连铸二冷水动态模型研究与应用

２８　，｛Ｉ含　２０１１年８月　第三期　

２号连铸机动态配水系统应用实践　

秦琪陆勋波　

（杭州钢铁集团公司转炉炼钢厂杭州　３　１００２２）　

摘　要：通过在２号连铸机实施动态二冷配水技术，以实时的拉速、二冷各段水量、中间包水温度等重要参　数为依据，采用用传热、凝固数学模型得出不同时刻铸坯在二冷各段末的表面温度，以确定二冷各　

段水量，使铸坯按合适的冷却曲线进行冷却，保证了铸坯的内部质量的稳定。铸坯低倍中心疏松　等级大大降低，基本控制在１级以内，中心裂纹控制在０．５级以内，效果明显。　

关键词：铸坯；低倍；二冷配水；动态控制　

０　前言　产品提供必要的工艺技术条件。　

近几年来，市场对钢材质量、品种的要求越来　

越高，现行连铸配水工艺已满足不了要求，故需要　对连铸配水工艺进行完善，以满足扩大品种、提高　质量的要求。为确保连铸机具有较高的产量和良　

好的铸坯质量，必须根据钢种、浇注断面、铸机几何　

尺寸、浇注温度、拉坯速度等参数来制定合理的连　

铸工艺。连铸坯的中心缺陷——疏松、缩孑Ｌ和偏析　是共生的，它们严重影响高品质、高附加值钢的质　

量。因此，如何提高铸坯质量，特别是减少偏析、中　心疏松和缩孔一直是困扰连铸生产的难题［１］。　

在连铸过程中，二次冷却与铸坯产量和铸坯质　

量密切相关。一方面，当其它工艺条件不变时，二　次冷却强度增加，拉速增大，则连铸机生产率提高；　

另一方面，二次冷却的强度以及分配决定着铸坯的　

传热速率和温度梯度产生的热应力大小，从而密切　影响连铸坯内部裂纹、表面裂纹、鼓肚、菱变、中心　偏析等缺陷的形成［２，３］。因此，优化和控制二次　

冷却十分重要。　本文针对我厂的实际生产状况，为提高铸坯质　

量和开发高级别钢种，与北京科技大学合作，以方　坯连铸凝固传热数学模型和热跟踪模型为基础，为　２号连铸机搭建动态二冷配水系统。根据连铸浇注　温度、拉速等参数变化过程（热跟踪），并利用传热　

数学模型进行在线计算，再确定二冷各段的水量，　

动态配水在莱钢4#宽厚板连铸机中的应用

摘 要：莱钢4#宽厚板连铸机二级配水控制系统采用动态配水模型通过铸流的温度界面计算基本回路设定点，尽可能使铸坯温度与目标温度保持一致。使铸坯按照预定的目标温度均匀冷却，以便达到控制铸坯组织和内部质量的目的。

关键词：连铸机 DYNACS模型 二级

在连铸生产中，二冷水是保证铸坯质量，延长铸机生产设备寿命的关键工序之一。在莱钢4#宽厚板连铸机项目中，通过采用奥钢联二冷水系统，实现了优质的动态配水，大大提高了铸坯质量。

1 简介

二冷水系统基于可选择的冷却模式，循环计算所有的冷却回路的设定点，这种冷却模式是动态配水模型DYNACS或拉速表SPEEDTAB模型。下图给出了二冷水系统视图及其主要的组件，其中也包括他的输入或者输出。

冷却规则设定系统：支持工厂冶金专家以离线方式开发与维护一个冷却规则的采集。冷却规则设定系统被用来调节不同钢种所需求的在线设定点的计算。

动态配水模型：根据沿着铸坯的温度界面，计算基本回路设定点。

拉速表模型：根据铸流的当前拉速计算基本回路的设定点。

设定值适应：是在特设的浇铸状态(启动/结束浇铸)或喷淋冷却寄存器受限（最小/最大流量）时改写基本回路设定点。

2二冷水生产系统

二冷水生产系统采用不同的冷却模型即DYNACSmodel（动态二冷水模型）或 SPEEDTAB model（速度表模型）循环计算二冷回路的设定点。根据冷却方式，VAI冷却模型导出基本的设定值，这些基本的设定值可以被修改以便满足不同的需求。

