連鑄過程的冷卻制度

1、連鑄過程的冷卻制度1結(jié)晶器冷卻（一次冷卻）2二冷區(qū)冷卻（二次冷卻）鑄坯冷卻的控制鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的冷卻即一冷確定，其冷卻效果可以由通過結(jié) 晶器壁傳出的熱流的大小來度量。1、一冷作用：一冷就是結(jié)晶器通水冷卻。其作用是確保鑄坯在 結(jié)晶器內(nèi)形成一定的初生坯殼。2、一冷確定原則：一冷通水是根據(jù)經(jīng)驗，確定以在一定工藝條 件下鋼水在結(jié)晶器內(nèi)能夠形成足夠的坯殼厚度和確保結(jié)晶器安全運(yùn) 行的前提。通常結(jié)晶器周邊供水2L/min.mm。進(jìn)出水溫差不超過8C, 出水溫度控制在45-50C為宜，水壓控制在 0.4-0.6Mpa.結(jié)晶器水質(zhì)一般達(dá)到以下技術(shù)條件以免結(jié)晶器水槽內(nèi)銅板表面結(jié)垢，影響 結(jié)晶器傳熱。固體不大于10

2、 mg/L?？倯腋∥锊淮笥?00 m/L。硫酸鹽不大于150 m /L。氯化物不大于100 m /L。總硬度（以CaCO3計）不大于10 mg/L。PH 值為 7.5-9.5.小方坯用工業(yè)清水，板坯常用軟水。結(jié)晶器的作用在盡可能的拉速下，保證鑄坯出結(jié)晶器是形成足夠厚度的坯殼，使連鑄過程安全的進(jìn)行下去，同時決定了連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力；結(jié)晶器內(nèi)的鋼水將熱量平穩(wěn)的傳導(dǎo)給銅板，使周邊坯殼厚度 能均勻的生長，保證鑄坯表面質(zhì)量。結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長的行為特征(1) 鋼水進(jìn)入結(jié)晶器，與銅板接觸就會因為鋼水的表面張力和密度在杠爺上部形成一個較小半徑的彎月面。 在彎月面的根部由于冷卻 速度很快(可達(dá)100C /S),初

3、生坯殼迅速形成，鋼水不斷流入結(jié)晶器, 新的初生坯殼就連續(xù)不斷的生成，已生成的坯殼則不斷增加厚度。(2) 已凝固的坯殼，因發(fā)生3 t 丫的相變，使坯殼向內(nèi)收縮而脫 離結(jié)晶器銅板，直至與鋼水靜壓力平衡。(3) 由于第(2)條的原因，在初生坯殼與銅板之間產(chǎn)生了氣隙，這樣坯殼因得不到足夠冷卻而開始回?zé)?，?qiáng)度降低，鋼水靜壓力又將坯殼貼向銅板。(4) 上述過程反復(fù)進(jìn)行，直至坯殼出結(jié)晶器。坯殼的不均勻性總是存在的，大部分表面缺陷就是起源于這個過程之中。(5) 角部的傳熱為二維，開始凝固最快，最早收縮，最早形成氣隙。角部區(qū)域坯殼最薄，這也是產(chǎn)生角部裂紋和發(fā)生漏鋼的薄弱環(huán)節(jié)。 注入結(jié)晶器的鋼液除受結(jié)晶器壁的強(qiáng)制

4、冷卻外，還通過鋼液面 輻射傳熱及拉坯方向的傳導(dǎo)傳熱。其傳出熱量的比值大約為30:0.15:0.03。各段熱阻約為：坯殼26%;氣隙71%;結(jié)晶器銅壁1%;銅壁與冷卻水界面2%。影響結(jié)晶器傳熱的因素結(jié)晶器錐度結(jié)晶器保護(hù)渣冷卻水質(zhì)結(jié)晶器材質(zhì)鋼水成分經(jīng)研究表明，坯殼厚度的生長服從均方根定律：K受各種因素的影響，在一定范圍內(nèi)變化，板坯結(jié)晶器的K值一般取 1822mm mm-0.5。1、二冷作用：二次冷卻是指出結(jié)晶器的鑄坯在連鑄機(jī)二冷段進(jìn)行 的冷卻過程.其目的是對帶有液芯的鑄坯實施噴水冷卻，使其完全凝固 以達(dá)到在拉坯過程中均勻冷卻.2、二冷強(qiáng)度確定原則：二冷通常結(jié)合鑄坯傳熱與鑄坯冶金質(zhì)量兩 個方面來考慮

