第17卷第6期
2005年12月
钢铁研究学报 Journal of Iron and Steel Research
Vol. 17,No. 6
Dec. 2005
连铸二次冷却研究的进展
刘 青1, 王良周1, 曹立国2, 张立强2, 梁 玫2
(1. 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京100083; 2. 石家庄钢铁有限责任公司炼钢厂, 河北石家庄050031)
摘 要:从连铸坯凝固传热数学模型、二次冷却配水与控制、钢的高温力学性能和二次冷却喷嘴冷态及热态特性等方面综述了连铸二次冷却研究的进展, 分析了相关研究对优化二次冷却控制和提高铸坯质量的参考作用。对运用经典方法研究特殊钢连铸的二次冷却控制技术具有借鉴作用。关键词:连铸; 二次冷却; 高温力学性能; 传热模型; 喷嘴特性
中图分类号:TF777 文献标识码:A 文章编号:100120963(2005) 0620006205
Evolution of R esearch on Secondary Cooling in
Continuous C asting Process
L IU Qing 1, WAN G Liang 2zhou 1, CAO Li 2guo 2, ZHAN G Li 2qiang 2, G Mei 2
(1. University of Science and Technology , ; 2. Shijiazhuang Iron and Steel Co Ltd , , )
Abstract :The evolution of casting process was reviewed on the basis of mathematical in continuous casting process , secondary cooling water dis 2tribution and control mechanical performance of steel , and cold state and hot state characteris 2tics of nozzles , etc. effect of some parameters mentioned above upon optimizing secondary cooling control and the quality of steel was analyzed. The results obtained are usef ul to study secondary cooling control technology for continuous casting of special steel using classical methods.
K ey w ords :continuous casting ;secondary cooling ;high temperature mechanical property ;heat transfer model ;nozzle characteristics
近年来, 我国连铸技术取得了很大进展。2003
年上半年统计, 国内大中型钢铁企业(占全国产钢量85%以上) 连铸比为96136%, 超过国外89170%的
在连铸坯产量很高的情况下, 不断提高铸坯质量和改进品种结构已是众多钢厂所面临的迫切任务, 特别是汽车及机械制造用特殊钢的连铸二次冷却技术尚有待进行深入、细致的研究。
平均水平。其中, 特殊钢、合金钢连铸比也有一定的提高。为了提高连铸机作业率并改善铸坯质量, 各钢厂都在不断改进连铸技术。而铸机的高作业率和铸坯的高质量都与钢水的凝固过程密切相关, 连铸二次冷却就是对出结晶器的铸坯继续进行强化冷却。通过改善二次冷却制度, 优化二次冷却配水, 可实现铸坯的冷却均匀。因此, 优化二次冷却是高效连铸技术的一项重要措施, 而连铸高效化已经成为推动我国钢铁工业结构优化的重要技术[1,2]。当前,
1 连铸坯凝固传热数学模型
国外对连铸坯二次冷却数学模型的研究已有40多年的历史。早期, J E Lait 等[3]就建立了比较完整的铸坯凝固传热数学模型。数值解析法是求解凝固传热数学模型的主要方法,A W D Hills [4]应用线上求积法对方程的一维形式求解, 而E A Mizikar [5]和B Lally [6]等则用有限差分法求解该方程。南条敏夫[7]和松野