2.1 主要冷却参数

下表给出了用于冷却生产系统的参数概览

参数 描述

循环时间 冷却生产系统设点计算的循环时间是5秒

片断长度 用于离散铸流从结晶器大哦封闭部分末端的片断长度是10厘米

连铸机数据 连铸机特定的数据比如回路设定点的数量，最小/最大值，冷却回路值，冷却范围等

2.2 功能描述

2.2.1 动态二冷水（DYNACS）模型描述

特钢连铸二冷技术研究

钢的连铸与有色金属的一个重要差别是连铸钢坯内有较长的液芯。这就需要对温度高、刚度低的坯壳进行冷却和支撑，这也是二冷段的差不多作用。浇铸速度越高，坯壳越薄液芯也越长，这些作用越重要。在专门钢连铸中，为了提高铸坯内部质量，能够采纳末端电磁搅拌（F-EMS）或轻压下等技术措施。这些措施的成效和使用方式也依靠于二次冷却技术。

1．二冷区传热差不多原理

在连铸机中钢液冷却到最后完全凝固时，其热量分别在水冷结晶器(一次冷却区)、喷雾水区（二次冷却区）和铸还的自然冷却区(三次冷却区)散失。二冷水分布要紧依照冶金技术要求、钢种在高温状态下的力学性能和铸坯的断面尺寸确定。

二冷区的各段的喷水量有所区别，出结晶器时铸坯表面温度高，坯壳薄，喷水量要大，以迅速增加坯壳厚度；随着铸坯的移动，铸坯表面温度降低，坯壳厚度逐步增加，喷水量减小。

对二冷传热的阻碍因素有以下几个方面：

(1)铸坯表面温度

冷却水喷在连铸坯表面的冷却成效用综合换热系数或热流来衡量。换热系数或热流差不多取决于铸坯表面温度和喷水密度，见图1。

由图1可知，热流与表面温度不是直线关系：

1) Ts＜300℃，热流随Ts而增加，现在为对流传热；

2) 300℃＜Ts＜800℃，随温度提高热流下降，在高温表面有蒸汽膜，有核态沸腾状态；

3) Ts＞800℃，热流几乎与表面温度无关，甚至于呈下降趋势，表面形成稳固蒸汽膜阻止喷射水滴与铸坯接触；

由图可知，热流与表面温度不是线性关系，但在一定温度范畴内，随喷水强度增加热流增大。

图1 表面温度与热流的关系

(2)水流密度

水流密度是指铸坯在单位时刻单位面积上所同意的冷却水量。水流密度增加，传热系数增大，它们之间关系以体会公式表示：

换热系数h=h0Wn （1）

那个地点，h0为常数，W为喷水密度，n=0.45—0.75

- 1 - 连铸二冷导热反问题数学模型建立及验证

连铸是一种重要的钢铁生产工艺，其关键设备之一就是连铸二冷。连铸二冷的主要作用是通过冷却和凝固来实现钢坯的形成，因此其冷却效果对钢坯质量和生产效率有着至关重要的影响。然而，连铸二冷的复杂结构和多种冷却方式使得其冷却效果难以准确预测，因此需要建立数学模型来分析和优化冷却过程。

本文针对连铸二冷导热反问题（inverse problem）展开研究，即通过测量连铸二冷表面温度场来确定内部冷却水流分布的问题。我们首先对连铸二冷的几何结构和冷却方式进行了分析，然后建立了连铸二冷导热正问题（forward problem）和反问题的数学模型，并采用有限元方法进行数值求解。最后，我们通过实验验证了模型的准确性和可靠性。

一、连铸二冷的几何结构和冷却方式分析

连铸二冷是由一组相互连接的水箱组成的，每个水箱内部有多个水道，水道之间通过隔板分隔。钢坯在连铸过程中通过这些水箱，从而实现冷却和凝固。连铸二冷的冷却方式主要有两种，一种是水平喷淋（horizontal spray），即水从水箱顶部喷向钢坯表面；另一种是垂直喷淋（vertical spray），即水从水箱侧面喷向钢坯表面。

二、连铸二冷导热正问题和反问题的数学模型

连铸二冷导热正问题是指已知冷却水流分布，求解钢坯表面温度场的问题。我们采用热传导方程和边界条件来描述问题，其中热传导方程为： - 2 - $$frac{partial T}{partial t}-kDelta T=0$$

其中，T为温度场，k为热导率，t为时间，Δ为拉普拉斯算子。

边界条件包括三个方面，分别是：

1. 钢坯表面温度：$T=T_0$

2. 冷却水流边界：$frac{partial T}{partial

n}=-alpha(T-T_w)$

其中，$T_0$为钢坯的初温度，n为法向量，α为传热系数，$T_w$为冷却水的温度。