5、.鑄坯剛離開結(jié)晶器，要采用大量水冷卻以迅速增加坯殼 厚度,隨著鑄坯在二冷區(qū)移動，坯殼厚度增加，噴水量逐漸降低.因此，二 冷區(qū)可分若干冷卻段，每個冷卻段單獨(dú)進(jìn)行水量控制.同時考慮鋼種對 裂紋敏感性而有針對性的調(diào)整二冷噴水量.3、二冷水量與水壓：對普碳鋼低合金鋼，冷卻強(qiáng)度為：1.0-1.2L/Kg鋼.對低碳鋼、高碳鋼，冷卻強(qiáng)度為：0.6-0.8L/Kg鋼.對熱裂紋敏感性強(qiáng)的鋼種，冷卻強(qiáng)度為：0.4-0.6L/Kg 鋼.水壓為 0.1-0.5MPa4.2二冷區(qū)的傳熱與凝固4.2.1二次冷卻傳熱特點(diǎn)鑄坯從出結(jié)晶器開始完全凝固這一過程稱為二次冷卻，二冷傳熱的主要方式和比例：傳熱方式約占比例%冷卻水加熱與

6、蒸發(fā)55鑄坯輻射25輥?zhàn)觽鲗?dǎo)17空氣對流3在設(shè)備和工藝條件一定時，板坯輻射傳熱和輥?zhàn)觽鲗?dǎo)傳熱變化不大，噴淋水的傳熱就占主導(dǎo)地位，鑄坯中心的熱量是通過坯殼傳導(dǎo) 鑄坯表面的，當(dāng)噴霧水滴打到鑄坯表面時就會帶走一定的熱量，而鑄 坯表面溫度會突然降低，使中心與表面形成很大的溫度梯度， 而這就 成了鑄坯冷卻的動力。從二冷的傳熱方式可以說明，要提高二冷區(qū)的冷卻效率，就必須研究噴霧水滴與高溫鑄坯之間的熱交換?？捎脤α鱾鳠岱匠虂肀硎荆阂岣叨鋮^(qū)冷卻效率和保證板坯質(zhì)量就要提高h(yuǎn)值和在二冷區(qū)各段值的合理分布。422影響二冷區(qū)傳熱因素鑄坯表面溫度水流密度水滴速度水滴直徑鑄坯表面狀態(tài)噴嘴使用狀態(tài)4.2.3二次冷卻水的

7、計算“比水量”是指單位重量鋼水所使用的冷卻水量，用L/kg表示,當(dāng)確定了二次冷卻各區(qū)段的冷卻水分配比例之后，又知道澆鋼的速 率，就能計算出每一個冷卻區(qū)的冷卻水量?！袄鋮s密度”是指鑄坯在單位時間及單位面積上所接收到的冷水量，常用L/m.min表示。連鑄二次冷卻二冷水動態(tài)控制目標(biāo)溫度控制根據(jù)鑄坯在二冷區(qū)的表面溫度與給定的目標(biāo)溫度（冶金專家給 定溫度）對比，調(diào)節(jié)二冷區(qū)各段水量。測量鑄坯表面溫度困難大，而 且不準(zhǔn)，因此用數(shù)學(xué)模型計算鑄坯在二冷的溫度。根據(jù)傳熱原理，傅立葉基本方程：板坯中心部位可近似地認(rèn)為是一維傳熱T:坯殼固態(tài)溫度；t:時間；c：比熱；p：密度；入：熱傳導(dǎo)系數(shù);x :鑄坯厚度方向的距離；

8、y:鑄坯寬度方向距離；z：鑄坯長度 方向距離用差分法或有限元法將鑄坯劃分成許多網(wǎng)格， 假設(shè)在鑄坯上1/2 厚度取一切片，將其分成許多小格，每個格中心代表一個結(jié)點(diǎn)，并認(rèn) 為溫度是均勻的，兩結(jié)點(diǎn)之間的距離x，設(shè)d為1/2坯厚，有n 個結(jié)點(diǎn)。切片向下運(yùn)動的時間增量為 t，每個小個子的中心溫度代表整 個格子的溫度， x為空間步長， t為時間步長。通過轉(zhuǎn)換，偏微分方程可以用n個差分方程迭代進(jìn)行計算用差分方程計算鑄坯溫度時，還有許多假定。如凝固潛熱的分配、液態(tài)一固態(tài)金屬內(nèi)溫度分布、各項熱物理參數(shù)不隨條件改變等等。在生產(chǎn)實踐中用以計算鑄坯表面溫度的方程組及用于控制二冷 水流量的數(shù)模，各個供應(yīng)商（工廠）都有自

