板坯连铸二冷配水对铸坯质量的影响[兼容模式]

连铸二冷配水工艺技术连铸二冷配水工艺技术北京科技大学冶金工程研究院刘建华刘建华[e-mail]主要内容1二冷控制的重要性2铸坯凝固传热模型3二冷配水原理及方法简介4连铸二冷动态配水系统4连铸二冷动态配水系统1二冷控制的重要性1.二冷控制的重要性出结晶器的连铸坯凝固坯壳厚度仅有8～15mm，铸固壳度仅有铸坯的中心仍为液态钢水为使铸坯快速凝固及实行顺利拉坯，结晶器之后为使铸坯快速凝固及实行顺利拉坯，结晶器之后设置二次冷却装置，在该区域铸坯的凝固坯壳厚度继续增加；度继续增加；铸坯在二次冷却区中可能经受弯曲、矫直的变化，同时液态钢水的大部分（或全部）发生凝固同时液态钢水的大部分（或全部）发生凝固。1.二冷控制的重要性冷控制要性生产普钢为主向生产优钢、品种钢、特钢转变，生产普钢为主向生产优钢、品种钢、特钢转变，对连铸机的二冷控制要求也越来越高必须根据钢种浇注断面浇注温度拉坯必须根据钢种、浇注断面、浇注温度、拉坯速度和铸机几何尺寸等参数来制定连铸机二冷区合适的冷却制度适的冷却制度。提高配水计算的适时性、可靠性，优化二冷控制提高配水计算的适时性、可靠性，优化二冷控制1.二冷控制的重要性各段之间的冷却不均匀，导致铸坯表面温度呈现1.1二次冷却对铸坯质量的影响各段之间的冷却不均匀，导致铸坯表面温度呈现周期性的回升导致凝固壳发生反复相变，是铸坯皮下裂纹导致凝固壳发生反复相变，是铸坯皮下裂纹形成的原因。1.1二次冷却对铸坯质量的影响回温引起坯壳膨胀当施加到凝固前沿的张应力超过钢的高温允许强度和临界应变时铸坯表面和中心之间就会出现中间裂纹和临界应变时，铸坯表面和中心之间就会出现中间裂纹。粗大纵裂纹较细小的纵裂纹11二次冷却对铸坯质量的影响二冷不当，矫直时刚好位于脆性区，在矫直力作用下，容易在振痕波谷出现表面横裂纹1.1二次冷却对铸坯质量的影响谷出现表面横裂纹。局部的强冷会使表面产生张应力而产生表面裂纹。11二次冷却对铸坯质量的影响二次冷却太弱，易产生鼓肚1.1二次冷却对铸坯质量的影响二冷区内铸坯四个面的非对称性冷却，会加重铸坯菱变二冷冷却强度对铸坯中心偏析也有影响11二次冷却对铸坯质量的影响1.1二次冷却对铸坯质量的影响二冷较易调整但对铸坯质量影响显著二冷较易调整，但对铸坯质量影响显著二冷对表面质量和内部质量影响不一致二冷技术的发展较为迅速抽样板坯34块60.050.050607016.720304050扒皮率,%4.80101234试验方案1.二冷控制的重要性1.2二冷的主要工艺参数冷控制要性冷却强度根据所浇注的钢种决定根据所浇注的钢种决定冷却方式和装备水喷雾冷却、气－水喷雾冷却、干式冷却、半干式冷却等却等冷却水的分配二冷区整个长度上的分配要与铸坯的凝固相适应；在宽度方向上的分布要求温度尽可能均匀。二冷水的控制1二冷控制的重要性1.二冷控制的重要性1.3二次冷区配水原则二次冷却强度的确定原则铸坯进入二冷区，由于内部液心较多，坯壳较薄，坯壳收缩产生的应力还不算大。此时加大冷却强度可使坯壳厚度迅速增加，保证高拉速情况下，不出现拉漏事故。凝固坯壳的厚度增加到一定程度后，坯壳的热阻相应增加，要相应地逐渐减小冷却强度，以免铸坯表面热应力过大产生裂纹。在整个冷本着自冷度在整个二冷段本着自上而下冷却强度由强到弱的原则。1二冷控制的重要性1.二冷控制的重要性铸坯表面横向及纵向都能均匀降温铸坯表面横向及纵向都能均匀降温为了提高连铸的生产率，通常采用较高的冷却强度；但在高的冷却强度情况下，要尽量避免铸坯高冷表面局部温降剧烈而产生裂纹，要使铸坯表面横向及纵向都能均匀降温。通常来讲，铸坯表面的冷却速度应控制在200℃/m以内，铸坯表面回温也应控制在100～200℃/m以内，铸坯表面回温也应控制在100200℃/m以内。1二冷控制的重要性1.二冷控制的重要性在矫直段铸坯表面度不处该钢种的脆性区在矫直段铸坯表面温度不处于该钢种的脆性区各钢种在高温情况下表现出不同的机械性能在700～900℃的温度范围是铸坯的脆性区；铸坯在脆性区进行矫直时铸坯表面容易产铸坯在脆性区进行矫直时，铸坯表面容易产生裂纹。