李聿军会议论文连铸二次冷却的研究现状与未来展望.docx

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李聿军会议论文连铸二次冷却的研究现状与未来展望

连铸装备的技术创新和精细化生产技术交流会

连铸二次冷却的研究现状与未来展望

李聿军，杜辰伟，张家泉

（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京，100083）

摘要：

二次冷却不但决定了初生坯壳出结晶器之后的传热与凝固，且大大影响铸坯凝固过程中的相变及二次相的析出，这些都对铸坯内部质量及表面质量有着极其重要的影响，甚至会影响后续热装或冷装以及轧制工艺。

在回顾二冷控制由人工经验到目前以目标温度和有效拉速控制法为主的综合控制法的基础上，总结了二冷冶金准则的制定，二冷控制方法演进过程、控制要点，以及国内外代表性的动态二冷控制模型。

提出未来的动态二冷控制模型，应通过分析不同钢种的凝固特性，制定其相应冷却工艺及后续冷却历程，并结合其冷却或再加热过程中相变与析出行为制定进加热炉前的送坯工艺。

关键词：

连铸；二次冷却；冶金准则；动态控制；研究进展

ResearchandProspectonSecondaryCoolinginContinuousCasting

LIYun-jun，DUChen-wei，ZHANGJia-quan

SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China

Correspondingauthor,E-mail:

liyujun79@

Abstract:

Secondarycoolingnotonlydeterminestheearlygreenshellmoldofheattransferandsolidification,andgreatlyaffectthephasetransformationduringtheprocessofcastingsolidificationandprecipitationofquadraticphase,thesearetheinternalqualityofslabandsurfacequalityhasveryimportantinfluence,evenwillaffectthefollow-upandrollingtechnologyinhotorcold.Inthereviewofsecondarycoolingcontrolbyartificialexperiencesofarisgivenprioritytowiththetargettemperatureandeffectivespeedcontrolmethodonthebasisofthecomprehensivecontrolofsecondarycoolingsetofmetallurgicalcriteriaaresummarized,evolutionprocessofsecondarycoolingcontrolmethod,controlpoints,aswellasthedomesticandforeignrepresentativedynamicsecondarycoolingcontrolmodel.Dynamicsecondarycoolingcontrolmodelisproposedforthefuture,shouldbethroughtheanalysisofthesolidificationcharacteristicsofdifferentsteelgrade,makeitscorrespondingcoolingprocessandsubsequentcoolingprocess,andcombinedwithitsphasetransitionintheprocessofcoolingorheatinganddevelopintothefurnacebeforesendbilletprecipitationprocess.

Keywords:

Continuouscasting;Secondarycooling;Metallurgicalprinciples;Thedynamiccontrol;Theresearchprogress

0引言

连续浇注的钢水通过结晶器里的快速冷却形成一个较薄且有足够强度的坯壳。

在随后的二冷区内继续完成钢液从液态到固态的转变，这期间会经历多种复杂的物理化学变化，既要发生凝固过程中的传热、流动、传质、溶质分配，组织转变以及合金元素的碳氮化物的析出，又要受到热和机械的变形。

因而诸多铸坯质量与二冷区内的冷却息息相关，如铸坯的内部质量（中间裂纹，中心裂纹）、表面质量（微合金钢的表面横裂纹与角部横裂纹）、凝固组织、相变与二次相析出行为、铸坯鼓肚（高温蠕变）等。

控制铸坯在二冷区内合理的均匀冷却成为保证铸坯质量的重要环节。

连铸二次冷却的控制经历了由最初的凭借人工经验控制到最近的基于铸坯温度场在线模拟的动态二冷控制，很好的控制了实际生产中非稳态浇注情况下的铸坯表面温度波动，保证了其不同浇注状况下（如头尾坯、换中包等）的铸坯质量。