9、己的計算方法即所謂的控 制軟件。寶鋼板坯二冷動態(tài)控制是用目標(biāo)溫度動態(tài)控制。鑄坯使用切片 法，設(shè)想結(jié)晶器有5個切片，二冷區(qū)分9個區(qū)20個控制點(diǎn)（每個區(qū) 有2 3個控制點(diǎn)），每個切片有一個目標(biāo)溫度（冶金專家系統(tǒng)），數(shù) 據(jù)每40秒計算一次水量。拉速變化時計算間隔時間 5秒，以此對比 溫度差，調(diào)整水量。1.二冷的作用鑄坯繼續(xù)凝固保障鑄坯質(zhì)量外觀一一防菱形、鼓肚、凹陷、表面裂紋（縱裂、橫裂、角裂、 網(wǎng)狀裂紋）內(nèi)部各種內(nèi)裂、中途裂紋、中心裂紋、三角區(qū)裂紋、疏松、 縮孔、等軸率、偏析程度2. 二冷的原則沿鑄坯縱向冷卻強(qiáng)度逐步減弱鑄坯表面溫度均勻，縱向溫差w 100200C/m,橫向溫差w 50100C /m

10、鑄坯表面溫度回升的限制鑄坯冷卻速度的限制進(jìn)矯直區(qū)鑄坯表面溫度避開脆性區(qū)（低塑性區(qū)）保障質(zhì)量，給熱送熱裝創(chuàng)造條件（無缺陷坯、高溫入爐）3. 二冷區(qū)的傳熱鑄坯在二冷區(qū)的熱釋放噴水冷卻Q= h（TS TW）熱輻射 Q= £（T （TS4 TW4）導(dǎo)輥傳熱Q= KT£ :黑度系數(shù)；（T :波爾茲曼常數(shù)表1鑄坯的熱傳（200X 1215mm板坯，VC=1.6m/min ,熱平衡計算結(jié)果）4噴嘴結(jié)構(gòu)、噴霧特性與熱傳遞二冷噴水冷卻的熱交換可用下式表示：Q = h（TS TW）h = AwnTS:坯溫；TW:水溫；h:傳熱系數(shù)；w:噴水水流密度L/m2 s; n:幕，n=0.450.75

11、（與鑄坯表面溫度及噴嘴性能有關(guān)）h與鑄坯表面溫度關(guān)系h = 0.61w0.597 （坯溫 800 C）h = 0.59w0.385 （坯溫 900 C）h = 0.42w0.351 （坯溫 1000C）5. 二次冷卻的冷卻方式6. 二冷水的分配比水量：Q:總水量L/min ;a,b:鑄坯高、寬m;v :拉速 m/min;p :鋼比重kg/m3根據(jù)澆鑄鋼種，丫值可參考表3注：用氣一水噴霧冷卻時比水量可降低7. 二冷水沿鑄坯長度方向的分配鑄坯凝固前沿放出潛熱等于坯殼的傳導(dǎo)傳熱Lf :等效熔化（凝固潛熱）；p m：鋼的密度；入m：傳熱系數(shù)；(T：鑄坯殼厚；TL :液相線溫度；TS:固相線溫度；t :

12、時間而鑄坯導(dǎo)出熱流由二冷水帶走二h與冷卻水量成正比二二冷水是分段布置的，各冷卻段到結(jié)晶器液面距離為Hi二冷用水量根據(jù)上式可以計算出各段冷卻水量實際上各廠足輥段水量不按上式計算值，而是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定8二冷控制方式人工手動控制：由專職工人根據(jù)水表數(shù)字在拉速變化時調(diào)整水 管閥門，調(diào)節(jié)各段水量。儀表計算機(jī)控制：靜態(tài)控制、動態(tài)控制靜態(tài)控制水表方式：根據(jù)拉速、鋼種、鋼水過熱度列成水表輸入計算機(jī) 或用PLC控制冷卻水閥門調(diào)節(jié)水量數(shù)學(xué)方程式：式中a、b、c為常數(shù)；Q為總水量，由鋼種確定比水量后分段控 制9. 二冷水量與拉速串級控制拉速串級控制帶溫度反饋拉速串級控制帶過熱度前饋及濕度反饋拉速串級控制10. 二冷水

