连铸过程的冷却制度.docx
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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8C,出水温度控制在45-50C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10mg/L。
总悬浮物不大于400m/L。
硫酸盐不大于150m/L。
氯化物不大于100m/L。
总硬度（以CaCO3计）不大于10mg/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100C/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3t丫的相变，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。
角部区域坯壳最薄，这也是产生角部裂纹和发生漏钢的薄弱环节。
注入结晶器的钢液除受结晶器壁的强制冷却外，还通过钢液面辐射传热及拉坯方向的传导传热。
其传出热量的比值大约为
30:
0.15:
0.03。
各段热阻约为：
坯壳26%;气隙71%;结晶器铜壁1%;
铜壁与冷却水界面2%。
影响结晶器传热的因素
结晶器锥度
结晶器保护渣
冷却水质
结晶器材质
钢水成分
经研究表明，坯壳厚度的生长服从均方根定律：
K受各种因素的影响，在一定范围内变化，板坯结晶器的K值
一般取18~22mm•mm-0.5。
1、二冷作用：
二次冷却是指出结晶器的铸坯在连铸机二冷段进行的冷却过程.其目的是对带有液芯的铸坯实施喷水冷却，使其完全凝固以达到在拉坯过程中均匀冷却.
2、二冷强度确定原则：
二冷通常结合铸坯传热与铸坯冶金质量两个方面来考虑.铸坯刚离开结晶器，要采用大量水冷却以迅速增加坯壳厚度,随着铸坯在二冷区移动，坯壳厚度增加，喷水量逐渐降低.因此，二冷区可分若干冷却段，每个冷却段单独进行水量控制.同时考虑钢种对裂纹敏感性而有针对性的调整二冷喷水量.
3、二冷水量与水压：
对普碳钢低合金钢，冷却强度为：
1.0-1.2L/Kg钢.
对低碳钢、高碳钢，冷却强度为：
0.6-0.8L/Kg钢.
对热裂纹敏感性强的钢种，冷却强度为：
0.4-0.6L/Kg钢.
水压为0.1-0.5MPa
4.2二冷区的传热与凝固
4.2.1二次冷却传热特点
铸坯从出结晶器开始完全凝固这一过程称为二次冷却，二冷传
热的主要方式和比例：
传热方式约占比例%
冷却水加热与蒸发55
铸坯辐射25
辊子传导17
空气对流3
在设备和工艺条件一定时，板坯辐射传热和辊子传导传热变化
不大，喷淋水的传热就占主导地位，铸坯中心的热量是通过坯壳传导铸坯表面的，当喷雾水滴打到铸坯表面时就会带走一定的热量，而铸坯表面温度会突然降低，使中心与表面形成很大的温度梯度，而这就成了铸坯冷却的动力。
从二冷的传热方式可以说明，要提高二冷区的冷却效率，就必
须研究喷雾水滴与高温铸坯之间的热交换。
可用对流传热方程来表
示：
要提高二冷区冷却效率和保证板坯质量就要提高h值和在二冷
区各段值的合理分布。
422影响二冷区传热因素
铸坯表面温度
水流密度
水滴速度
水滴直径
铸坯表面状态
喷嘴使用状态
4.2.3二次冷却水的计算
“比水量”是指单位重量钢水所使用的冷却水量，用L/kg表示,
当确定了二次冷却各区段的冷却水分配比例之后，又知道浇钢的速率，就能计算出每一个冷却区的冷却水量。
“冷却密度”是指铸坯在单位时间及单位面积上所接收到的冷
水量，常用L/m.min表示。
连铸二次冷却
二冷水动态控制
目标温度控制
根据铸坯在二冷区的表面温度与给定的目标温度（冶金专家给定温度）对比，调节二冷区各段水量。
测量铸坯表面温度困难大，而且不准，因此用数学模型计算铸坯在二冷的温度。
