连铸二冷区凝固传热及冷却控制
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方坯连铸凝固传热数学模型及其软件页数:13
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连铸工艺、设备03连铸坯凝固与传热.pptx页数:15
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第三章 连铸坯的凝固与传热页数:2
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圆坯连铸凝固传热数学模型及应用页数:4
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大圆坯连铸凝固传热过程的数值模拟页数:4
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连铸坯凝固及其控制页数:44
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连铸工艺设备03连铸坯凝固与传热
当水流速达6m∕s时，传热系数hw＝4 W∕cm2·℃；
29
可见，最大的热阻是来自于坯壳与结晶器 壁之间的气隙。气隙热阻占总热阻84％以 上。因此坯壳的生长决定于气隙形成动力 学，而气隙的大小是决定于坯壳的收缩和 坯壳抵抗钢水鼓胀的能力。结晶器断面气 隙的形成是不均匀的，由于角部是二维传 热，冷却最快收缩最早，产生气隙后向中 心面扩展，结晶器宽面气隙宽度比角部小， 角部坯壳厚度最薄，常常会出现角部裂纹， 甚至造成漏钢。
在液相穴下部液体的流动主要是坯壳的收 缩和晶体下沉所引起的自然对流，或者是 由于铸坯鼓肚所引起的液体流动。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂物分 布、溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要 作用。
11
四.在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看 成是经历“形变热处理”过程
1.从受力的方面看，铸坯承受热应力和机械应 力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；
阻，热流下降，导致铜壁温度升高，加速 了水的沸腾。所以，结晶器必须使用软水。 要求其总盐含量≯400mg∕l，硫酸盐≯150 mg∕l，氯化物≯50mg∕l，硅酸盐 ≯40mg∕l，悬浮质点＜50mg∕l，质点尺 寸≯0.2mm，碳酸盐硬度≯1～2°Dh, pH 值为7～8。
37
C.结晶器润滑的影响 结晶器润滑可以减小拉坯阻力，并可由于
下过程： ⑴钢水向坯壳的对流传热； ⑵凝固坯壳中的传导传热； ⑶凝固坯壳与结晶器壁传热； ⑷结晶器壁传导传热； ⑸冷却水与结晶器壁的强制对流传热，热量
被通过水缝中高速度流动的冷却水带走。
27
结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：
式中
11em1eCu1
h h1 m h0 Cu hW
h—总的传热系数；
一.结晶器内坯壳的形成 1.坯壳表面与铜壁之间的接触状况 ⑴钢液弯月面区； ⑵坯壳与铜壁紧密接触区； ⑶坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。
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可见，最大的热阻是来自于坯壳与结晶器 壁之间的气隙。气隙热阻占总热阻84％以 上。因此坯壳的生长决定于气隙形成动力 学，而气隙的大小是决定于坯壳的收缩和 坯壳抵抗钢水鼓胀的能力。结晶器断面气 隙的形成是不均匀的，由于角部是二维传 热，冷却最快收缩最早，产生气隙后向中 心面扩展，结晶器宽面气隙宽度比角部小， 角部坯壳厚度最薄，常常会出现角部裂纹， 甚至造成漏钢。
在液相穴下部液体的流动主要是坯壳的收 缩和晶体下沉所引起的自然对流，或者是 由于铸坯鼓肚所引起的液体流动。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂物分 布、溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要 作用。
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四.在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看 成是经历“形变热处理”过程
1.从受力的方面看，铸坯承受热应力和机械应 力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；
阻，热流下降，导致铜壁温度升高，加速 了水的沸腾。所以，结晶器必须使用软水。 要求其总盐含量≯400mg∕l，硫酸盐≯150 mg∕l，氯化物≯50mg∕l，硅酸盐 ≯40mg∕l，悬浮质点＜50mg∕l，质点尺 寸≯0.2mm，碳酸盐硬度≯1～2°Dh, pH 值为7～8。
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C.结晶器润滑的影响 结晶器润滑可以减小拉坯阻力，并可由于
下过程： ⑴钢水向坯壳的对流传热； ⑵凝固坯壳中的传导传热； ⑶凝固坯壳与结晶器壁传热； ⑷结晶器壁传导传热； ⑸冷却水与结晶器壁的强制对流传热，热量
被通过水缝中高速度流动的冷却水带走。
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结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：
式中
11em1eCu1
h h1 m h0 Cu hW
h—总的传热系数；
一.结晶器内坯壳的形成 1.坯壳表面与铜壁之间的接触状况 ⑴钢液弯月面区； ⑵坯壳与铜壁紧密接触区； ⑶坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。