作者简介:刘 青(19672) , 男, 博士, 副教授; E 2m ail :qliu @metall.ust b. edu. cn ; 修订日期:2005203205
第6期 刘 青等:连铸二次冷却研究的进展 ・7・
淳一[8]等也建立了凝固传热数学模型, 并着重分析了板坯连铸中凝固速度和铸坯表面温度对凝固组织和内、外质量的影响。J E Lait 等[3]通过模型分别探讨了不锈钢板坯连铸和低碳钢方坯连铸的凝固特点。I V Samarasekera 等[9]利用数学模型研究了各工艺参数对铸坯质量的影响, 目的是通过改变工艺参数来提高铸坯的质量。 我国从20世纪80年代开始对连铸数学模型进行研究[10,11]。利用数学模型模拟了铸坯内部温度场、凝固壳厚度和液相穴的长度, 并研究了各工艺参数间的相互关系以及它们对铸坯凝固过程的影响。 为了推导出铸坯温度分布的数学模型, 假设从结晶器内钢水弯月面处沿铸坯中心取一个与铸坯一起向下运动的微元体, 该微元体的高度、长度和宽度分别为d z 、d x 和d y (见图1) 。基本假设:①拉坯方向(垂直方向) 的传热很小, 可以忽略; ②对于板坯, 铸坯宽度方向的温度梯度很小, 可忽略该方向的传热; ③忽略液相穴对流传热; ④凝固坯壳以传导传热
ρ占统治地位; ⑤钢的热物理性能(如λ、、c ) 均为常数。
根据基本假设, 可推导出凝固传热非稳态方程:ρ(1) 板坯 c =
=x 22ρ(2) 方坯c =25式中, ρ———钢水的密, kg/m 3; c ———比热容, J /(kg ・℃) ; t ———钢水温度, ℃;
τ———时间, s ; λ———导热系数,W/(m ・K ) ; x , y , z ———坐标。 为求解上述方程, 设其边界条件如下: (1) 初始条件 开始时间τ=0时, x =0, z =0, 结晶器内钢水弯月
面处微元体钢水温度为:
t =t c 式中, t c ———浇注温度, ℃。 (2) 铸坯中心 铸坯中心线两边为对称传热, 即:
=0
x
(3) 铸坯表面
(3)
(4)
Φ=A -B (5) 结晶器:
式中, Ф———热流, kJ /m 2; A , B ———实验常数; 早期曾有人推荐Φ=640-80(kJ /m 2) 。
Φ=h (t S -t W ) (6) 二冷区:
式中, t s , t w ———铸坯表面和冷却水的温度, ℃; h ———喷
) 。嘴喷淋水与铸坯表面间的传热系数,kW/(m 2・℃
4
Φ=εσ(t 4(7) 辐射区:S -t O )
式中, ε———辐射系数(黑度) ; σ———波兹曼常数;
t O ———环境温度, ℃。
, 编制。, 近些年已开发出了许多二次冷却传热数学模型。但是, 大多数模型只能离线模拟稳定的浇注过程, 不能可靠地反映浇注条件频繁发生变化的实际连铸过程, 或者是特定铸机的一维动态控制, 通用性不高。当前迫切的任务是挖掘二冷区凝固传热数学模型的动态模拟途径, 以提高配水计算的适时可靠性以及软件人-机界面的通用性和灵活性。 国内许多钢厂的连铸二冷模型都是与连铸机一并从国外引进的, 其传热计算、控制策略等核心算法存在缺陷, 不能满足工艺的需要。根据连铸工艺的实际要求, 开发有自己特色的二冷控制模型, 同时借鉴和吸收所引进的动态控制模型在物流跟踪、异常处理等方面的优点。
2 钢的高温力学性能
钢的高温力学性能与铸坯裂纹缺陷有直接的关系。凝固过程中, 坯壳所受的各种力为外因, 而钢的裂纹敏感性是内因。日本新日铁的H G Suzuki 博士[12]系统研究了3个温度区间[t m ～1200℃(Ⅰ) 、
) 、) ]钢的强度与1200～900℃(Ⅱ900～600℃(Ⅲ
塑性的变化规律, 并对钢样断口形貌及脆化机理进
图1 铸坯凝固示意图
Fig 11 Sketch m ap of solidif ication of continuous casting slab
行了深入地研究。在此基础上, 提出了改进连铸生
