连铸二冷段工艺原理研究

连铸二冷段工艺原理研究目录一、实验研究目的二、摘要三、研究内容四、相关知识补充五、参考文献1、说明连铸二冷段的传热现象2、二冷段的几种传热形式3、各种传热方式的影响因素4、连铸二冷段各段的冷却强度如何控制5、拉速的控制与哪些因素有关说明连铸二冷段的传热现象，运用所学的热量传输基础理论分析：课题研究目的：（1）有几种传热形式？（2）各种传热方式的影响因素？（3）连铸二冷段各段的冷却强度如何控制？为什么？（4）拉速的控制与哪些因素有关？【摘要】连铸二冷段是将高温钢水连续不断地浇到一个或几个用强制水冷带带有“活底”（引锭头）的铜模内（结晶管），钢水很快与引锭头凝结在一起，待钢水凝固成一定厚度的坯壳后，就从结晶管的下端拉出引锭头，这样已凝固成一定厚度的铸坯就会连续地从水冷结晶管内被拉出来，在二次冷却区继续喷水冷却。带有液芯的铸坯一边走一边凝固，直到完全凝固。待铸坯完全凝固后，用氧气切割机或剪切机把铸坯切成一定尺寸的钢坯的工艺。二冷段是将从结晶器拉出的带有薄壳的钢水连接继续凝固的过程。1、连铸二冷段的传热现象铸坯从结晶器开始到完全凝固的过程为二次冷却。而在二冷区，铸坯中心的热量是通过坯壳传到铸坯表面的，当喷雾水滴打到铸坯表面时，就会带走一定的热量，而铸坯表面温度突然降低，使中心与表面形成很大的温度梯度，而这也成为了铸坯冷却的动力。相反，突然停止水滴的喷射，铸坯表面的温度就会回升。而且二冷区内铸坯的冷却情况与结晶器内有很大的不同。在二冷区，铸坯除了向周围辐射和向支撑辊导热之外，主要的散热方式是表面喷水强制冷却。铸坯在二冷区每一个辊距之内都要周期性地通过四种不同的冷却区域，如图1所示的AB、BC、CD、DA段。（图1）⑴AB空冷段喷淋水不能直接覆盖的区域。在该区内坯壳主要以辐射形式向外散热，另外还与空气和喷溅过来的小水滴或水汽进行对流换热。在该区的热流密度可按式1计算：q=εC0[(TW/100)4-(Tg/100)4]+h（TW-Tg）（1）式中q——坯壳表面热流密度，W/m2;ε——坯壳表面黑度，0.7——0.8；C0——黑体辐射系数，W/(m2•K4),约为5.675W/(m2•K4)；TW——坯壳表面温度，K；Tg——周围空气温度，K；h——对流换热系数，W/(m2•K)，若邻接铸坯表面的空气流速不大于2——3m/s时，h=20——23W/（m2•K）。⑵BC水冷区被喷淋水直接覆盖的区域。在该区内一部分冷却水被汽化，由于汽化吸热量很大，每1kg水可吸收2200kJ左右的热量，从而使铸坯表面大量散热。实测结果表明铸坯表面喷水冷却，铸坯表面温度保持在1050℃时，若耗水量在0.56～1.94L/(m2•s)内变化，则汽化水相对量为8％～10％。铸坯消耗于冷却水的热流密度可按式2计算：qv=ηCeρwW（2）式中qv——消耗于冷却水的热流密度，W/m2；η——变为蒸汽的水的比例，％；Ce——水的汽化热，J/kg；ρw——水的密度，kg/m3；W——单位坯表面积耗水量，也称喷水密度，m3/(m2•s)。未被汽化的水还要沿坯壳表面流动，与坯壳进行着强制对流换热。若坯壳为水平放置而喷嘴进行纵向冲洗时。对流换热系数可由式3确定：h=C（λ/d）（vd/γ）4（3）式中h——对流换热系数，W/（m2•℃）；C——经验常数（紊流下C=0.032）；λ——喷淋水导热系数，W/（m2•℃）；d——坯壳特征尺寸，m；v——喷淋水沿坯壳表面流速，m/s；γ——喷淋水粘度，m2/s；n——经验常数（紊流下n=0.8）；2、二冷段的几种传热形式图2表示了二冷区铸坯表面热量传递的方式，物化水滴以一定的速度喷射到铸坯表面，大约有20％的水滴被汽化，带走的热量约占55％；铸坯辐射散热占25％左右；铸坯与夹辊间的传到散热约占17％；空气对流传热约占3％。（图2）二冷区铸坯传热方式综合考虑以上纯气雾冷却和辊子导热的影响，就能对铸坯尤其是铸坯表面温度的分布做出估计。