连铸过程的冷却制度
连铸过程的冷却制度1.结晶器冷却（一次冷却）2.二冷区冷却（二次冷却）铸坯冷却的控制钢水在结晶器内的冷却即一冷确定，其冷却效果可以由通过结晶器壁传出的热流的大小来度量。
1、一冷作用：一冷就是结晶器通水冷却。
其作用是确保铸坯在结晶器内形成一定的初生坯壳。
2、一冷确定原则：一冷通水是根据经验，确定以在一定工艺条件下钢水在结晶器内能够形成足够的坯壳厚度和确保结晶器安全运行的前提。
通常结晶器周边供水2L/min.mm。
进出水温差不超过8℃，出水温度控制在45-50℃为宜，水压控制在0.4-0.6Mpa.结晶器水质一般达到以下技术条件以免结晶器水槽内铜板表面结垢，影响结晶器传热。
固体不大于10㎎/L。
总悬浮物不大于400㎎/L。
硫酸盐不大于150㎎/L。
氯化物不大于100㎎/L。
总硬度（以CaCO3计）不大于10㎎/L。
PH值为7.5---9.5.小方坯用工业清水，板坯常用软水。
结晶器的作用◆在尽可能的拉速下，保证铸坯出结晶器是形成足够厚度的坯壳，使连铸过程安全的进行下去，同时决定了连铸机的生产能力；◆结晶器内的钢水将热量平稳的传导给铜板，使周边坯壳厚度能均匀的生长，保证铸坯表面质量。
结晶器内坯壳生长的行为特征(1)钢水进入结晶器，与铜板接触就会因为钢水的表面张力和密度在杠爷上部形成一个较小半径的弯月面。
在弯月面的根部由于冷却速度很快（可达100℃/s），初生坯壳迅速形成，钢水不断流入结晶器,新的初生坯壳就连续不断的生成，已生成的坯壳则不断增加厚度。
(2)已凝固的坯壳，因发生δ→γ的相变，使坯壳向内收缩而脱离结晶器铜板，直至与钢水静压力平衡。
(3)由于第（2）条的原因，在初生坯壳与铜板之间产生了气隙，这样坯壳因得不到足够冷却而开始回热，强度降低，钢水静压力又将坯壳贴向铜板。
(4)上述过程反复进行，直至坯壳出结晶器。
坯壳的不均匀性总是存在的，大部分表面缺陷就是起源于这个过程之中。
(5)角部的传热为二维，开始凝固最快，最早收缩，最早形成气隙。
连铸二次冷却
连铸二次冷却(secondary cooling of continuous casting)连铸炼钢过程中，在结晶器出口到拉矫机的长度区间内对铸坯进行的强制均匀冷却。
这个区间称二次冷却区。
该区段内设有喷水系统和按直线(立式连铸机)或弧线(弧形连铸机)排列的一系列夹辊装置。
二次冷却的作用是对铸坯表面进行强制、均匀冷却，使铸坯在较短时间内凝固。
二冷区必须保证铸坯无表面、内部裂纹、无中心偏析且浇注时漏钢率最小。
为保证二冷区作用的实现，对其装置的具体要求是：(1)总体结构和支承导向部件刚性好、强度大；(2)对弧简便准确，易于安装、检修和事故处理；(3)冷却系统具有足够的冷却强度和均匀性，并可适当调节。
传热方式有铸坯表面向空气的辐射热，由铸坯温度高低而定；空气和铸坯表面间的对流传热，此值小可忽略；夹辊和铸坯表面的传导传热；水滴打在铸坯上水蒸发直接散热；水滴沾到铸坯表面被加热等5种。
其中喷雾水滴直射铸坯表面，带走的热量占二冷区总散热量的40％。
水滴与铸坯表面间的传热是一复杂的传热过程，它受喷水强度、铸坯表面温度、氧化铁皮厚度、冷却水温度和水滴运动速度等各种因素影响。
其中喷水强度则与喷嘴类型、喷射距离、水压、水温密切相关。
冷却方式有水喷雾冷却、气一水喷雾冷却或干式冷却(不喷水或喷少量水)。
通常喷水冷却水压力约O．3～O．6MPa，一般通过喷嘴将水雾化成细滴，以很高的速度打到铸坯上。
采用哪种冷却方式要考虑铸坯断面尺寸、拉速、钢种、矫直温度、铸机型式以及是否热送直接轧制等条件来决定。
喷嘴有压力型、气一水型两种，材质系铜。
压力喷嘴常用的有扁、螺旋、圆锥、薄片等多种；气～水喷嘴是利用压缩空气将水雾化，使铸坯连liar、冷却更加均匀且节水的一种高效冷却喷嘴。
由于从结晶器出口处拉出的铸坯进入二冷上段时，内部尚未完全凝固，坯壳薄、热阻小，坯壳凝固收缩产生的应力也小，可施以强冷却。
随着坯壳厚度增加，热阻加大，铸坯进入二冷下段后，要逐渐减小冷却强度。
连铸圆坯凝固传热行为与铸坯质量的控制
一
。
随着 连铸技术 的发 展 ， 提 高连 铸坯产 量 和质量成 为连铸 技 术研 究 的 主要 问题 之 一 。连续 铸 钢技 术 是将
液态钢水在浇注过程中连续不断地冷却凝 固成固态 ， 在这一高温过程中伴 随着极其复杂 的传质 ， 传热 ， 相变 以及流动等物理化学现象。铸坯在冷却凝固传热过程 中， 由于受到复杂力 的作用（ 机械应力 ， 热应力， 相变 应 力等 ） ， 从而对 连铸 坯 的质量有 着直 接 的影 响 ， 连铸 坯在 这一过 程 中所形 成 的各 种 缺 陷 （ 包 括表 面裂 纹 ， 内 部裂 纹 ， 缩孔 ， 偏析 ， 变形 等 ） 基本 上 与温度 的分 布有关 系 。因此 ， 在 很 大程 度 上 来 讲 ， 通过 研 究 连铸 坯 在 二 次冷却过程中的凝固传热行为 ， 来合理 的控制铸坯的冷却条件 ， 从而提高铸坯的质量是非常有必要的。 连铸坯 裂纹 是影 响连铸 机产 量 和铸坯 质 量 的重要 缺 陷 之一 。据 生 产资 料 统计 铸 坯 各类 缺 陷 中约 ５ ０ ％ 为铸坯裂纹。铸坯出现裂纹， 严重 的情况时会导致铸坯出结晶器后拉漏 ， 影响铸坯收得率； 轻微裂纹也不能 直接送轧钢厂进行轧制 ， 必须进过精整处理者要进行精整处理 ， 影响铸坯的热送率 。因此说 ， 铸坯一旦 出现 裂纹， 就会影响铸机的生产率 ， 产品的合格率 。 铸 坯产生裂 纹 与钢液 凝 固过 程传 热有极 大 的关 系 ， 因此 ， 通过 对铸 坯 在 二冷 区域传 热 的分 析研 究 ， 来 探 索铸 坯裂 纹 的成 因相 当重 要 。
（ ２ ） 潜热 ， 是指 钢液从 液相 线温度 凝 固到 固相 线时所 释放 出来 的热量 。
（ ３ ） 显热 ， 是指 由固相线温度冷却至室温或指定温度时释放 的热量 。 在连铸机生产的过程中， 钢水热量的释放分别经历了结晶器冷却 （ 一次冷却 ） ， 扇形段喷淋冷却（ 二次冷 却） 和空冷。在一冷区， 钢水在水冷结晶器中形成厚度和强度足够且均匀的坯壳 ， 以保证铸坯出结晶器不拉 漏； 在二冷区， 喷水 （ 雾） 以加速连铸坯 内部热量的传递； 空冷 区铸坯辐射传热 ， 是铸坯内外温度均匀。传热 方式包括了对流、 热传导、 辐射传热 。影响铸坯热量传递过程的诸因素 中， 如果连铸机的设备和工艺操作确 定的情况下 ， 通过控制二次冷却来解决热量的传递问题成为一种重要的处理手段。