产工艺、防止铸坯裂纹缺陷的有效对策。 在连铸坯运行过程中, 坯壳所经受的外力(如热应力、钢水静压力和弯曲矫直力等) 对铸坯裂纹的形成有决定性的影响。铸坯凝固时, 若固2液界面所承受的应力(如热应力、鼓肚力和矫直力等) 及由此产生的塑性变形超过了所允许的高温强度和临界应变值, 则形成树枝状晶间裂纹。而且柱状晶越发达, 裂纹扩展越迅速。 因此, 用Gleeble 热模拟机可测定不同钢种的脆性曲线, 制定适合于钢的高温塑性变化的二冷制度。攀枝花钢铁有限公司的研究人员应用Gleeble 22000热模拟实验机定量地研究了变形温度、变形速率和冷却速率对含钒重轨钢高温热塑性的影响[13], 然后制定了含钒重轨钢的连铸二冷配水制度, 并利用该制度在成都无缝钢管厂成功浇铸出PD3连铸坯。 国内关于这方面的研究还有很多[14,15]。据此笔者认为钢的高温力学性能研究应确定如下方针:在G1eeble 热模拟实验机上进行钢的高温塑性测试, 划分高塑性区和低塑性区温度范围, 研究变形温度、变形速率和冷却速率等因素对钢塑性的影响, 合理的连铸工艺制度提供依据, , 。
次冷却水模型。该模型运用于生产实际后, 铸坯表面裂纹大大减少。 二次冷却水量自动控制所采用的数学模型主要有以下几种[18～19]。 (1) 比例控制法
比例控制法是方坯连铸机使用最广泛的控制方法。它的数学模型通常为Q =aV +b 式, 然后再分解成:Q i =a i V +b i 作为各段的分水量。在拉矫机入口处用红外光学测温计测量二冷区出口铸坯的表面温度, 并将测量值送入PLC , 与工艺设定的该钢种的二冷出口表面温度进行比较, 并将该比较值反馈到最后一段的水量控制系统, 用以补偿调节该段的水量。 (2) 参数控制法或拉速串级配水控制法 制定出适合于所需浇铸钢种的目标表面温度曲线, 由此找出铸坯表面实际温度符合目标温度时各冷却段水量的控制参数A 、B 和C , 建立符合Q =
2
A V +B V +C 条件的数学模型。同时, 将A 、B 和C , 然后根据拉速自, 并与设定的目标表面温度进行比较。根据比较的差值结果, 给出各段的冷却水量, 以使铸坯的表面温度与目标温度相吻合。
(4) 非稳态控制方法
非稳态控制方法[20]是一种新的铸坯冷却的控
(坯壳形成后所经历的时制方法。该方法以“坯龄”
间) 作为控制参数进行冷却控制。其原理是:随着冷却时间的延长, 铸坯表面温度降低, 综合换热系数提高, 所需要的冷却水量逐渐减少。与其它方法相比, 非稳态控制法具有冷却效果好、控制简便的优点。目前, 国内外都有这方面的研究及实践经验。 二次冷却水量自动控制的目的是使铸坯在不同拉速下均能得到合理的冷却。特别是二次冷却基础级自动控制水平的提高, 为连铸工序全数字化控制奠定基础。二次冷却自动控制对于优化炼钢-连铸生产过程的衔接匹配也具有积极的推动作用。312 喷嘴特性与配置 在连铸二冷区内, 喷嘴喷淋水与铸坯表面的冲击传热是二次冷却的主要传热方式。气水雾化冷却法因具有冷却均匀、冷却强度可调范围大以及喷嘴不易堵塞等优点, 在连铸二次冷却中得到广泛应用。
3 二次冷却配水与冷却系统
311 二次冷却配水与控制
二次冷却配水模型先根据铸坯规格、铸坯钢种、连铸生产过程来计算铸坯铸造方向的凝固厚度和表面温度, 与生产工艺温度进行比较, 再根据计算值与生产中实测铸坯表面温度值的差异来调节二次冷却水流量。 二次冷却水控制是连铸机自动化系统的重要组成部分, 因为二次冷却水的控制直接影响铸坯内部和外部的质量。连铸机二次冷却配水自动控制已研究了多年, 但由于生产条件不同, 建立的二冷控制模型也各有差异。O D Bolger 等[16]开发了全自动喷雾控制系统, 可以随着拉速的波动自动调整不同冷却区的喷水流量。该系统的实现基于简化的板坯跟踪算法。
目前, 国内许多钢厂根据自身的情况开发了连铸二次冷却模型。如徐荣军等[17]应用模式识别与人工神经网络相结合的方法, 建立了板坯连铸的二
因此, 为改善二次冷却制度, 生产高质量的铸坯, 有必要对喷嘴性能进行研究。此方面的研究已经开展多年, 不少文献[21,22]介绍了这方面的研究情况。 喷嘴性能指冷态性能和热态性能两种。冷态性能主要包括:①喷嘴喷水流量与喷水压力的关系; ②喷嘴的喷射角度; ③喷淋水的雾化均匀性; ④喷嘴的最小喷水压力或喷水流量; ⑤喷嘴喷淋水的水滴直径; ⑥喷嘴的有效喷淋系数等。在二次冷却区喷嘴布置设计前, 必须用专门的测试设备测定喷嘴的冷态性能指标, 以此作为评价喷嘴性能和设计喷嘴布置方式的依据。喷嘴热态性能是指喷淋水与铸坯表面热交换的传热系数与其影响因素之间的关系, 可用Q d =h (t S -t W ) 来表示(式中, Q d ———水滴带走的热量) 。以传热系数来表征二次冷却区喷水冷却效率, 传热系数越大, 二次冷却效率就越高。通常, 实验室多用热模拟装置来测定不同喷嘴结构喷雾水滴与高温铸坯表面的传热系数。喷水冷却传热系数的实验研究结果对合理制定二次冷却区喷水制度是非常必要的。 根据喷嘴性能测试和数值模拟计算结果, 研究响, 然后优化二次冷却系统也很多[23]。