由于气雾冷却的传热系数与喷嘴形式、铸坯特征、铸坯表面氧化、冷却水的压力、流量都有关系，因此，其经验公式也各不相同，针对具体问题，只能根据实际情况寻找比较相符的关系式。由公式可知，除冷却水温度和表面温度对传热有影响外，其他因素对铸坯表面传热的影响反映在传热系数上。要提高二冷区冷却效率和保证板坯质量就要提高传热系数h值和在二冷各段h值的合理分布。而h值是与单位时间单位面积的铸坯表面接受的水量（水流密度）有关，即：h=BWn（6）式中h——对流换热系数，W/（m2•℃）；B——经验系数；W——喷水密度，L/（m2•s）；n——经验系数，一般在0.4到0.8之间。在生产条件下测定h与W的关系很困难，一般是在实验室内用热模拟装置测定喷雾水滴与高温铸坯的传热系数。3、各种传热方式的影响因素一般情况下，二冷区内辐射散热与夹棍冷却主要受连铸机设备类型与布置的制约，在生产中属于基本固定或不易调整的因素。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变和可调整的，这些因素的变化直接影响着二冷区内的热交换。（1）喷嘴结构和布置理想的喷嘴结构具有很好的雾化特性，具体地说就是喷嘴应能使喷淋水雾化得很细、又有较高的喷淋速度、水滴在铸坯表面分布均匀。喷嘴的形式有很多种，目前常用的有扁平喷嘴、螺旋喷嘴、圆锥喷嘴和薄片喷嘴等，如图所示。压力喷嘴。这类喷嘴具有结构和管路系统简单、耗能小等优点。但喷嘴出口尺寸较小，容易堵塞，喷水量不易调节。按喷流水雾化流股是我形状，可分为扁平喷嘴和圆锥喷嘴。一般扁平喷嘴水流量达、冷却强度大，大都用来冷却大断面铸坯二冷区的头段。由于水的表面张力，流股边缘光滑、水底直径较大，水量分布为中间高、两边低，如图所示。圆锥喷嘴又可分为空心型、实心型和半实心型。空心型圆锥喷嘴水流量小、冷却强度低，适用于小断面的合金钢铸坯。这种喷嘴有一个使水旋转的空间，水通过一个切线方向的通道或是通过一个有螺旋的轮子进入这个空间高速旋转。喷嘴的开口在这个空间的轴线上，水离开喷嘴后，在离心力的作用下，雾化成空气的锥形流股。右图是圆锥喷嘴水流密度分布图。实心型圆锥喷嘴可被看成是一个空心型圆锥喷嘴外加一个中心股流。在中心股流与空气股流相互作用下，雾化成实心的锥形流股。如右图为实心型圆锥喷嘴水流密度分布图。气水喷嘴。这种喷嘴是一种高效喷嘴，它正逐渐代替其他喷嘴而被广泛用于各种连铸机上。气水喷嘴把水与压缩空气进行混合，再利用压缩空气能量把水滴进一步雾化，从而喷射出比较理想的广角射流股。它的水流量容易调节，冷却能力变化范围广，喷嘴不易堵塞，特别是对水底的细化效果明显优于压力喷嘴，可增大蒸发量以提高冷却效率，并使冷却更加均匀。如右图比较了气水喷嘴与扁平喷嘴的效果。喷嘴的布置对铸坯冷却的均匀程度有很大影响，应尽量保证铸坯表面喷雾覆盖的连续性，因此布置喷嘴时，可以使两相邻喷嘴喷雾面之间有一定的重叠。试验证明，当喷雾面重叠10％时，对重叠面上的铸坯冷却的均匀性影响不大。下图是板坯和方坯喷嘴的典型布置。（2）喷水密度和坯表面温度在一定范围内，喷水密度的提高可显著提高二冷区的传热效率。下图给出了传热系数与喷水密度的对应关系。由图可知，当喷水密度较低时，传热系数随其增加而明显提高；当喷水密度增加到一定程度时，传热系数曲线随之呈平坦趋势，这说明喷水密度超出一定范围之后，对传热系数的影响就不大了。其原因在于当喷水密度增加到一定程度时，接近表面的水滴与从表面弹回来的水滴相撞的几率增大而使动能损失增大，而且易于在铸坯表面形成蒸汽膜，妨碍了水滴与铸坯表面的直接接触，从而影响水滴的传热效率。当喷水密度超过20m3/(m2•h)时，传热系数就不再增加。根据试验，喷淋水滴落到铸坯表面时，可能出现两种不同传热形式。如果铸坯表面温度不高时（低于300℃），水滴始终与坯表面保持接触，这种现象称为润湿。水滴碰到铸坯表面后，由于水底的蒸发不大，不会影响到它与铸坯的接触，经过一段时间接触传热后，水滴沿坯表面流走，这种水滴的传热效率比较高。