。
随着 连铸技术 的发 展 ， 提 高连 铸坯产 量 和质量成 为连铸 技 术研 究 的 主要 问题 之 一 。连续 铸 钢技 术 是将
液态钢水在浇注过程中连续不断地冷却凝 固成固态 ， 在这一高温过程中伴 随着极其复杂 的传质 ， 传热 ， 相变 以及流动等物理化学现象。铸坯在冷却凝固传热过程 中， 由于受到复杂力 的作用（ 机械应力 ， 热应力， 相变 应 力等 ） ， 从而对 连铸 坯 的质量有 着直 接 的影 响 ， 连铸 坯在 这一过 程 中所形 成 的各 种 缺 陷 （ 包 括表 面裂 纹 ， 内 部裂 纹 ， 缩孔 ， 偏析 ， 变形 等 ） 基本 上 与温度 的分 布有关 系 。因此 ， 在 很 大程 度 上 来 讲 ， 通过 研 究 连铸 坯 在 二 次冷却过程中的凝固传热行为 ， 来合理 的控制铸坯的冷却条件 ， 从而提高铸坯的质量是非常有必要的。 连铸坯 裂纹 是影 响连铸 机产 量 和铸坯 质 量 的重要 缺 陷 之一 。据 生 产资 料 统计 铸 坯 各类 缺 陷 中约 ５ ０ ％ 为铸坯裂纹。铸坯出现裂纹， 严重 的情况时会导致铸坯出结晶器后拉漏 ， 影响铸坯收得率； 轻微裂纹也不能 直接送轧钢厂进行轧制 ， 必须进过精整处理者要进行精整处理 ， 影响铸坯的热送率 。因此说 ， 铸坯一旦 出现 裂纹， 就会影响铸机的生产率 ， 产品的合格率 。 铸 坯产生裂 纹 与钢液 凝 固过 程传 热有极 大 的关 系 ， 因此 ， 通过 对铸 坯 在 二冷 区域传 热 的分 析研 究 ， 来 探 索铸 坯裂 纹 的成 因相 当重 要 。
（ ２ ） 潜热 ， 是指 钢液从 液相 线温度 凝 固到 固相 线时所 释放 出来 的热量 。
（ ３ ） 显热 ， 是指 由固相线温度冷却至室温或指定温度时释放 的热量 。 在连铸机生产的过程中， 钢水热量的释放分别经历了结晶器冷却 （ 一次冷却 ） ， 扇形段喷淋冷却（ 二次冷 却） 和空冷。在一冷区， 钢水在水冷结晶器中形成厚度和强度足够且均匀的坯壳 ， 以保证铸坯出结晶器不拉 漏； 在二冷区， 喷水 （ 雾） 以加速连铸坯 内部热量的传递； 空冷 区铸坯辐射传热 ， 是铸坯内外温度均匀。传热 方式包括了对流、 热传导、 辐射传热 。影响铸坯热量传递过程的诸因素 中， 如果连铸机的设备和工艺操作确 定的情况下 ， 通过控制二次冷却来解决热量的传递问题成为一种重要的处理手段。
21连铸坯的凝固结构及控制
三、铸坯结构的控制
为扩大等轴晶带可采取以下措施： (1)加速凝固工艺。 (2)喷吹金属粉粉剂。
(3)控制二冷区冷却水量。
(4)加入形核剂。 (5)电磁搅拌技术。
对形核剂要求是： 1)在钢液温度下为固态；
2)在钢液温度下不分解为元素而进入钢中；
3)能稳定地存在于凝固前沿而不上浮； 4)形核剂尽可能与钢液润湿，晶格彼此接近，使形核 剂与钢液间有粘附作用。
连铸坯的凝固结构及控制
一、连铸坯的凝固结构
一般情况下，连铸坯从表层到中心是由细小等
轴晶带、柱状晶带和中心等轴晶带所组成的。
连铸坯凝固结构示意图 1—中心等轴晶带；2—柱状晶带； 3—细小等轴晶带
(1) 细小等轴晶带。表层细小等轴晶带也叫激冷层。它是表层钢液在 结晶器弯月面处冷却速度并在连续向下的运动中形成的。 (2)柱状晶带。激冷层形成过程中的收缩，使坯壳与结晶器壁间产 生了气隙，增加了热阻，降低下传热速度，不再生成新的晶核， 而表现为已有晶核的继续长大。此时，钢液的过热热量和结晶潜 热主要通过凝固层传出，产生了向结晶器壁的定向传热。 浇注温度、冷却条件等对柱状晶生长均有影响。浇注温度高，柱 状晶带就宽；二冷区冷却强度加大，将增加温度梯度，也促进柱 状晶发展；铸坯断面加大，则减小温度梯度，从而减小柱状晶的 宽度。 (3)中心等轴晶带。此时心部传热的单向性已很不明显，并且此时 传热的途径长，传热受到限制，晶粒长大缓慢，故形成晶粒比激 冷层粗大的等轴晶。
二、“小钢锭”结构
柱状晶开始时为均匀生长。但由于二冷区喷水冷却的不均匀 性，将会使冷却快的局部区域的柱状晶优先生长，当某一 局部区域两边相对生长的柱状晶相连接或等轴晶的下落被 柱状晶所捕集时，就会出现“搭桥”现象，形成“凝固 桥”，将液相穴内的钢液分隔开来。这祥，“桥”下面残 余钢液固收缩将得不到上面钢液的补充，凝固后就会形成 明显的疏松或缩孔，并伴随有严重前中心偏析。
连铸二冷区技术原理
148CHINA INSTRUMENTATION2010年 增刊由于铸坯凝固速度比拉坯速度慢很多，随着浇注的进行，铸坯内形成一个很长的液相穴。
铸坯带着液芯进入二冷区接受喷水冷却，目的是使铸坯完全凝固，表面温度分布均匀，内外温度梯度小，然后进入拉矫机。
铸坯在二冷区要全部凝固还需散出 210～294kJ/kg 的热量。
所以，从结晶器出口到拉矫机前的一定范围内设置一个喷水冷却区，叫二冷区，向铸坯表面喷射雾化水滴，铸坯表面温度突然降低，铸坯表面和中心之间形成了较大的温度梯度，这是铸坯向外传热的动力。
二冷水的控制特点是要求流量控制范围大，控制精度高，因此常采用高精度的电磁流量计对水流量进行检测。
凌钢1700ASP 连铸铸坯生产过程中，边角温度下降快，二冷区采取气—水雾化冷却系统控制，借以避免局部水楔和开浇、停浇时残流所造成的冷却不均匀。
2 系统概况凌钢1700ASP 连铸二冷水系统采取气—水雾化冷却控制，即在8个冷却区中，第1区（即结晶器喷水区）喷水冷却，防止拉漏和鼓肚，2~8区采取气—水雾化冷却。
气—水冷却系统分区如图1所示。
以上各冷却区均设置流量调节阀，一级计算机根据钢坯横截面、拉速、钢种等修正参数、设定冷却水、二冷空气流量的设定值，同时控制各区的流量调节阀的开度，实现对气水配比控制。
二次冷却水流量与拉速满足以下关系:Qi A v B v C xax i i i 2=++b ^h 式中：Qi 为某一控制回路的流量设定值;连铸二冷区技术原理The Theory of Second Cooling Zone1 引言众所周知，在连铸生产工艺流程中，从结晶器拉出来的铸坯凝固成一个薄的外壳，而中心仍为高温钢水。