则。针对连铸机装备和工艺水平, 喷嘴布置应遵循如下原则:①喷嘴喷出的水应全部喷在铸坯表面; ②二冷喷嘴应布置在相邻夹辊之间; ③喷嘴选型及二冷喷淋管路的布局既要便于维修又要适应自动配水的要求; ④若采用水环式冷却装置, 其喷嘴布置应避开辊子。
钢种的凝固特性以及拉速制定出相应的配水制度。连铸二冷配水应在保证不漏钢的前提下, 采用弱水冷却, 这样可减少热应力, 削弱柱状晶的生长, 增大等轴晶的比例, 减轻偏析。在过度二次冷却的连铸小方坯上发生“冻伤”, 对铸坯质量产生严重影响, 这是因为喷水冷却的沸腾换热所决定的, 可通过合理的二次冷却控制来避免[25]。 板坯连铸机水流密度分布对铸坯凝固有很大的影响。在宽断面铸坯生产中, 增加二次冷却强度、改变各扇形段二次冷却水喷嘴的分布位置或者在窄面增加喷嘴, 均可加强对宽断面铸坯窄边的冷却, 消除边部的“亮带区”, 从而有效地控制宽断面铸坯的三角区裂纹[26]。目前, 国内外普遍采用的连铸二次冷却水目标表面温度反馈控制模型, 将平均水流密度的概念带入模型进行计算不尽合理, 应考虑水流密度分布特性。
5 结 论
、铸坯, 从而降低缺陷的发生率。回顾二次冷却技术的发展历程, 只有密切结合钢厂的实际情况, 将优化的二冷技术与发展电磁连铸技术和开发接近凝固温度、高均质、高等轴晶比的浇铸技术相结合, 才能逐步缩小我国高质量钢的高效连铸技术与国外先进水平存在的差距。
参考文献:
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4 二次冷却对铸坯质量的影响
二次冷却工艺对铸坯质量影响显著, 所以控制
二次冷却是控制铸坯质量的关键。铸坯在二冷区的不均匀冷却会促使裂纹的扩展。二冷区坯壳温度梯度大, 柱状晶发达, 但凝固速度快, 晶粒较细。对于弧形连铸机, 铸坯低倍结构具有不对称性, 即内弧侧柱状晶比外弧侧长, 所以内裂纹常常出现在内弧侧。如果连铸坯柱状晶发达, 柱状晶可使材料呈各向异性, 裂纹易扩展。因此, 抑制连铸坯中柱状晶的生长、扩大等轴晶区是改善铸坯质量的重要任务[24]。 二冷区的配水并不是越强越好, 水量与导出的热流并不完全呈正比。应根据钢与水的换热特性、
(下转第29页)
第6期 赵贤平等:钢包及中间包的保温性能 ・29・
转炉模拟钢包参照现转炉钢包用的铝镁质浇注耐火材料寿命提高了10%～20%, 包底工作层残留料, 包衬直接与包壳结合, 结合层厚度为180mm 。厚度由50～55mm 增至60～70mm , 包壁表面温度包壳内侧30mm 采用保温隔热瓦预制件拼装, 厚度降低60～80℃, 钢液温度下降12～16℃。为30mm 的永久层采用体积密度为310g/cm 3的高
3 结 论强度浇注料, 剩余的120mm 用原来使用的浇注料。
转炉模拟中间包的浇注料和粘土质砖永久层厚 (1) 根据蓝晶石和硅线石等原料的高温转变特度改为40mm , 并改用轻型方角石质捣打料或制品。性, 用特殊工艺制成新型隔热保温材料, 并采用特殊将底板冲击砖改为高强度浇注料块, 高出底面3～5的结构形式来改善包衬结构是可行的。mm , 并在上面涂刷一层高强度泥料, 以保护座砖和 (2) 包衬保温材料和结构的改进提高了包衬寿水口。为提高中间包的使用寿命, 模拟中间包绝热命, 并在保证钢水温度的情况下, 有效地降低了出钢板材质采用镁钙质。其它结构与原来的转炉中间包结构相同。 模拟电炉小钢包的永久层采用方角石捣打料或焦宝石捣打料, 工作层采用30mm 厚的轻质隔热保温料。10t 电炉钢包用现行的铝尖晶石异形砖拼装,100t 电炉钢包采用镁铝碳砖或镁碳砖综合砌包模式。为避免包底钢液冲击区被破坏, 底吹砖周围采用分散立式砌砖, 砌完后涂一层浇注料, 以保护钢包底砖。214 实验结果 各种包衬结构的对比实验结果表明:温度, 延长了包衬寿命, 获得了较好的经济效益。
参考文献:
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2004,26(1) :42244.