本文回顾了国内外众多冶金工作者对连铸二冷冶金准则的制定、二次冷却控制的研究历程，对现有动态二冷控制模型进行了总结，并提出了未来二冷控制的研究方向。

1二冷冶金准则

关于二冷区的冶金准则，目前国内普遍采用的是：

铸坯沿拉坯方向上，冷却速度≤200℃/m；各冷却区出口回温≤100℃/m；矫直点温度≥900℃。

[1]

在1977年J.K.Brimacombe[2]做了对连铸坯裂纹形成的全面总结，指出许多铸坯内部缺陷的形成（如中间裂纹、中心线裂纹）都与不良的二次冷却有关。

也有学者指出，不良的二次冷却也会加剧中心偏析的产生[3]。

为防止铸坯在二冷区冷却时产生表面或内部缺陷，早期的冶金学者分别从不同角度提出了二冷区的冶金准则[4-9]。

1）二冷区铸坯冷却和回温产生的热应力是否导致内裂纹或中间裂纹为判据

1976年，Brimacombe[4]指出，连铸机二冷区设计应满足以下两个方面：

即减少内裂纹和保持较高的凝固速率。

并由此提出了二冷区回温不能超过100℃的准则。

其依据是：

H.Vom Ende 和G.Vogt[10]在讨论设计弧形结晶器连铸机时指出，矫直变形应不超过0.3-0.5%，有时即使超过0.2%也会出现裂纹。

而内裂的倾向也与碳含量有关，碳含量在0.17-0.24%之间或高于0.6%，更容易发生内裂纹。

G.VanDrunen和Brimacombe等[11]在随后研究了内裂（或热撕裂hot-tear）的形成，认为其在凝固组织为柱状晶时容易产生而在等轴晶区不易发生。

并详细解释了二冷区内过度回温导致铸坯内裂纹的形成过程。

在二冷区的末端或相邻冷却区的交汇处，铸坯表面产生回温，回温大小主要取决于铸机二冷区的设计及喷嘴布置。

回温导致表面已凝固坯壳的膨胀，表面坯壳的温度比内部低，强度比凝固前沿大。

回温膨胀在凝固前沿处产生了双轴拉伸应变，当此应变超过钢在高温下的临界应变值时，在凝固前沿的低塑性区（枝晶间的钢液残留）便产生了热撕裂。

当然，关于内裂纹的形成还跟其他因素（如铸机设备等）有关，Halliday[12]也做了相关说明。

研究结果表明，对于含碳量0.4%的普碳钢，高温区（1340℃）进行塑性变形断裂的临界应变（以延伸率表示）为0.2-0.3%。

因此，Brimacombe基于上述观点指出若按照一般钢种的这种特性，钢的高温热膨胀大概为0.2%/（100℃），因此建议为避免内裂纹，回温不超过100℃，保守起见则不超过50℃。

之后关于铸机设计及二冷控制的研究多基于此准则。

此后，比利时的A.Palmaers[5,6]对连铸坯的机械应力和热应力进行了计算。

通过与实验对比，确定拉伸应变0.2%作为不产生内裂纹的临界应变，并提出了将应变判据转换为冷却判据的观点。

分析认为，在二冷区末端出现热应力的情况下，确定产生的最大变形和表面温度回升与坯壳厚度之比之间的严格关系。

这个比值以“热应力系数”表示。

并确定了三种代表性钢种（含硫≤0.015%钢、含碳0.1~0.2%钢、含硫0.025%钢）的热应力系数与最大拉伸变形（临界拉伸应变0.2%）的关系分别为80、45和30℃/cm，如图1所示。