（1）中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2010年 增刊149v 为拉坯速度;α为过冷补偿系数;β为喷水宽度调整补偿系数（仅第三段控制回路有此项）。
3 气水冷却配比控制在汽水冷却段，为了达到气水喷雾冷却的预期效果，必须保证冷却水与压缩空气的正确配比。
连铸连轧生产：二冷区传热与凝固
3.5.3影响二冷区传热的因素
一般情况下，二冷区内辐射散热与夹辊冷却主要受连铸机设备类型与布置 的制约，属于基本固定或不易调整的因素。因而水冷是二冷区内主要的冷却 手段，对喷淋水冷却效率有影响的很多因素在生产中是可调整的，这些因素 的变化直接影响着二冷区内的热交换。
1水流密度 水流密度是指铸坯单位时间在单位面积上所接受到的冷却水量。传热系数 与水流密度之间的关系可以用经验关系式表示，主要形式有两种
3.5.4二次冷却的计算原则
1铸坯长度方向上冷却水的分配 大量理论计算和实践结果都证明了铸坯在二次冷却区的凝固服从平方根 定律。在凝固过程中，铸坯中心的热量是通过坯壳传到铸坯表面的，而这种 热量的传递是随着坯壳厚度的不断增加而减小，另外，从坯壳传到表面的热 量主要是由喷射到表面的水滴带走的，所以，随着坯壳厚度的增加，传到表 面热量的减少，自然冷却水量也应随之减少。冷却水量连续递减，在实际生 产中很难实现，因此通常将二次冷却区分为若干冷却段，每一冷却段设置相 同冷却水流量。
3.5.2二冷区的传热机理
（4）DA辊冷区
由于坯壳的鼓肚变形，夹辊与皮壳表面不是线接 触而是面接触，DA弧即为该接触面的截线，在该区内 坯壳以接触导热的形式向夹辊散热。
二冷区传热系数表示了铸坯表面与二冷区冷却水 之间的传热效率，h大，则传热效率就高，它与喷水 量、水流密度、喷水面积、喷水压力、喷水距离、喷 嘴结构、铸坯表面温度和冷却水水温等因素有关。一 般需要通过试验测定统计后，用经验公式表示。
3.5.4二次冷却的计算原则
4 二次冷却与钢种 （1）高温区：从液相线以下50℃到1300℃ 。塑性与强度都很低，这也是固-液相界面容易 产生裂纹的原因。 （2）中温区：由1300℃到900℃。钢在这个 温度范围内，处于奥氏体相区，它的强度取决 于晶界析出的硫化物、氧化物数量和形状。若 由串状改为球状分布，则可明显提高强度。 （3）低温区：从900℃到700℃。钢处于相 变温度区，若再有AlN、Nb(CN)的质点沉淀于晶 界处，钢的延性大大降低，容易形成裂纹，并 加剧扩展。900℃到700℃时，钢的延性最低， 极易产生裂纹。
连铸机二冷区冷却特性和喷嘴性能分析
特 性 决 定 了二 冷 区 对 喷 嘴 的 要 求 ：④ 流 量 可 控 且调 节 范 围
宽 ： 水量 分布以 及喷射 角不受 流量变 化的影响 ； 把 水 ② ④
雾 化 成 细 小 的 水 滴 ．具 有 较 高 的 喷 射 速 度 ． 能 到 达 铸 坯 表
面且易 ＿蒸 发 ；④ 喷射 到铸坯 表面的水滴 ． 盖面较 大 鼠 ｆ 分布均匀 ；⑤ 铸坯 内弧 表面无 积水现象 ：ｆ 喷嘴在使 用过
程 中 无 堵 塞 现 象 发 生
（ 当铸 坯 表 面 温 度 为 ８ ｏ 时 ． Ｖ ）： ．１￣ ． ０ （ ０Ｏ ８ ００ ６
Ｌ／ ｎ ｃ ） ｍｉ ・ ｍ！
『（ ＝ ０ ． （ 。 ｚ 后） ５ ５５ ）
ｋ ａ／ｍ ｈ ℃ ｃｌ ・・
２ 喷 嘴 特 性
评 价 喷 嘴 性 能 的 重 要 参 数 有 两 个 ．即 喷 嘴 的 冷 态 特 性
水 量 密 度 对 传 热 系 效 的 影 响 水 量 密 度 时 传 热 系 数 影
响 极 大 当铸 坯 表 确 温 度 一 定 时 ． 水 量 密 度 增 加 ．传 热 系 数 增 大 ．而 且低 温 区 比高 温 区 明 显 ．现 普遍 推 荐 采 用 如 下 ．
公式：
ｈ （ ＝ ２ ．５ 。 ０９ ｋ ａ ／ｍ！ｈ・ ） ５ ２６ Ｖ （ ． ｃ Ｌ ）５ ７ ・
机 上 设 置二 冷 水 的 主 要 目的 是 ：① 通 过 喷 嘴 的 水 喷 淋 （ 或
度 小 于３ ｏ℃ 时 ，水 滴 在 铸 坯 表 面 呈 “ 湿 ” 状 态 ，构 成 ０ 润 半 沸 腾 过 渡 传 热 过 程 。 此 时 ， 表 面 温 度 升 高 ． 热 流 增 加 铸 坯 表 面 温 度 大 于 ３ ｏ℃时 ，水 滴 在铸 坯 表 面呈 “ 润 湿 ” ０ 不
第四讲 钢液的凝固原理—结晶器、二次冷却
1.1.1 结晶器的构造
按结晶器的构造可以分直结晶器和弧形结 晶器，直结晶器主要是用在立式、立弯式 和直弧形连铸机上，而弧形结晶器是用在 全弧形和椭圆形连铸机。
按结构可分为整体结晶器、管式结晶器和 组合结晶器，第一种结晶器目前已经很少 采用，下面主要是介绍后两种结晶器。小 方坯或小矩形坯采用管式结晶器，而大方 坯、大矩形坯及板坯多采用组合结晶器。
➢ 钢水在结晶器中形成凝固坯壳及过热度的降低所放出的热 量主要是由冷却水带走的，因此要合理设定的水缝面积。 通常采用下式来计算结晶器水缝的面积F〔3〕：
➢
F 10000 QS ,
mm2
3600 v
（8）
➢ 式中 Q 结晶器单位周长耗水量，m3/(h∙m)，经验为 100~160 m3/(h∙m)；
图 5 弧形管式结晶器结构
1－结晶器外罩；2－内水套；3－润滑油管；4－结晶器铜管；5－ 放射源容器；6－盖板；7－外水套；8－给水管；排水管；10－接 受装置；11－水环；12－足辊；13－定位销
1) 结晶器铜管的内腔尺寸
若冷态铸坯的公称尺寸为a×b，a为铸坯厚度，b为弧面宽 度，at，bt为结晶器铜管上口尺寸，ab，bb为结晶器下口 尺寸，则结晶器铜管的内腔尺寸可按下式计算：
2) 结晶器铜管的壁厚
➢ 结晶器铜管要有一定的抗变形能力，同时要保证一定的传 热效果，因此要有一定的厚度，对于不同断面的铸坯，其 铜管的壁厚也不相同，随着断面的增大，铜管的壁厚也增 加，通常结晶器铜管的壁厚为10～15mm，磨损后可加工 修复，但最薄不小于3-6mm。考虑到铸坯的冷却收缩作 用，在铜管的角部要有一定的圆角过渡。
图6 组合式结晶器
1－调厚与夹紧装置；2－窄面内壁；3－宽面内壁；4－框架；5－振动框架； 6－调宽机构；7－装放射源处
连铸二冷室气雾冷却技术的控制系统