第17卷第6期
2005年12月
钢铁研究学报 Journal of Iron and Steel Research
Vol. 17,No. 6
Dec. 2005
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刘 青1, 王良周1, 曹立国2, 张立强2, 梁 玫2
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摘 要:从连铸坯凝固传热数学模型、二次冷却配水与控制、钢的高温力学性能和二次冷却喷嘴冷态及热态特性等方面综述了连铸二次冷却研究的进展, 分析了相关研究对优化二次冷却控制和提高铸坯质量的参考作用。对运用经典方法研究特殊钢连铸的二次冷却控制技术具有借鉴作用。关键词:连铸; 二次冷却; 高温力学性能; 传热模型; 喷嘴特性
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Abstract :The evolution of casting process was reviewed on the basis of mathematical in continuous casting process , secondary cooling water dis 2tribution and control mechanical performance of steel , and cold state and hot state characteris 2tics of nozzles , etc. effect of some parameters mentioned above upon optimizing secondary cooling control and the quality of steel was analyzed. The results obtained are usef ul to study secondary cooling control technology for continuous casting of special steel using classical methods.
K ey w ords :continuous casting ;secondary cooling ;high temperature mechanical property ;heat transfer model ;nozzle characteristics
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1 连铸坯凝固传热数学模型
国外对连铸坯二次冷却数学模型的研究已有40多年的历史。早期, J E Lait 等[3]就建立了比较完整的铸坯凝固传热数学模型。数值解析法是求解凝固传热数学模型的主要方法,A W D Hills [4]应用线上求积法对方程的一维形式求解, 而E A Mizikar [5]和B Lally [6]等则用有限差分法求解该方程。南条敏夫[7]和松野
作者简介:刘 青(19672) , 男, 博士, 副教授; E 2m ail :qliu @metall.ust b. edu. cn ; 修订日期:2005203205
第6期 刘 青等:连铸二次冷却研究的进展 ・7・
淳一[8]等也建立了凝固传热数学模型, 并着重分析了板坯连铸中凝固速度和铸坯表面温度对凝固组织和内、外质量的影响。J E Lait 等[3]通过模型分别探讨了不锈钢板坯连铸和低碳钢方坯连铸的凝固特点。I V Samarasekera 等[9]利用数学模型研究了各工艺参数对铸坯质量的影响, 目的是通过改变工艺参数来提高铸坯的质量。 我国从20世纪80年代开始对连铸数学模型进行研究[10,11]。利用数学模型模拟了铸坯内部温度场、凝固壳厚度和液相穴的长度, 并研究了各工艺参数间的相互关系以及它们对铸坯凝固过程的影响。 为了推导出铸坯温度分布的数学模型, 假设从结晶器内钢水弯月面处沿铸坯中心取一个与铸坯一起向下运动的微元体, 该微元体的高度、长度和宽度分别为d z 、d x 和d y (见图1) 。基本假设:①拉坯方向(垂直方向) 的传热很小, 可以忽略; ②对于板坯, 铸坯宽度方向的温度梯度很小, 可忽略该方向的传热; ③忽略液相穴对流传热; ④凝固坯壳以传导传热