13、動態(tài)控制 目標(biāo)溫度控制根據(jù)鑄坯在二冷區(qū)的表面溫度與給定的目標(biāo)溫度（冶金專家給 定溫度）對比，調(diào)節(jié)二冷區(qū)各段水量。測量鑄坯表面溫度困難大，而 且不準(zhǔn)，因此用數(shù)學(xué)模型計算鑄坯在二冷的溫度。板坯中心部位可近似地認(rèn)為是一維傳熱T:坯殼固態(tài)溫度；t:時間；c：比熱；p：密度；入：熱傳導(dǎo) 系數(shù)；x :鑄坯厚度方向的距離；y:鑄坯寬度方向距離；z：鑄坯長度 方向距離用差分法或有限元法將鑄坯劃分成許多網(wǎng)格， 假設(shè)在鑄坯上1/2 厚度取一切片，將其分成許多小格，每個格中心代表一個結(jié)點(diǎn)，并認(rèn) 為溫度是均勻的，兩結(jié)點(diǎn)之間的距離x，設(shè)d為1/2坯厚，有n 個結(jié)點(diǎn)。切片向下運(yùn)動的時間增量為 t,每個小個子的中心溫度代表

14、整 個格子的溫度， x為空間步長， t為時間步長。通過轉(zhuǎn)換，偏微分方程可以用n個差分方程迭代進(jìn)行計算用差分方程計算鑄坯溫度時，還有許多假定。如凝固潛熱的分 配、液態(tài)一固態(tài)金屬內(nèi)溫度分布、各項熱物理參數(shù)不隨條件改變等等。在生產(chǎn)實踐中用以計算鑄坯表面溫度的方程組及用于控制二冷 水流量的數(shù)模，各個供應(yīng)商（工廠）都有自己的計算方法即所謂的控 制軟件。板坯二冷動態(tài)控制是用目標(biāo)溫度動態(tài)控制。鑄坯使用切片法, 設(shè)想結(jié)晶器有5個切片，二冷區(qū)分9個區(qū)20個控制點(diǎn)（每個區(qū)有2 3個控制點(diǎn)），每個切片有一個目標(biāo)溫度（冶金專家系統(tǒng)），數(shù)據(jù)每40 秒計算一次水量。拉速變化時計算間隔時間 5秒，以此對比溫度差， 調(diào)整水量

15、。寶鋼曾用靜態(tài)控制，在穩(wěn)定條件下鑄坯表面溫度誤差為60 C;用動態(tài)控制，無論穩(wěn)速或變速，鑄坯表面溫度誤差小于6 C。武鋼三煉鋼3#板坯鑄機(jī)（比水量0.6）表面目標(biāo)溫度設(shè)定值如下 表所示目標(biāo)溫度反饋法測量拉矯機(jī)前鑄坯表面溫度作為反饋信號動態(tài)控制二冷水，鑄 坯在二冷區(qū)的溫度沒有控制，有用于方坯、矩形坯，大方坯連鑄目前 仍用目標(biāo)溫度對比控制。鑄坯歷程給水控制根據(jù)鑄坯在二冷區(qū)經(jīng)歷的時間長短分配水量，例拉速高，坯在 二冷區(qū)停留時間短，給水量應(yīng)增多，該控制法是將鑄坯劃分若干區(qū)段， 計算每一個區(qū)段在二冷區(qū)噴水段內(nèi)停留時間長短 （有人稱為“坯齡”）, 以此編制控制軟件。11. 水管、噴嘴的布置長條形坯（方坯、

16、矩形坯、圓坯）長條形坯：二冷區(qū)水管布置基本上都是將二冷區(qū)分為35段，小方坯大都為3段（包括零段），由于方坯二冷區(qū)導(dǎo)衛(wèi)輥（夾持輥）很少， 所以水嘴分配可以不等距離安排。噴嘴的布置原則上是“上密下疏”， 用統(tǒng)一型號水嘴，根據(jù)水密度要求可用噴嘴間距調(diào)節(jié)。噴嘴噴水形狀大都為實心圓錐，噴嘴與鑄坯表面距離應(yīng)以噴水面積全部覆蓋坯面為好（如上圖所示）。結(jié)晶器出口處為二冷零段（足 輥段）長度很短，一般為500mm左右，設(shè)置二圈水噴嘴，水量占總 二冷水的2040%，其余水嘴安在長條水管上，分 23段控制。小方坯均用水噴嘴，大方坯、合金鋼鑄坯在 23段有用氣一水 噴霧的。內(nèi)外弧水量分配比為 1: 1.11.2，內(nèi)外弧不分別控制，外 弧可多設(shè)噴嘴。板坯：大板坯連鑄二冷控制較為復(fù)雜?；旧隙际且粋€扇形段為一組冷卻段，而一組的控制點(diǎn)為23個（內(nèi)、外、側(cè)）。12. 二冷制度優(yōu)化國內(nèi)二冷控制模型使用情況寶鋼從20世紀(jì)80年代引進(jìn)二冷控制模型；1996年國內(nèi)有廠家自主開發(fā)二冷模型；1