界面 、７ ４ ０ ｓ — ０ 控制系统 、 气阀 门定位 器 、 电／ 执行器 、 压
力变送器等 。 这些设备 、 器件共同组成 了一个闭环 的控
制系统 ， 以快速 、 可 准确的控制进入喷嘴的压缩空气 的
在连铸二次冷却系统 中采用气雾冷却技术是非常 ＷＷ ｃ ｉ ｍ． Ｗ． ｔ Ｃ ｈｊ Ｏ ｔ Ｊ ｊＪ ｏ ｊ ＠ｔ ． ｍ ｙ ｙｃ
冷 却 满足 艺 要求 ， 提高 了铸 坯 质量 水 平 ， 得 了 理想 的效 果 。 取
关键词 连铸
１ 前 言
二冷 室 气雾冷却技 术
调 节
必要 的。它可 以精确地控 制每一流 每一 区的气／ 配 水 比， 从而达 到精确控制铸坯表 面冷却效果 的 目的， 对提 高铸坯表面质量非常有利。
是其 电气 控制技术 。 该技术采用 了 ＰＤ调节 ， Ｉ 在有相对
２ 气雾冷却技 术简介 ． １ 气雾冷却技术是在传统 的喷淋水冷却技术之上发 展而来的 ， 它可 以实现均匀 、 可调的冷却效果 。在生产
较短 的响应时间内 ， 可以精确控制每一流每一 区的气／ 水配 比。在／ ￣水量的情况下仍可 以很好地控制水的 ＩＬ ， 流量 ， 从而达到精确控制铸坯表面冷却效果 的 目的 ， 对 提高铸坯表 面质量非常有利 。这些控制特点是以前喷
２ 气雾冷却技 术在 大规格 圆坯 生产 中的优越性 ． ３ 由于我 厂生产 重点 由生产 ０ １ ｍ规格转 向主 ２ ０ｍ
在圆坯连铸生产中 ，二次冷却系统对铸坯 的表面
质量 、 坯壳厚度均匀形成 、 矫直效果等都有至关重要 的 作用 。 尤其是在大规格 ３０ｍ Ｌ） 的生产 中， ５ ｍ １ 铸坯 ． ２ 二次冷却系统 的性能更是直接决定 了铸 坯的质量 。由
力变送器等 。 这些设备 、 器件共同组成 了一个闭环 的控
制系统 ， 以快速 、 可 准确的控制进入喷嘴的压缩空气 的
在连铸二次冷却系统 中采用气雾冷却技术是非常 ＷＷ ｃ ｉ ｍ． Ｗ． ｔ Ｃ ｈｊ Ｏ ｔ Ｊ ｊＪ ｏ ｊ ＠ｔ ． ｍ ｙ ｙｃ
冷 却 满足 艺 要求 ， 提高 了铸 坯 质量 水 平 ， 得 了 理想 的效 果 。 取
关键词 连铸
１ 前 言
二冷 室 气雾冷却技 术
调 节
必要 的。它可 以精确地控 制每一流 每一 区的气／ 配 水 比， 从而达 到精确控制铸坯表 面冷却效果 的 目的， 对提 高铸坯表面质量非常有利。
是其 电气 控制技术 。 该技术采用 了 ＰＤ调节 ， Ｉ 在有相对
２ 气雾冷却技 术简介 ． １ 气雾冷却技术是在传统 的喷淋水冷却技术之上发 展而来的 ， 它可 以实现均匀 、 可调的冷却效果 。在生产
较短 的响应时间内 ， 可以精确控制每一流每一 区的气／ 水配 比。在／ ￣水量的情况下仍可 以很好地控制水的 ＩＬ ， 流量 ， 从而达到精确控制铸坯表面冷却效果 的 目的 ， 对 提高铸坯表 面质量非常有利 。这些控制特点是以前喷
２ 气雾冷却技 术在 大规格 圆坯 生产 中的优越性 ． ３ 由于我 厂生产 重点 由生产 ０ １ ｍ规格转 向主 ２ ０ｍ
在圆坯连铸生产中 ，二次冷却系统对铸坯 的表面
质量 、 坯壳厚度均匀形成 、 矫直效果等都有至关重要 的 作用 。 尤其是在大规格 ３０ｍ Ｌ） 的生产 中， ５ ｍ １ 铸坯 ． ２ 二次冷却系统 的性能更是直接决定 了铸 坯的质量 。由
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一实际测定喷咀的ｈ值导出：ｈ＊酽关系式。
一参考文献中的ｈ＊ｗ值。 逼近计算法以满足冶金准则进行回归。
·液相穴对流运动 对流传热化成等效导热处理。 液相穴：Ａ Ｌ＝ｒｎａｓ 两项区：＾Ｓ／Ｌ＝Ａｑ＋Ａ，／２ ·目标表面温度确定
一冶金原则 一高温脆性曲线（图１１）
ＴＬ。１５，‘一●ｔ㈨ ｓ…＜ＯＪ｛ 一’”‘。‘ｔＯ”＊ｃ
·水滴浸渍（２５％） 在设备和工艺一定的条件下，辐射和夹辊导热 变化不大，喷淋水传热占主导地位。 要提高二冷区传热效率，就必须提高喷雾水滴 与高温铸坯之间热交换，可以表示为：
币＝ｈ（Ｔｓ—Ｔｗ） Ａ． 式中：面一热流
ｈ一传热系数 Ｔｓ一铸坯表面温度 Ｔｗ一冷却水温度 Ａ一喷雾冷却面积 实际上，二冷区是一个复杂的传热过程，传热受 多种因素（Ｔｓ、Ｔｗ、表面ＦｅＯ、水滴状态．．．）的影响， 总的传热效果可归结到传热系数ｈ上。ｈ值大，传 热效果就好；二冷区ｈ值分布合理。说明铸坯表面 温度分布均匀，而表面温度决定二冷喷水冷却温度。
铸坯表面：结晶器≠＝Ａ一口正 二冷区≠＝ｈ（Ｌ—Ｌ） 空冷区≠＝ｎ（赡一瑶）
５．４ 计算参数选择与处理 ·钢种热物性参数，如ＴＬ、Ｔｓ、ｐ、Ａ、Ｃ，参考文
献。 ·凝固潜热： 一查文献钢种潜热 一如查不到利用热焓一温度曲线（图１０） ·结晶器热流
≠＝Ａ一目正
≠＝ｃ。×Ｗ ｘ ＡＯ／Ｆ ·二冷区综合传热系数ｈ
”，她，二冷强度越大，连铸机生产率就越高。 １．２ 确保连铸坯的质量
二冷强度是受铸坯质量（尤其是裂纹）制约的。
铸坯裂纹形成决定于： ·钢高温力学行为。 ·铸坯表面状态。 ·高温铸坯第二相质量行为。 ·高温坯壳的变形。 上述因素的综合作用，刨造了裂纹形成和扩展
的条件，是与二冷制度密切相关的。 具体来说，与二冷相关的铸坯缺陷有（图１） ·表面纵裂纹 ·横裂纹 ·中间裂纹 ·中心裂纹 ·轿直裂纹 ·中心疏松 在设备与工艺一定的条件下，选择合适的二冷
年４月）。
＊宝钢二炼钢厂无取向硅钢板坯连铸二冷配 水模型（２０００年４月）。
＊安钢二炼钢矩形坯（１８０×２６０ｍｍ）连铸二冷 配水自动控制（２００１年５月）。
连铸二冷区凝固传热及冷却控制
作者： 作者单位：
蔡开科 北京科技大学
相似文献(10条)
1.期刊论文 蔡开科 连铸二冷区凝固传热及冷却控制 -河南冶金2003,11(1)
Ⅳ。士 ／旦 ～Ｐ
也就是说，铸坯热流（表面温度）从铸机上部到 下部逐渐降低的，因而喷水量也应沿铸机长度连续 递减（如图７）。这在控制上是难以实现，故把二冷 区分为若干个冷却段，而在一个冷却段保持相同水 量，使表面温度波动最小。
号 ！ ｉ
ｐ．■暑■ 墨
ｏ
ｌ‘
Ｉ●１０”１４ Ｍ
且膏一一下蠢＾．ｍ
田７二冷区分段冷却图
本文系统论述了连铸二冷区凝固传热方式、冷却制度、制定原则和控制准则,建立了铸坯凝固传热数字模型.采用自行开发的二冷配水计算软件,已在 多家生产厂获得成功应用.