例如：

临界热应力系数为80℃/cm，如果坯壳厚度为3cm，则不产生内裂纹可允许的回温为240℃。

这是铸坯纵向（垂直于拉坯方向）不同坯壳厚度所受的回温与热应力的关系。

以此作为设计方坯连铸二冷区回温的准则，更为合理。

图1三种钢最大拉伸应变与热应力系数的关系

早期的连铸机二冷区布置的非常短，因此二冷区的出口处会有一个很大的回温。

而现在的连铸机设计时都会加长二冷区，且划分为多个冷却区，避免了出口处过大的回温，故一般均能满足此二冷准则。

同时，早期的铸机设计都是单点矫直，为了防止矫直裂纹，采用全凝固矫直，而现代铸机通过增加半径和优化辊列布置，均可实现带液芯矫直。

多点矫直或连续矫直的设计也大大减小了矫直应变，发生内裂纹的概率也随之降低。

2）碳氮化物的析出行为对角部横裂纹的影响

T.Nozaki[7]针对C含量为0.18%，Al含量0.039%的过包晶钢，观察对比了不同冷却制度下AlN的析出行为以及对铸坯角横裂的影响，得到了AlN析出与冷速之间的关系。

分析得出：

二冷区上部（刚出结晶器）冷速过大或持续的温度波动导致的回温，都加剧了AlN在奥氏体晶界的析出，降低了钢基体的塑性。

随后提出了二冷控制措施：

1）二冷区上部冷速严格控制在100℃/m以内，热流密度控制在70000kcal/（m2·hr）以内；2）二冷区中后段冷速控制在10~20℃/m左右，热流密度在30000~50000kcal/（m2·hr）左右，通过优化各个冷却区的水量，减少了每个冷却区出口的回温。

优化后的二冷模式不但大大减少了角部横裂纹的发生，同时也促进了坯壳的均匀生长，大大减少了纵裂纹的出现

3）针对微合金钢表面横裂纹及角部横裂纹的新型二冷工艺

通过钢的高温力学性能曲线可知其在凝固时要经历三个脆性区，对于微合金钢或低合金高强钢，合金元素（尤其是Nb）的添加扩大了脆性区范围。

为避免在第三脆性区（通常600~900℃）发生矫直裂纹，常见的解决方法就是使铸坯在通过矫直区时避开脆性温度区间（一般使表面温度≥900℃）。

然而，由于连铸过程铸坯表面温度横向分布不均匀，且角部为二维传热冷却，很容易造成角部温度过冷，往往很难避开脆性温区[13]，这也是表面横裂纹频繁发生在角部的原因。

为了彻底解决微合金钢连铸板坯的表面横裂纹问题，早在上世纪70年代Schmidt[14]就尝试采用加强二次冷却控制使表层组织发生→→转变来细化奥氏体、铁素体组织。

在此基础上，Kato[15-18]和Walmag[19,20]等均提出一种新型二次冷却工艺。

该工艺的具体原理是，铸坯出结晶器后进行强冷，其目的是消除奥氏体晶界析出的膜状铁素体。

在此之后，铸坯表面通过内部潜热释放，经过自回温而重新奥氏体化，冷却过程中的铁素体（晶界或晶内）都会溶解，但先前于铁素体中析出的碳氮化物却并不会回溶。

在随后的再次冷却中（缓冷），铁素体会优先在前面析出的碳氮化物颗粒上形核，在奥氏体晶内均匀的析出，即在较慢的冷速下铁素体也不会以膜状析出，从而提高了表层铸坯的塑性，避免了在矫直时产生裂纹。

2二冷控制方法

几十年间，连铸二冷配水经历了静态配水模式和动态配水模式，静态配水主要有人工配水、比例控制法和参数控制法，动态配水模式主要有实测表面温度反馈控制、人工智能控制法、基于有效拉速法和目标表面温度等综合控制法。

随着控制方法的优化，铸坯质量也进一步提高。

1）人工配水

人工配水方法一般是由工艺员设计水表，即，按不同的钢种、不同的断面及不同拉速、按一定的冷却强度确定二冷各段的冷却水分配比例（一般连铸工艺要求上部水量应比下部水量大），计算好每段的水量值，填于表中。

