个真空室的 GI O 一 1 0型气 动高真空碟阀改为 Q6 4 1 F 一 1 6型气动球 阀 由于球 阀对减压阀 快切阀的响应滞后 的适应能 力要优于 蝶阀 且其工作压力也提高了一个等级 使得改进后 氮破真空阀 卡 的难题得以解决 由于 V 破空阀在设 备布置 中只能选型为 1 O 一 1 O型 使得 卡 的难题很难解决 通过将 V 关闭 运用 V V V V 等空气破真空阀的开启试验表 明 关闭 V 可减少或避免高真空及大流量吹氩条件 下的钢包溢渣问题 据此 去掉 V 破真空阀 并将 其进 出口封堵 彻底解决了 卡 的难题 4 结 语 通过上述改进 1 0 0 t 双工位 VD的 漏 堵 卡 等难题得到了较好地解决 VD在接受钢水后 由 6级真空状态抽至小于 6 7 P a真空脱气工作状态 的时 间从 1 0 1 5 rai n缩 短到 6 6 5 mi n 工 作 真空 度 由 7 0 5 P a提 高 到 4 0 5 P a 在工 序 时 间 不 变的情况下 钢水进入真空 6 7 P a 脱气 的有效时 问由 1 O 1 5 mi n延长到 1 8 7 mi n以上 提高了 VD 效率 满足了高质量 的高碳钢脱氧 氮和氢 的要求 达到了钢水真空脱气标准 参考文献 1 童健 民 1 0 0 t VD设 计缺陷 分析 及改进 J 炼 钢 2 0 0 1 8 6 5 2 J 童健 民 1 O 0 l VI 设 计缺陷 分析及 改进 J 炼 钢 2 0 0 l 8 6 6 3 潘毓淳 炼钢设备E M 北京 北京科技大学 出版社 1 9 9 2 r 4 金殿禄 钢液真夺处理 M 北京 冶金 下业 出版社 1 9 7 9 5 刘忠 懋 热 力设 备安 装 与检修 M 北京 电 力工 业 出版 社 l 9 8 2 上接第 3 5页 5 结 论 1 应用连铸二冷模拟软件分别对 4 5