2.会议论文 梁爱生.曹晓兵 异形坯连铸二冷区动态控制模型及其仿真研究 1999
3.期刊论文 韩传基.蔡开科.赵家贵.徐荣军.吴巍.Han Chuanji.Cai Kaike.Zhao Jiagui.Xu Rongjun.Wu Wei 板坯
（Ｔｓ）ｈ ｏＣＡＷ“ 式中：ｎ—Ｏ ５—０．７
Ａ一常数 ｗ一水流密度 因此，根据二冷区凝固传热，由ｈ“Ｗ关系式求 出二冷区水量，这是设计合理二冷制度的基础。 ２．３ 影响二冷区传热因素 ·铸坯表面温度Ｔｓ（如图３） ·水流密度（如图４） ｈ＊ｗ关系式可有实验测定，也可查阅文献 ·水滴速度（如图５） ·水滴直径（如图６） ·喷嘴状态
一２砰。）＋（Ｔａ一砰。）Ａｘ］
（９）
Ｂ０边：
砰了＝砰，，＋五ｉＡ五ｔ孑［Ｋ（琏，，＋砰¨－
＋砰ｐ１—４矸，』）＋２ｈ（Ｔａ一矸，，）］（１０） 内部节点
砰一＝雕．，＋五玎Ａ五ｔ孑［Ｋ（暇ｔ，，＋钟“，＋辨。·
＋辨，ｌ一样，川
（１１）
５．３ 初始和边界条件
初始条件
边界条件
ｔ＝０．Ｔ＝Ｔｃ
铸坯中心：中心对称轴舞＝０
一— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 连铸二冷区凝固传热及冷却控制 — — — — — — — — — —。７‘
图１６二冷各回路水量分布
图１８二冷传热系数分布
７二冷配水模型应用实例 ＊济钢炼钢厂超低头板坯连铸机二冷区配水
动态控制（１９９６年）。 ＊安钢４‘板坯连铸机二冷配水自动控制（１９９８
一、理论研究
４二冷区铸坯冷却控制的冶金准则 连铸过程钢水热量的导出，决定了铸机产量和
锊坯质量。而产量和质量往往是矛盾的，在连铸机 已定的条件下，从工艺观点看，应寻求满足铸机产量 和铸坯质量的二冷制度，根据钢种，提出冷却控制的 冶金准则。
·出结晶器的最小坯壳厚度ｅ ·极限冶金长度Ｈ ·铸坯表面温度分布 ·铸坯鼓肚极限ａ ·铸坯表面回温限制ＡＴ ·矫直区铸坯脆性转变温度Ｔｓ ·表面冷却速度 ·浇注温度 在设备一定的条件下，这些冶金准则（ＣＲ）受操 作工艺影响。ＣＲ＝ｆ（Ｔｃ，Ｑｍ，Ｖ，Ｔｗ，钢料，断面…）。 从生产角度考虑，为了保证铸机高的生产率和合格 的铸坯质量，希望能根据不同钢种，确定最合适的二 冷水量控制参数，以满足上述冶金原则要求。为此 采用方法： （Ｉ）固定水流量
３二冷区冷却制度制定原则 应从传热效率和冶金质量两方面综合考虑选择
连铸二冷区凝固传热及冷却控制
·３·
合适的二冷制度，使铸机生产率和铸坯质量得到协 凋。
凝固前沿钢液放出凝固潜热
％＝印。塞
／、
１ ｎ、 ＜
＿
弋 、 。＼
＼＼
３＞、
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“●＊．ｃ
圈３表面温度对热流影响
０；．ｍ？，．■肇毫．
毫■■矗．Ｌ／（ｍ··ｍｉ ｎｔ）
— — — — — — — — — — — — 一— — — — — — — — 一 连铸二冷区凝固传热及冷却控制
‘ｌ＿
一、理论研究
连铸二冷区凝固传热及冷却控制
蔡开科 北京科技大学
Байду номын сангаас
ｌ连铸二冷的重要性 １．１ 加速铸坯凝固，提高连铸机产量
连铸机产量和铸坯质量很大程度上决定于二冷 强度。以２００×１５００ｍｍ板坯，冶金长度为２０ｍ，设备 阳工艺条件相同时．二冷强度对生产率影响如表所
－。ｃ篑：ａ（寿＋鲁）
㈩
对于板坯：
严严等万：２“ａ（ｌ蹇Ｊ Ｘ２＋＋』）
㈦“’
５．２ 模型求解 ＊离散化 采用有限差分法，数值法求解。 假设在结晶器弯月面取一横断面薄片体，在Ｈｆ
问和空间进行离散化处理。划分出许多网格，每个 网格内温度均匀（图９）
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圈９方坯断面差分网格 ×差分方程
Ｔ：：｛１‘·】
５ｌ＂＜％ｃ（即
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…
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圈１０热焙与温度分布图
１６ＭｎＲ
圈１１高温脆性曲线
————一———一——一——一——一—————— ６·
６连铸二冷配水软件设计
一、理论研究
６ １ 软件参数输入，输出关系（图１２）
工艺’数 浇注汪度 拉垤速度 件却求●鏖 环境沮座
６ ２计算程序框图（图１３）
图１２参数输入输出关系
６．３ 软件功能 ·铸坯中心温度，表面温度，角部温度分布（图
１４）
｜吾回等诛龠传熟摹量６“”蓑＿式中的鲁－ｔ疆＿值
阻据軎降却曩的长度和克度，计算菩一却茬Ⅲ鞠Ｉ
卜韧佳：耳蔫曩最、窖度、＿水－座－『
肘－缸，ＡＨ４“对●定性鲁件进行判＿ 『计算差分方程蛙中的●矗ｌ
剖各誓筹
鲁节点｛．羔差分方程 初始条件、边界条件 计算条件
对瀛件热鲁域秉麓 培晶曩热涟密度和二冷 区幢羔熏蠹时计鼻公式 空闻步长、时舸步长 目标襄面量度
以图形和数据文件输出 各段配水量 各段按蕉秉矗 各断面上的■度分布 菩断强上的垤壳卑匪 疆槽穴长度
设鲁’数 肆垤尺寸 堵‘曩ｉ＾ｌｐｌ液高度 二冷区各曩■水区长度 空冷区长度
Ｑ＝ａ ｘ ｂ×Ｖ×Ｐ Ｘ占ｌ／ｒａｉｎ 式中：Ｉｔ×ｂ一铸坯断面．ｍ２
ｖ一拉速，ｍ／ｎｆｉｎ ｐ一钢密度，ｋｇ／ｍ１ ａ一比水量，ｚ／妇 拉速一定，水量一定，铸坯表面温度稳定。拉速 变化时，而水量不变化，小方坯常采用这种方法。 （２）比例调节
Ｑ＝ａ Ｘ ｂ×Ｖ Ｘ Ｐ×占 当断面，钢种一定时，Ｑ＝ＫＶ
＾·“ｌｉｌｓｗ‘１
圈４水流密度对传热影响
¨
彦： －－＾
缀 形
∥ 毵 多 ｒ／ｒ ＿一 ／彩勿多 ／ ∥珍 豸／ 彭珍夕 笏多／
圈５ 水滴速度对传热影响
喷雾水滴从铸坯表面带走热量： ≠。＝ｈ（Ｌ—Ｌ）
这三者是等效的，可得出：
＾。占
√ｌ
而ｈ是与水量ｗ成比例的，Ｖ／。ｃ｛。
４ｔ
ｔ＝告（Ｈ液相穴长度，Ｖ拉速），得出：
连铸二冷区凝固传热过程与控制 -北京科技大学学报1999,21(6)
依据安钢板坯连铸机的具体条件,建立了连铸板坯凝固传热数学模型,实现了随铸坯钢种、断面尺寸及拉速变化对各回路水量连续实时控制.经现场应 用表明,利用配水模型所制定的二冷配水制度是合理的,效果良好.