配水操作工根据实际拉速，迅速调整各阀门的开度（或使用电动阀门远距离操作）使供水流量达到配水表上的要求。

然后再用肉眼目测或用红外辐射测量计测量二次冷却区出口铸坯的表面温度，适当调整水量，使铸坯表面温度控制在1000℃左右，达到水量控制的目的。

这是早期因技术条件与自动化条件落后所采用的方法，由于其受人为因素影响，特别是拉速变化时水量控制的滞后现象、难以保证铸坯的质量。

2）比例控制

比例控制即二冷水量按与拉速成一定比例的控制，实际上与人工控制的计算方法类似，仅是用PLC或计算机的指令来控制水阀门的开度，使实际水流量接近设定值，此时流量计会将流量信号反馈到PLC，经过PLC对信号的处理与比较，然后再调整阀门开度，使水量精确地控制到设定值上。

比例法是方坯连铸机使用最广泛的控制方法，它的数学模型通常表示为：

（1）

式中：

Q为二冷总水量，L/min；Vc为拉坯速度；a，b为系数。

相应的，各二冷区水量为：

。

人工配水和比例控制配水方法受操作水平、人为等外界干扰因素的影响很大，使得铸坯的质量难以保证。

3）参数控制法

此法由日本学者INAZAKI等人[21]提出。

这种控制方法的思路是制定出适合于所需浇铸钢种的目标表面温度曲线，由此找出要使铸坯（若干控制点）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、C，建立符合

的一元二次方程式的数学模型。

同时将A、B、C这些参数储存于智能仪表（PLC）或计算机内，浇铸时选取对应钢种的控制参数，然后根据拉速自动配置各回路冷却水量。

这种控制方式中水量随拉速的变化是二次曲线的变化趋势，优于比例控制。

在实际应用中，如果其它干扰因素较小的话，铸坯温度分布可控制在对应钢种的目标表面温度附近，有利于改善铸坯质量。

但这种控制为静态控制，对生产条件变化的应变能力较差，只能适用于拉速相对稳定的情况。

4）实测表面温度反馈动态控制

一种将实测温度数据作为控制参数的方法，在每个二冷段安装高温计测试铸坯表面温度，计算机采集温度计的数据，并根据目标表面温度与实测铸坯表面温度的差值来调节控制水量，但二冷区温度高水雾大，铸坯表面有冷却水形成的水膜和氧化铁皮，周围又有二冷水汽化后形成的雾状蒸汽，影响着铸坯表面温度测量的准确度，这种方法由于在线铸坯表面温度监控较难实现而在应用上受到限制。

5）人工智能控制法

随着社会对钢材品种与质量要求的提高，基于人工智能的优化控制方法凭借其自身对处理复杂系统非线性问题的优势，在连铸二冷领域也引起了学者的研究与重视。

这种方法依靠人工智能技术的方法，如神经网络[22][23][24]、遗传算法[25][26][27]、模糊控制[28][29]、群智能算法[30]与基于改进粒子群算法[31]等技术来实现并与传热模型相结合，能够及时作出响应，适应工艺上的复杂性、不确定性和系统的非线性。

这些算法以实测生产数据为建立前提，一定程度上可以避免传热模型因参数设置对计算精度的影响，但也属于经验模型，需要大量的生产数据为支撑，因而对新生产线、新产品的工艺并不能很好的适用。

6）基于多模型综合控制法

近二十年来，随着冶金自动化技术的不断进步，逐步形成了以有效拉速法[32]和目标表面温度控制[33][34]为核心，辅助以中包有效过热前馈配水[35]、表面回温反馈配水[36]，并考虑季节性二冷水温变化[37]的多模型综合控制法[36]。

该方法利用计算机通过有限差分法求解传热微分方程，考虑钢种、浇注温度、铸坯断面尺寸、拉速、结晶器传热等因素，将铸坯划分为等距离的切片，利用在线的拉速和浇铸铸坯长度动态计算铸坯从弯月面到各冷却区中心的平均停留时间，换算得到各二冷区的等效拉速，然后根据设定的基础水量，每隔一段时间计算铸坯的表面温度，并与预先设定的目标表面温度相比较得到差值，用差值结果调整各段冷却水量，使铸坯的表面温度与目标温度相一致。