ρ占统治地位; ⑤钢的热物理性能(如λ、、c ) 均为常数。
根据基本假设, 可推导出凝固传热非稳态方程:ρ(1) 板坯 c =
=x 22ρ(2) 方坯c =25式中, ρ———钢水的密, kg/m 3; c ———比热容, J /(kg ・℃) ; t ———钢水温度, ℃;
τ———时间, s ; λ———导热系数,W/(m ・K ) ; x , y , z ———坐标。 为求解上述方程, 设其边界条件如下: (1) 初始条件 开始时间τ=0时, x =0, z =0, 结晶器内钢水弯月
面处微元体钢水温度为:
t =t c 式中, t c ———浇注温度, ℃。 (2) 铸坯中心 铸坯中心线两边为对称传热, 即:
=0
x
(3) 铸坯表面
(3)
(4)
Φ=A -B (5) 结晶器:
式中, Ф———热流, kJ /m 2; A , B ———实验常数; 早期曾有人推荐Φ=640-80(kJ /m 2) 。
Φ=h (t S -t W ) (6) 二冷区:
式中, t s , t w ———铸坯表面和冷却水的温度, ℃; h ———喷
) 。嘴喷淋水与铸坯表面间的传热系数,kW/(m 2・℃
4
Φ=εσ(t 4(7) 辐射区:S -t O )
式中, ε———辐射系数(黑度) ; σ———波兹曼常数;
t O ———环境温度, ℃。
, 编制。, 近些年已开发出了许多二次冷却传热数学模型。但是, 大多数模型只能离线模拟稳定的浇注过程, 不能可靠地反映浇注条件频繁发生变化的实际连铸过程, 或者是特定铸机的一维动态控制, 通用性不高。当前迫切的任务是挖掘二冷区凝固传热数学模型的动态模拟途径, 以提高配水计算的适时可靠性以及软件人-机界面的通用性和灵活性。 国内许多钢厂的连铸二冷模型都是与连铸机一并从国外引进的, 其传热计算、控制策略等核心算法存在缺陷, 不能满足工艺的需要。根据连铸工艺的实际要求, 开发有自己特色的二冷控制模型, 同时借鉴和吸收所引进的动态控制模型在物流跟踪、异常处理等方面的优点。
2 钢的高温力学性能
钢的高温力学性能与铸坯裂纹缺陷有直接的关系。凝固过程中, 坯壳所受的各种力为外因, 而钢的裂纹敏感性是内因。日本新日铁的H G Suzuki 博士[12]系统研究了3个温度区间[t m ～1200℃(Ⅰ) 、
) 、) ]钢的强度与1200～900℃(Ⅱ900～600℃(Ⅲ
塑性的变化规律, 并对钢样断口形貌及脆化机理进
图1 铸坯凝固示意图
Fig 11 Sketch m ap of solidif ication of continuous casting slab
行了深入地研究。在此基础上, 提出了改进连铸生
产工艺、防止铸坯裂纹缺陷的有效对策。 在连铸坯运行过程中, 坯壳所经受的外力(如热应力、钢水静压力和弯曲矫直力等) 对铸坯裂纹的形成有决定性的影响。铸坯凝固时, 若固2液界面所承受的应力(如热应力、鼓肚力和矫直力等) 及由此产生的塑性变形超过了所允许的高温强度和临界应变值, 则形成树枝状晶间裂纹。而且柱状晶越发达, 裂纹扩展越迅速。 因此, 用Gleeble 热模拟机可测定不同钢种的脆性曲线, 制定适合于钢的高温塑性变化的二冷制度。攀枝花钢铁有限公司的研究人员应用Gleeble 22000热模拟实验机定量地研究了变形温度、变形速率和冷却速率对含钒重轨钢高温热塑性的影响[13], 然后制定了含钒重轨钢的连铸二冷配水制度, 并利用该制度在成都无缝钢管厂成功浇铸出PD3连铸坯。 国内关于这方面的研究还有很多[14,15]。据此笔者认为钢的高温力学性能研究应确定如下方针:在G1eeble 热模拟实验机上进行钢的高温塑性测试, 划分高塑性区和低塑性区温度范围, 研究变形温度、变形速率和冷却速率等因素对钢塑性的影响, 合理的连铸工艺制度提供依据, , 。