鼓：，最盖喜嚣－鑫羹嚣ｋ啉量’。 邕薯窑然黧‰Ｐ”“’“。
ｌ：，零要萎：至墨鬈’＿誓一帽区
圈１３程序框图
圈１４铸坯表面温度
·铸坯凝固曲线（图１５） ·各冷却区水量分布（图１６） ·各冷却区水流密度，传热系数（图１７、１８） ·工艺优化分析 利用软件研究工艺参数（拉速、二冷水量、钢水 过热度）对凝固参数（出结晶器坯壳厚度、液芯长度， 铸坯表面温度）的关系，为连铸机的合理设计，优化 合理工艺提供理论指导。
一参考文献中的ｈ＊ｗ值。 逼近计算法以满足冶金准则进行回归。
·液相穴对流运动 对流传热化成等效导热处理。 液相穴：Ａ Ｌ＝ｒｎａｓ 两项区：＾Ｓ／Ｌ＝Ａｑ＋Ａ，／２ ·目标表面温度确定
一冶金原则 一高温脆性曲线（图１１）
ＴＬ。１５，‘一●ｔ㈨ ｓ…＜ＯＪ｛ 一’”‘。‘ｔＯ”＊ｃ
·水滴浸渍（２５％） 在设备和工艺一定的条件下，辐射和夹辊导热 变化不大，喷淋水传热占主导地位。 要提高二冷区传热效率，就必须提高喷雾水滴 与高温铸坯之间热交换，可以表示为：
币＝ｈ（Ｔｓ—Ｔｗ） Ａ． 式中：面一热流
ｈ一传热系数 Ｔｓ一铸坯表面温度 Ｔｗ一冷却水温度 Ａ一喷雾冷却面积 实际上，二冷区是一个复杂的传热过程，传热受 多种因素（Ｔｓ、Ｔｗ、表面ＦｅＯ、水滴状态．．．）的影响， 总的传热效果可归结到传热系数ｈ上。ｈ值大，传 热效果就好；二冷区ｈ值分布合理。说明铸坯表面 温度分布均匀，而表面温度决定二冷喷水冷却温度。
铸坯表面：结晶器≠＝Ａ一口正 二冷区≠＝ｈ（Ｌ—Ｌ） 空冷区≠＝ｎ（赡一瑶）
５．４ 计算参数选择与处理 ·钢种热物性参数，如ＴＬ、Ｔｓ、ｐ、Ａ、Ｃ，参考文
献。 ·凝固潜热： 一查文献钢种潜热 一如查不到利用热焓一温度曲线（图１０） ·结晶器热流
≠＝Ａ一目正
≠＝ｃ。×Ｗ ｘ ＡＯ／Ｆ ·二冷区综合传热系数ｈ
”，她，二冷强度越大，连铸机生产率就越高。 １．２ 确保连铸坯的质量
二冷强度是受铸坯质量（尤其是裂纹）制约的。
铸坯裂纹形成决定于： ·钢高温力学行为。 ·铸坯表面状态。 ·高温铸坯第二相质量行为。 ·高温坯壳的变形。 上述因素的综合作用，刨造了裂纹形成和扩展
的条件，是与二冷制度密切相关的。 具体来说，与二冷相关的铸坯缺陷有（图１） ·表面纵裂纹 ·横裂纹 ·中间裂纹 ·中心裂纹 ·轿直裂纹 ·中心疏松 在设备与工艺一定的条件下，选择合适的二冷
年４月）。
＊宝钢二炼钢厂无取向硅钢板坯连铸二冷配 水模型（２０００年４月）。
＊安钢二炼钢矩形坯（１８０×２６０ｍｍ）连铸二冷 配水自动控制（２００１年５月）。
连铸二冷区凝固传热及冷却控制
作者： 作者单位：
蔡开科 北京科技大学
相似文献(10条)
1.期刊论文 蔡开科 连铸二冷区凝固传热及冷却控制 -河南冶金2003,11(1)
Ⅳ。士 ／旦 ～Ｐ
也就是说，铸坯热流（表面温度）从铸机上部到 下部逐渐降低的，因而喷水量也应沿铸机长度连续 递减（如图７）。这在控制上是难以实现，故把二冷 区分为若干个冷却段，而在一个冷却段保持相同水 量，使表面温度波动最小。
号 ！ ｉ
ｐ．■暑■ 墨
ｏ
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Ｉ●１０”１４ Ｍ
且膏一一下蠢＾．ｍ
田７二冷区分段冷却图
本文系统论述了连铸二冷区凝固传热方式、冷却制度、制定原则和控制准则,建立了铸坯凝固传热数字模型.采用自行开发的二冷配水计算软件,已在 多家生产厂获得成功应用.