并且根据中包过热度，各冷却区出口的回温的实时性变化，动态微调各区水量，达到了很好的效果，目前被广泛所采用。

3数值计算与动态二冷控制模型

连铸凝固传热数学模型是求解铸坯温度场的核心，同时也是动态热跟踪模型乃至动态轻压下模型的基础。

关于连铸传热微分方程，Hills[38]于1965年最早尝试用解析法来进行求解，随后用简单的传热系数描述了结晶器与铸坯间的传热[39]。

J.W.Vonaidson[40]建立了小方坯的一维传热模型，其创立的“切片法”的思想一直沿用至今，成为了数值求解铸坯温度场的基础。

1967年，Mizaker[41]用有限差分法首次实现了板坯凝固传热一维模型的数值求解，将连铸传热领域带入了计算机求解的新时代。

其通过分析而做出的（包括：

采用等效比热法处理凝固潜热问题，通过放大钢液热传导系数处理凝固前沿钢液流动对传热的影响等）众多合理简化，成为现代动态二冷控制模型的核心。

1976年，Brimacombe[4]推导了方坯连铸二维模型，讨论了不同工艺参数对连铸坯质量的影响。

随后，Brimacombe[42]课题组又建立了三维计算模型，不仅考虑板坯厚度方向上的传热，而且考虑宽度方向上的温度不均匀和拉坯方向上的传热。

此后，由于采用计算机进行数值求解技术日益成熟，加之生产中通常关心的一些重要信息，如坯壳厚度、凝固分率、液芯长度等，均可由铸坯温度场计算结果加以初步确定，因此，很长一段时间内铸坯温度场的分析就成为连铸凝固过程模拟的主要内容。

对于二冷凝固过程数学模型的求解方法包括有限差分法[43]、有限元法[44]、有限体积法[45]和边界元法[46]等。

有限差分法以其在求解中的实用性、简易性和广泛性等优势，普遍应用于实际生产中。

动态二冷在线的控制模型的开发，经过了由最初的人工经验控制法到基于拉速控制的比例参数控制法，再到以目标表面温度控制为核心的综合控制模型。

考虑钢种、断面、过热度、拉速等浇注工艺参数变化的工况，能有效适应开浇、正常浇铸、出尾坯与停浇过程的切换，控制精度与响应精度也在日臻完善。

同时，在动态二冷模型的核心——动态热跟踪模型的基础上研制的动态轻压下模型，能有效跟踪铸坯的凝固分率，实时捕捉压下区间进行软压下，对控制铸坯内部质量尤其是中心偏析与疏松、缩孔起到了良好的效果。

国外具有代表性的动态二冷控制模型如Siemens-VAI的Dynacs系统[47]、DANIELI的LPC系统[48]、芬兰Rautaruukki公司开发的Dyncool系统[49]、Beckermann课题组的DYSCOS系统[51]和Thomas课题组的CONONLINE系统[52]。

国内方面，相关设计院与高等院校的冶金工作者也分别针对方坯、板坯和圆坯甚至异型坯[53]进行了动态二冷模型的开发。

代表性的模型张家泉*、朱苗勇、陈登福、张炯明等各自课题组的动态二冷控制模型。

（注*：

国家软件著作权,连铸过程动态热跟踪与动态二冷配水控制软件V1.0,国家版权局，2006SR04632；国家软件著作权,板坯连铸动态轻压下在线控制模型软件V1.0,国家版权局，2006SR05187；国家软件著作权,大方坯连铸动态轻压下在线控制模型软件V1.0,国家版权局，2006SR04634；国家软件著作权,大圆坯连铸二冷动态在线控制软件系统V1.0,国家版权局，2009SRBJ2375；国家软件著作权,连铸异型坯动态二冷配水系统V1.0,国家版权局，2010SRBJ2769）