次冷却水模型。该模型运用于生产实际后, 铸坯表面裂纹大大减少。 二次冷却水量自动控制所采用的数学模型主要有以下几种[18～19]。 (1) 比例控制法
比例控制法是方坯连铸机使用最广泛的控制方法。它的数学模型通常为Q =aV +b 式, 然后再分解成:Q i =a i V +b i 作为各段的分水量。在拉矫机入口处用红外光学测温计测量二冷区出口铸坯的表面温度, 并将测量值送入PLC , 与工艺设定的该钢种的二冷出口表面温度进行比较, 并将该比较值反馈到最后一段的水量控制系统, 用以补偿调节该段的水量。 (2) 参数控制法或拉速串级配水控制法 制定出适合于所需浇铸钢种的目标表面温度曲线, 由此找出铸坯表面实际温度符合目标温度时各冷却段水量的控制参数A 、B 和C , 建立符合Q =
2
A V +B V +C 条件的数学模型。同时, 将A 、B 和C , 然后根据拉速自, 并与设定的目标表面温度进行比较。根据比较的差值结果, 给出各段的冷却水量, 以使铸坯的表面温度与目标温度相吻合。
(4) 非稳态控制方法
非稳态控制方法[20]是一种新的铸坯冷却的控
(坯壳形成后所经历的时制方法。该方法以“坯龄”
间) 作为控制参数进行冷却控制。其原理是:随着冷却时间的延长, 铸坯表面温度降低, 综合换热系数提高, 所需要的冷却水量逐渐减少。与其它方法相比, 非稳态控制法具有冷却效果好、控制简便的优点。目前, 国内外都有这方面的研究及实践经验。 二次冷却水量自动控制的目的是使铸坯在不同拉速下均能得到合理的冷却。特别是二次冷却基础级自动控制水平的提高, 为连铸工序全数字化控制奠定基础。二次冷却自动控制对于优化炼钢-连铸生产过程的衔接匹配也具有积极的推动作用。312 喷嘴特性与配置 在连铸二冷区内, 喷嘴喷淋水与铸坯表面的冲击传热是二次冷却的主要传热方式。气水雾化冷却法因具有冷却均匀、冷却强度可调范围大以及喷嘴不易堵塞等优点, 在连铸二次冷却中得到广泛应用。
3 二次冷却配水与冷却系统
311 二次冷却配水与控制
二次冷却配水模型先根据铸坯规格、铸坯钢种、连铸生产过程来计算铸坯铸造方向的凝固厚度和表面温度, 与生产工艺温度进行比较, 再根据计算值与生产中实测铸坯表面温度值的差异来调节二次冷却水流量。 二次冷却水控制是连铸机自动化系统的重要组成部分, 因为二次冷却水的控制直接影响铸坯内部和外部的质量。连铸机二次冷却配水自动控制已研究了多年, 但由于生产条件不同, 建立的二冷控制模型也各有差异。O D Bolger 等[16]开发了全自动喷雾控制系统, 可以随着拉速的波动自动调整不同冷却区的喷水流量。该系统的实现基于简化的板坯跟踪算法。
目前, 国内许多钢厂根据自身的情况开发了连铸二次冷却模型。如徐荣军等[17]应用模式识别与人工神经网络相结合的方法, 建立了板坯连铸的二
因此, 为改善二次冷却制度, 生产高质量的铸坯, 有必要对喷嘴性能进行研究。此方面的研究已经开展多年, 不少文献[21,22]介绍了这方面的研究情况。 喷嘴性能指冷态性能和热态性能两种。冷态性能主要包括:①喷嘴喷水流量与喷水压力的关系; ②喷嘴的喷射角度; ③喷淋水的雾化均匀性; ④喷嘴的最小喷水压力或喷水流量; ⑤喷嘴喷淋水的水滴直径; ⑥喷嘴的有效喷淋系数等。在二次冷却区喷嘴布置设计前, 必须用专门的测试设备测定喷嘴的冷态性能指标, 以此作为评价喷嘴性能和设计喷嘴布置方式的依据。喷嘴热态性能是指喷淋水与铸坯表面热交换的传热系数与其影响因素之间的关系, 可用Q d =h (t S -t W ) 来表示(式中, Q d ———水滴带走的热量) 。以传热系数来表征二次冷却区喷水冷却效率, 传热系数越大, 二次冷却效率就越高。通常, 实验室多用热模拟装置来测定不同喷嘴结构喷雾水滴与高温铸坯表面的传热系数。喷水冷却传热系数的实验研究结果对合理制定二次冷却区喷水制度是非常必要的。 根据喷嘴性能测试和数值模拟计算结果, 研究响, 然后优化二次冷却系统也很多[23]。