2.会议论文 梁爱生.曹晓兵 异形坯连铸二冷区动态控制模型及其仿真研究 1999
3.期刊论文 韩传基.蔡开科.赵家贵.徐荣军.吴巍.Han Chuanji.Cai Kaike.Zhao Jiagui.Xu Rongjun.Wu Wei 板坯
（Ｔｓ）ｈ ｏＣＡＷ“ 式中：ｎ—Ｏ ５—０．７
Ａ一常数 ｗ一水流密度 因此，根据二冷区凝固传热，由ｈ“Ｗ关系式求 出二冷区水量，这是设计合理二冷制度的基础。 ２．３ 影响二冷区传热因素 ·铸坯表面温度Ｔｓ（如图３） ·水流密度（如图４） ｈ＊ｗ关系式可有实验测定，也可查阅文献 ·水滴速度（如图５） ·水滴直径（如图６） ·喷嘴状态
一２砰。）＋（Ｔａ一砰。）Ａｘ］
（９）
Ｂ０边：
砰了＝砰，，＋五ｉＡ五ｔ孑［Ｋ（琏，，＋砰¨－
＋砰ｐ１—４矸，』）＋２ｈ（Ｔａ一矸，，）］（１０） 内部节点
砰一＝雕．，＋五玎Ａ五ｔ孑［Ｋ（暇ｔ，，＋钟“，＋辨。·
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（１１）
５．３ 初始和边界条件
初始条件
边界条件
ｔ＝０．Ｔ＝Ｔｃ
铸坯中心：中心对称轴舞＝０
一— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 连铸二冷区凝固传热及冷却控制 — — — — — — — — — —。７‘
图１６二冷各回路水量分布
图１８二冷传热系数分布
７二冷配水模型应用实例 ＊济钢炼钢厂超低头板坯连铸机二冷区配水
动态控制（１９９６年）。 ＊安钢４‘板坯连铸机二冷配水自动控制（１９９８
一、理论研究
４二冷区铸坯冷却控制的冶金准则 连铸过程钢水热量的导出，决定了铸机产量和
锊坯质量。而产量和质量往往是矛盾的，在连铸机 已定的条件下，从工艺观点看，应寻求满足铸机产量 和铸坯质量的二冷制度，根据钢种，提出冷却控制的 冶金准则。
·出结晶器的最小坯壳厚度ｅ ·极限冶金长度Ｈ ·铸坯表面温度分布 ·铸坯鼓肚极限ａ ·铸坯表面回温限制ＡＴ ·矫直区铸坯脆性转变温度Ｔｓ ·表面冷却速度 ·浇注温度 在设备一定的条件下，这些冶金准则（ＣＲ）受操 作工艺影响。ＣＲ＝ｆ（Ｔｃ，Ｑｍ，Ｖ，Ｔｗ，钢料，断面…）。 从生产角度考虑，为了保证铸机高的生产率和合格 的铸坯质量，希望能根据不同钢种，确定最合适的二 冷水量控制参数，以满足上述冶金原则要求。为此 采用方法： （Ｉ）固定水流量
３二冷区冷却制度制定原则 应从传热效率和冶金质量两方面综合考虑选择
连铸二冷区凝固传热及冷却控制
·３·
合适的二冷制度，使铸机生产率和铸坯质量得到协 凋。
凝固前沿钢液放出凝固潜热
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圈３表面温度对热流影响
０；．ｍ？，．■肇毫．
毫■■矗．Ｌ／（ｍ··ｍｉ ｎｔ）
— — — — — — — — — — — — 一— — — — — — — — 一 连铸二冷区凝固传热及冷却控制
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一、理论研究
连铸二冷区凝固传热及冷却控制
蔡开科 北京科技大学
Байду номын сангаас
ｌ连铸二冷的重要性 １．１ 加速铸坯凝固，提高连铸机产量
连铸机产量和铸坯质量很大程度上决定于二冷 强度。以２００×１５００ｍｍ板坯，冶金长度为２０ｍ，设备 阳工艺条件相同时．二冷强度对生产率影响如表所
－。ｃ篑：ａ（寿＋鲁）
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对于板坯：
严严等万：２“ａ（ｌ蹇Ｊ Ｘ２＋＋』）
㈦“’
５．２ 模型求解 ＊离散化 采用有限差分法，数值法求解。 假设在结晶器弯月面取一横断面薄片体，在Ｈｆ
问和空间进行离散化处理。划分出许多网格，每个 网格内温度均匀（图９）
！搿
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ｏ‘１·１’’Ｉｑ‘瓴１’＾
圈９方坯断面差分网格 ×差分方程
Ｔ：：｛１‘·】
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。 一…。，，ｓ二形
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圈１０热焙与温度分布图
１６ＭｎＲ
圈１１高温脆性曲线
————一———一——一——一——一—————— ６·
６连铸二冷配水软件设计
一、理论研究
６ １ 软件参数输入，输出关系（图１２）
工艺’数 浇注汪度 拉垤速度 件却求●鏖 环境沮座
６ ２计算程序框图（图１３）
图１２参数输入输出关系
６．３ 软件功能 ·铸坯中心温度，表面温度，角部温度分布（图
１４）
｜吾回等诛龠传熟摹量６“”蓑＿式中的鲁－ｔ疆＿值
阻据軎降却曩的长度和克度，计算菩一却茬Ⅲ鞠Ｉ
卜韧佳：耳蔫曩最、窖度、＿水－座－『
肘－缸，ＡＨ４“对●定性鲁件进行判＿ 『计算差分方程蛙中的●矗ｌ
剖各誓筹
鲁节点｛．羔差分方程 初始条件、边界条件 计算条件
对瀛件热鲁域秉麓 培晶曩热涟密度和二冷 区幢羔熏蠹时计鼻公式 空闻步长、时舸步长 目标襄面量度
以图形和数据文件输出 各段配水量 各段按蕉秉矗 各断面上的■度分布 菩断强上的垤壳卑匪 疆槽穴长度
设鲁’数 肆垤尺寸 堵‘曩ｉ＾ｌｐｌ液高度 二冷区各曩■水区长度 空冷区长度
Ｑ＝ａ ｘ ｂ×Ｖ×Ｐ Ｘ占ｌ／ｒａｉｎ 式中：Ｉｔ×ｂ一铸坯断面．ｍ２
ｖ一拉速，ｍ／ｎｆｉｎ ｐ一钢密度，ｋｇ／ｍ１ ａ一比水量，ｚ／妇 拉速一定，水量一定，铸坯表面温度稳定。拉速 变化时，而水量不变化，小方坯常采用这种方法。 （２）比例调节
Ｑ＝ａ Ｘ ｂ×Ｖ Ｘ Ｐ×占 当断面，钢种一定时，Ｑ＝ＫＶ
＾·“ｌｉｌｓｗ‘１
圈４水流密度对传热影响
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彦： －－＾
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∥ 毵 多 ｒ／ｒ ＿一 ／彩勿多 ／ ∥珍 豸／ 彭珍夕 笏多／
圈５ 水滴速度对传热影响
喷雾水滴从铸坯表面带走热量： ≠。＝ｈ（Ｌ—Ｌ）
这三者是等效的，可得出：
＾。占
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而ｈ是与水量ｗ成比例的，Ｖ／。ｃ｛。
４ｔ
ｔ＝告（Ｈ液相穴长度，Ｖ拉速），得出：
连铸二冷区凝固传热过程与控制 -北京科技大学学报1999,21(6)
依据安钢板坯连铸机的具体条件,建立了连铸板坯凝固传热数学模型,实现了随铸坯钢种、断面尺寸及拉速变化对各回路水量连续实时控制.经现场应 用表明,利用配水模型所制定的二冷配水制度是合理的,效果良好.
鼓：，最盖喜嚣－鑫羹嚣ｋ啉量’。 邕薯窑然黧‰Ｐ”“’“。
ｌ：，零要萎：至墨鬈’＿誓一帽区
圈１３程序框图
圈１４铸坯表面温度
·铸坯凝固曲线（图１５） ·各冷却区水量分布（图１６） ·各冷却区水流密度，传热系数（图１７、１８） ·工艺优化分析 利用软件研究工艺参数（拉速、二冷水量、钢水 过热度）对凝固参数（出结晶器坯壳厚度、液芯长度， 铸坯表面温度）的关系，为连铸机的合理设计，优化 合理工艺提供理论指导。