图2Dynacs3D在线动态二冷模型的模拟结果

目前已建立的铸坯温度场计算模型包括从一维到三维的模型，三维模型多应用于二冷离线铸坯凝固传热计算，板坯和圆坯温度场模型多采用一维计算模型，方坯和异型坯温度场模型都是二维非稳态传热模型，采用运动坐标系的二维切片法，即用传热边界条件的时间函数法来模拟拉坯过程的冷却条件；并认为与拉速相比，可以忽略拉坯方向的传热；同时计算时根据几何对称性，计算域通常取铸坯1/4截面。

这些模型基本能满足普通钢种的生产需要，有效控制非稳态浇注时表面温度波动30℃以内，有效控制冷却速度与回温大小，避免二冷过程中的中间裂纹等相关缺陷。

奥钢联最新开发的三维在线控制系统Dynacs3D[54]可以很好的控制凝固液芯形状，代表了动态二冷模型的最高水平，如图2所示。

4未来趋势

对于当前的动态二冷控制模型，只要针对特定钢种的热物性参数设置相对准确，再辅助以对现场铸坯的二冷区传热系数进行实测，经与离线模型对比修正之后，铸坯表面温度的波动以及相关的表面质量及内部质量便可控制到令人满意的效果。

但是，众所周知，钢在凝固时溶质元素偏析会造成凝固前沿的溶质元素富集，从而导致前沿部分液固相线的降低。

尤其是固相线的降低造成了凝固终点的后移，使得动态热跟踪模型不能准确的跟踪铸坯中心的凝固进程，导致在凝固末端实施的动态轻压下和电磁搅拌未有效改善中心偏析等质量缺陷。

Bernhard等人研究结果表明（如图3所示），采用不同的微观偏析模型得到的固相线所计算的凝固终点的位置有很大差异。

故如何更加准确的计算溶质元素微观偏析之后的固相线成为未来动态二冷控制模型的研究重点，这将直接影响末端轻压下及电磁搅拌的实施效果。

图3二冷模型采用不同微观偏析模型得到的固相线所计算的凝固终点

同时对于连铸一些特殊钢种时（例如在组织转变和析出物方面有特殊行为的微合金钢），现有模型并未考虑冷却强度对铸坯的固态组织转变与二次相析出的影响。

而这恰恰是目前微合金钢实际生产中产生表面（或角部）横裂纹的内在原因。

因此，未来的动态二冷控制模型应是具备组织转变与析出相预报功能，向更为智能化的方向发展。

为了保证后续加工质量，甚至要考虑三冷区（这里定义为：

铸坯出二冷区之后的空冷）对后续加热轧制质量的影响。

因为铸坯进加热炉之前，是直接热装热送，还是经堆垛缓冷后冷装，期间所经历的热历程，对铸坯的相变与析出有很大影响。

进而影响到加热炉里的析出物的溶解行为，相变与晶粒变化，从而对热轧质量产生重要影响。

这就需要针对特定钢种在凝固冷却过程中的组织转变以及碳氮化物的析出行为有更为深入的了解，针对不同钢种制定相应的送装制度，彻底打破铸轧界限，促进铸轧热历程研究一体化的衔接。

5结论

本文得出的主要结论如下：

1）总结了二冷冶金准则的制定依据；

2）回顾了二次冷却由人工控制到以有效拉速法和目标表面温度法为核心的现代先进控制方法的发展历程；

3）总结了凝固传热数值模拟以及其在二冷控制模型中的应用，总结了国内外现有的动态二冷控制系统及应用现状；

4）提出了两个未来动态二冷控制模型的研究方向，即更加准确的考虑微观偏析导致的固相线下降对凝固进程的影响；针对特定钢种（如微合金钢）的裂纹敏感性，开发具有组织转变及析出相预报功能的动态二冷模型。

参考文献：

[1]蔡开科.连续铸钢[M].冶金工业出版社,1990.

[2]BrimacombeJK,SorimachiK.Crackformationinthecontinuouscastingofsteel[J].MetallurgicaltransactionsB,1977,8

（2）:

489-505.

[3]GrosskurthN,HaterM,KlagesR,etal.ExperienceofTwoYearsOperationofaCurvedPlantforContinuousCastingo