则。针对连铸机装备和工艺水平, 喷嘴布置应遵循如下原则:①喷嘴喷出的水应全部喷在铸坯表面; ②二冷喷嘴应布置在相邻夹辊之间; ③喷嘴选型及二冷喷淋管路的布局既要便于维修又要适应自动配水的要求; ④若采用水环式冷却装置, 其喷嘴布置应避开辊子。
钢种的凝固特性以及拉速制定出相应的配水制度。连铸二冷配水应在保证不漏钢的前提下, 采用弱水冷却, 这样可减少热应力, 削弱柱状晶的生长, 增大等轴晶的比例, 减轻偏析。在过度二次冷却的连铸小方坯上发生“冻伤”, 对铸坯质量产生严重影响, 这是因为喷水冷却的沸腾换热所决定的, 可通过合理的二次冷却控制来避免[25]。 板坯连铸机水流密度分布对铸坯凝固有很大的影响。在宽断面铸坯生产中, 增加二次冷却强度、改变各扇形段二次冷却水喷嘴的分布位置或者在窄面增加喷嘴, 均可加强对宽断面铸坯窄边的冷却, 消除边部的“亮带区”, 从而有效地控制宽断面铸坯的三角区裂纹[26]。目前, 国内外普遍采用的连铸二次冷却水目标表面温度反馈控制模型, 将平均水流密度的概念带入模型进行计算不尽合理, 应考虑水流密度分布特性。
5 结 论
、铸坯, 从而降低缺陷的发生率。回顾二次冷却技术的发展历程, 只有密切结合钢厂的实际情况, 将优化的二冷技术与发展电磁连铸技术和开发接近凝固温度、高均质、高等轴晶比的浇铸技术相结合, 才能逐步缩小我国高质量钢的高效连铸技术与国外先进水平存在的差距。
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4 二次冷却对铸坯质量的影响
二次冷却工艺对铸坯质量影响显著, 所以控制
二次冷却是控制铸坯质量的关键。铸坯在二冷区的不均匀冷却会促使裂纹的扩展。二冷区坯壳温度梯度大, 柱状晶发达, 但凝固速度快, 晶粒较细。对于弧形连铸机, 铸坯低倍结构具有不对称性, 即内弧侧柱状晶比外弧侧长, 所以内裂纹常常出现在内弧侧。如果连铸坯柱状晶发达, 柱状晶可使材料呈各向异性, 裂纹易扩展。因此, 抑制连铸坯中柱状晶的生长、扩大等轴晶区是改善铸坯质量的重要任务[24]。 二冷区的配水并不是越强越好, 水量与导出的热流并不完全呈正比。应根据钢与水的换热特性、
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第6期 赵贤平等:钢包及中间包的保温性能 ・29・
转炉模拟钢包参照现转炉钢包用的铝镁质浇注耐火材料寿命提高了10%～20%, 包底工作层残留料, 包衬直接与包壳结合, 结合层厚度为180mm 。厚度由50～55mm 增至60～70mm , 包壁表面温度包壳内侧30mm 采用保温隔热瓦预制件拼装, 厚度降低60～80℃, 钢液温度下降12～16℃。为30mm 的永久层采用体积密度为310g/cm 3的高
3 结 论强度浇注料, 剩余的120mm 用原来使用的浇注料。
转炉模拟中间包的浇注料和粘土质砖永久层厚 (1) 根据蓝晶石和硅线石等原料的高温转变特度改为40mm , 并改用轻型方角石质捣打料或制品。性, 用特殊工艺制成新型隔热保温材料, 并采用特殊将底板冲击砖改为高强度浇注料块, 高出底面3～5的结构形式来改善包衬结构是可行的。mm , 并在上面涂刷一层高强度泥料, 以保护座砖和 (2) 包衬保温材料和结构的改进提高了包衬寿水口。为提高中间包的使用寿命, 模拟中间包绝热命, 并在保证钢水温度的情况下, 有效地降低了出钢板材质采用镁钙质。其它结构与原来的转炉中间包结构相同。 模拟电炉小钢包的永久层采用方角石捣打料或焦宝石捣打料, 工作层采用30mm 厚的轻质隔热保温料。10t 电炉钢包用现行的铝尖晶石异形砖拼装,100t 电炉钢包采用镁铝碳砖或镁碳砖综合砌包模式。为避免包底钢液冲击区被破坏, 底吹砖周围采用分散立式砌砖, 砌完后涂一层浇注料, 以保护钢包底砖。214 实验结果 各种包衬结构的对比实验结果表明:温度, 延长了包衬寿命, 获得了较好的经济效益。
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