根据传热原理，傅立叶基本方程：
板坯中心部位可近似地认为是一维传热
T:
坯壳固态温度；t:
时间；c：
比热；p：
密度；入：
热传导
系数;
x:
铸坯厚度方向的距离；y:
铸坯宽度方向距离；z：
铸坯长度方向距离
用差分法或有限元法将铸坯划分成许多网格，假设在铸坯上1/2厚度取一切片，将其分成许多小格，每个格中心代表一个结点，并认为温度是均匀的，两结点之间的距离x，设d为1/2坯厚，有n个结点。
切片向下运动的时间增量为△t，每个小个子的中心温度代表整个格子的温度，△x为空间步长，△t为时间步长。
通过转换，偏微分方程可以用n个差分方程迭代进行计算
用差分方程计算铸坯温度时，还有许多假定。
如凝固潜热的分
配、液态一固态金属内温度分布、各项热物理参数不随条件改变等等。
在生产实践中用以计算铸坯表面温度的方程组及用于控制二冷水流量的数模，各个供应商（工厂）都有自己的计算方法即所谓的控制软件。
宝钢板坯二冷动态控制是用目标温度动态控制。
铸坯使用切片法，设想结晶器有5个切片，二冷区分9个区20个控制点（每个区有2~3个控制点），每个切片有一个目标温度（冶金专家系统），数据每40秒计算一次水量。
拉速变化时计算间隔时间5秒，以此对比温度差，调整水量。
1.二冷的作用
铸坯继续凝固
保障铸坯质量
外观一一防菱形、鼓肚、凹陷、表面裂纹（纵裂、横裂、角裂、网状裂纹）
内部——各种内裂、中途裂纹、中心裂纹、三角区裂纹、疏松、缩孔、等轴率、偏析程度
2.二冷的原则
沿铸坯纵向冷却强度逐步减弱
铸坯表面温度均匀，纵向温差w100〜200C/m,横向温差w50〜
100C/m
铸坯表面温度回升的限制
铸坯冷却速度的限制
进矫直区铸坯表面温度避开脆性区（低塑性区）
保障质量，给热送热装创造条件（无缺陷坯、高温入炉）
3.二冷区的传热
铸坯在二冷区的热释放
喷水冷却Q=h（TS—TW）
热辐射Q=£（T（TS4—TW4）
导辊传热Q=KT
£:
黑度系数；（T:
波尔兹曼常数
表1—铸坯的热传（200X1215mm板坯，VC=1.6m/min,热平衡
计算结果）
4•喷嘴结构、喷雾特性与热传递
二冷喷水冷却的热交换可用下式表示：
Q=h（TS—TW）
h=Awn
TS:
坯温；TW:
水温；h:
传热系数；w:
喷水水流密度L/m2•s;n:
幕，n=0.45〜0.75（与铸坯表面温度及喷嘴性能有关）
h与铸坯表面温度关系
h=0.61w0.597（坯温800C）
h=0.59w0.385（坯温900C）
h=0.42w0.351（坯温1000C）
5.二次冷却的冷却方式
6.二冷水的分配
比水量：
Q:
总水量L/min;
a,b:
铸坯高、宽m;
v:
拉速m/min;
p:
钢比重kg/m3
根据浇铸钢种，丫值可参考表3
注：
用气一水喷雾冷却时比水量可降低
7.二冷水沿铸坯长度方向的分配
铸坯凝固前沿放出潜热等于坯壳的传导传热
Lf:
等效熔化（凝固潜热）；pm：
钢的密度；入m：
传热系数；
（T：
铸坯壳厚；TL:
液相线温度；TS:
固相线温度；t:
时间
而铸坯导出热流由二冷水带走
二h与冷却水量成正比二
二冷水是分段布置的，各冷却段到结晶器液面距离为Hi
二冷用水量
根据上式可以计算出各段冷却水量
实际上各厂足辊段水量不按上式计算值，而是根据经验设定
8•二冷控制方式
人工手动控制：
由专职工人根据水表数字在拉速变化时调整水管阀门，调节各段水量。
仪表计算机控制：
静态控制、动态控制
――静态控制
水表方式：
根据拉速、钢种、钢水过热度列成水表输入计算机或用PLC控制冷却水阀门调节水量
数学方程式：
式中a、b、c为常数；Q为总水量，由钢种确定比水量后分段控制
9.二冷水量与拉速串级控制
拉速串级控制
带温度反馈拉速串级控制
带过热度前馈及湿度反馈拉速串级控制
10.二冷水动态控制目标温度控制