如果铸坯表面温度比较高时，水滴一碰到铸坯就会破裂并且超速蒸发，水滴与坯的接触只是瞬间，炸裂的细水滴很快从铸坯表面离开，然后又聚集起来，而后又炸裂，这种现象称为“干壁”，它的冷却效率比较低。下图给出了扁平喷嘴喷水密度和铸坯比表面温度对热流的影响。（3）喷淋水滴速度和喷嘴压力研究表明，喷淋水滴与坯表面碰撞速度的高低对传热有很大影响。当水滴的韦伯数We80时，水滴碰撞到铸坯表面后铺展并分裂成若干个小水滴；当水滴的韦伯数30时，水滴在铸坯表面铺展开，加热后自身旋转，最后离开铸坯表面，而始终没有分裂；当水滴的韦伯数在30～80之间时，水滴在铸坯表面铺展开后并不分裂，在自身旋转过程中才分裂。韦伯数用下式表示：We=ρdvw2/σ式中ρ——水滴密度，kg/m3;d——水滴直径，m；vw——水滴流速，m/s;σ——水滴表面张力，N/m2。水滴碰撞到铸坯表面后，若能够马上分裂成若干小水滴则可以增加水滴与铸坯的传热接触面积、提高传热效率。当水滴的密度、直径、表面张力确定之后，韦伯数与水滴流速的平方成正比，因此，提高水滴碰撞铸坯表面的速度就能提高水滴的传热效率。喷淋水在喷嘴的出口速度决定与管道中的压力。压力增大，喷淋水出口流速提高。在已知喷淋水出口和水滴直径的情况下，水滴在大气中运行的速度用下式计算：v=v0exp[-0.033(ρg/ρ0)zdQ2]式中v——水滴距喷嘴长为2m时的流速，m/s；v0——水滴在喷嘴出口时的流速，m/s；ρg——大气密度，kg/m3;ρ0——水滴密度，kg/m3;z——测流速位置至喷嘴的距离，m；d——水滴直径，m；Q——喷淋水流量，m3/s。（4）喷嘴的堵塞由于管道壁脱落的锈蚀物和喷淋水内泥沙等杂质的不断堆积，喷嘴在使用一段时间后会出现不同程度的堵塞，甚至堵死。这种现象的发生不仅会加重铸坯冷却不均的程度，而且对传热效率有很大影响，因此，改善喷淋水的纯净度，定期和及时地检修或更换堵塞的喷嘴是极其必要的。（5）比水量比水量即单位质量铸坯所需的冷却水量，是一个重要参数，其变化直接影响着二冷区的传热效率。比水量由下式定义：P=Q/(Sρvc)式中P——比水量，L/kg；Q——二冷区喷水量，L/s，喷水密度与喷水总面积的乘积；S——铸坯断面积，m2;ρ——铸坯密度，kg/m3;vc——拉速，m/s。当铸坯断面尺寸、钢种、喷嘴形式及其布置确定之后，比水量主要受喷水密度和拉速的影响。当拉速固定时，比水量与喷水密度成正比。因此，比水量对传热系数的影响与喷水密度的影响相同，比水量高过一定程度时，也会出现“热饱和”现象。但喷水密度固定时，比水量的变化与拉速的变化成反比关系，所以说二冷区冷却效率的高低不能单独以比水量的大小来衡量，还应该同时考虑拉速对比水量的影响。4、连铸二冷段各段的冷却强度如何控制⑴、在连铸二冷段冷却强度应该延铸坯的纵向，自上而下逐步减弱。由结晶器拉出的铸坯进入而冷去上段时，内部液心量大，坯壳薄，热阻小，坯壳凝固收缩产生的应力也小。此时加大冷却强度可使坯壳厚度迅速增加，并且在较高的拉速下也不会拉漏。当坯壳厚度增加到一定程度以后，随着坯壳热阻的增加，则应逐渐减小冷却强度，以免铸坯表面热应力过大产生裂纹。因此，在整个二冷区应当采取从上到下冷却强度由强到弱的原则。⑵、在实际生产中为了提高铸机的生产率，应当采取高拉速和高冷却效率，但在提高冷却效率的同时，要避免铸坯表面局部降温而产生裂纹，故应使铸坯表面横向及纵向都能均匀降温。通常铸坯表面冷却速度小于200℃/m。铸坯表面温度回升应小于100℃/m⑶、700~900℃的温度范围是铸坯的脆性温度区，如铸坯表面温度在此范围内矫直时，易于产生横裂纹。所以应控制二冷区支承辊之间形成的鼓肚量最小，在整个二冷区应限定铸坯表面温度，通常控制在1100℃以下。同时在铸坯进行热送和直接轧制时，又要控制切割后铸坯表面温度高于1000℃。⑷、在确定冷去强度时要必须适应不同钢种的需要，特别是裂纹敏感性强的钢种，要采用弱冷，例如低合金钢管比薄板钢（如全铝镇静低碳钢）需要更为轻微的二次冷却。二次冷