根据铸坯在二冷区的表面温度与给定的目标温度（冶金专家给定温度）对比，调节二冷区各段水量。
测量铸坯表面温度困难大，而且不准，因此用数学模型计算铸坯在二冷的温度。
板坯中心部位可近似地认为是一维传热
T:
坯壳固态温度；t:
时间；c：
比热；p：
密度；入：
热传导系数；
x:
铸坯厚度方向的距离；y:
铸坯宽度方向距离；z：
铸坯长度方向距离
用差分法或有限元法将铸坯划分成许多网格，假设在铸坯上1/2厚度取一切片，将其分成许多小格，每个格中心代表一个结点，并认为温度是均匀的，两结点之间的距离x，设d为1/2坯厚，有n个结点。
切片向下运动的时间增量为△t,每个小个子的中心温度代表整个格子的温度，△x为空间步长，△t为时间步长。
通过转换，偏微分方程可以用n个差分方程迭代进行计算
用差分方程计算铸坯温度时，还有许多假定。
如凝固潜热的分配、液态一固态金属内温度分布、各项热物理参数不随条件改变等等。
在生产实践中用以计算铸坯表面温度的方程组及用于控制二冷水流量的数模，各个供应商（工厂）都有自己的计算方法即所谓的控制软件。
板坯二冷动态控制是用目标温度动态控制。
铸坯使用切片法,设想结晶器有5个切片，二冷区分9个区20个控制点（每个区有2〜3个控制点），每个切片有一个目标温度（冶金专家系统），数据每40秒计算一次水量。
拉速变化时计算间隔时间5秒，以此对比温度差，调整水量。
宝钢曾用静态控制，在稳定条件下铸坯表面温度误差为60C;
用动态控制，无论稳速或变速，铸坯表面温度误差小于6C。
武钢三炼钢3#板坯铸机（比水量0.6）表面目标温度设定值如下表所示
目标温度反馈法
测量拉矫机前铸坯表面温度作为反馈信号动态控制二冷水，铸坯在二冷区的温度没有控制，有用于方坯、矩形坯，大方坯连铸目前仍用目标温度对比控制。
铸坯历程给水控制
根据铸坯在二冷区经历的时间长短分配水量，例拉速高，坯在二冷区停留时间短，给水量应增多，该控制法是将铸坯划分若干区段，计算每一个区段在二冷区喷水段内停留时间长短（有人称为“坯龄”）,以此编制控制软件。
11.水管、喷嘴的布置
长条形坯（方坯、矩形坯、圆坯）
长条形坯：
二冷区水管布置基本上都是将二冷区分为3〜5段，小方
坯大都为3段（包括零段），由于方坯二冷区导卫辊（夹持辊）很少，所以水嘴分配可以不等距离安排。
喷嘴的布置原则上是“上密下疏”，用统一型号水嘴，根据水密度要求可用喷嘴间距调节。
喷嘴喷水形状大都为实心圆锥，喷嘴与铸坯表面距离应以喷水
面积全部覆盖坯面为好（如上图所示）。
结晶器出口处为二冷零段（足辊段）长度很短，一般为500mm左右，设置二圈水喷嘴，水量占总二冷水的20~40%，其余水嘴安在长条水管上，分2〜3段控制。
小方坯均用水喷嘴，大方坯、合金钢铸坯在2~3段有用气一水喷雾的。
内外弧水量分配比为1:
1.1〜1.2，内外弧不分别控制，外弧可多设喷嘴。
板坯：
大板坯连铸二冷控制较为复杂。
基本上都是一个扇形段为一组冷却段，而一组的控制点为2〜3
个（内、外、侧）。
12.二冷制度优化
国内二冷控制模型使用情况
宝钢从20世纪80年代引进二冷控制模型；
1996年国内有厂家自主开发二冷模型；
1998年前二冷模型应用得好的少，此后许多厂家从国外多次引
进模型，武钢、本钢用得较好，许多厂家用得不好；
宝钢自主开发（2001年）新型二冷模型，运行良好。
13.优化工作的实践
到目前为止，尚未有单纯用数学解析办法得到最优的二冷配水
方案。
二冷制度优化:
从生产实践中积累数据资料，表面质量、裂纹、凹坑、外形、内部偏析、疏松、缩孔、内裂纹、组织。
从大量生产实践中研究改进,武钢目标温度的优化是从理论到实践总结出来的
理论计算+实测数据，理论计算凝固、传热、流动耦合求解，加上铸坯表面温度测量，铸坯凝固壳厚度实测（射钉枪）。
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