应针对不同钢种测定其高温力学性能找应针对不同钢种，测定其高温力学性能，找出其脆性区的温度区间；制定二冷制度时，使铸坯的表面温度不在脆性区间进行矫直坯的表面温度不在脆性区间进行矫直。1二冷控制的重要性高温塑性曲线55C高温塑性曲线1.二冷控制的重要性SS400高温塑性曲线080.955C高温塑性曲线080.910.60.70.8ψ，100％0.50.60.70.8率ψ，100％0.40.5面缩率ψ0.20.30.4面缩率0.20.350060070080090010001100120013001400温度T，℃00.150060070080090010001100120013001400温度T，℃SS400的高温塑性曲线55C的高温塑性曲线1二冷控制的重要性1.二冷控制的重要性保铸在冷的鼓最保证铸坯在二冷区的鼓肚量最小在整个二冷区内应限制铸坯表面温度；在整个二冷区内应限制铸坯表面温度；对于板坯来说，二冷区的铸坯表面温度应限制在1000℃以内应限制在1000℃以内。对于热送热装的铸坯，又要控制切割后对于热送热装的铸坯，又要控制切割后的铸坯表面温度高于1000℃。1二冷控制的重要性1.二冷控制的重要性根据钢种的需要选择合适的二冷区冷却强度对于裂纹敏感的钢种通常采用弱冷；对于裂纹敏感的钢种通常采用弱冷；对于非裂纹敏感性钢种可采用强一些冷却；例如低合金钢要比低碳铝镇静钢的冷却强度小。对于对内部质量（偏析和疏松）要求比较严的钢种对于对内部质量（偏析和疏松）要求比较严的钢种，可采用强冷，反之可用弱冷。1二冷控制的重要性1.二冷控制的重要性二冷区的冷却强度二冷区的冷却强度随钢种、铸坯断面尺寸、铸机形式、拉速等参数不同而变化，通常在0.3～1.5L/kg之间。而变化，通常在0.31.5L/kg之间。比水量与钢种的关系考虑以下几个方面：对于厚板材，从改善内裂、硫偏析等方面考虑用低拉高虑速、高比水量比较好；从表面裂纹考虑，则用低比水量较好。实际上，比水量在0.4~1.2L/kg大范围内，各家无统一的看法；统的看法；如Al镇静钢那样对表面裂纹不敏感的钢种，有可能提高比水量的倾向。通常采用1.0~1.51/kg钢；但对于厚板材中易于发生表面裂纹的高锰钢特殊合但对于厚板材中易于发生表面裂纹的高锰钢、特殊合金材一般用低比水量。1二冷控制的重要性表3不同钢种的二冷区冷却强度1.二冷控制的重要性表3不同钢种的二冷区冷却强度钢种冷却强度，L/kg普碳钢、低合金钢1.0～1.2中高碳钢、合金钢0.6～0.8裂纹敏感性钢0.4～0.6高速钢0.1～0.32.连铸凝固传热模型连铸凝固传热模型基本假设(1)沿拉坯方向传热忽略仅考虑铸坯横断面上的传热铸(1)沿拉坯方向传热忽略，仅考虑铸坯横断面上的传热；铸坯的传热简化为二维非稳态传导传热；(2)钢的热物理特性在液相区凝固两相区以及固相区为分(2)钢的热物理特性在液相区、凝固两相区以及固相区为分段常数；对流状态对传热的影响用增大导热系数的方法来等效即把对流传热等效成传导传热等效，即把对流传热等效成传导传热；2.连铸凝固传热模型凝固传热微分方程连铸凝固传热模型)()(yTKyxTKxtTC初始条件与边界条件（1）初始条件：t=0时结晶器中钢水温度等于浇注温度（2）边界条件（2）边界条件：铸坯中心002/2002/1tDyyTKtDxxTK，；，铸坯表面结晶器：qs=A-BssqtyyTKqtxxTK0000，；，qs二冷区：qs=h(Tb-TW)空冷区：qs=εσ[(Tb+273)4-(T0+273)4]t2.连铸凝固传热模型传热数学模型的求解（有限差分法）连铸凝固传热模型离散化差分方程O点：Tp+1Tp+[K(Tp+Tp2Tp)+h(TaTp)Δ]4t1T1,1p+1=T1,1p+[K(T2,1p+T1,2p-2T1,1p)+h(Ta-T1,1p)Δx]OA边：Ti,1p+1=Ti,1p+[K(Ti+1,1p+Ti-1,1p+2Ti,2p-4Ti,1p)+h(Ta-Ti,1p)Δx]A点2)(xC22)(2xCt21A点：Tm,1p+1=Tm,1p+[K(Tm-1,1p+Tm,2p-2Tm,1p)+h(Ta-Tm,1p)Δx]AC边：Tp+1Tp+[K(2Tp+Tp+Tp4Tp)])(xC22)(2xCttTm,jp+1=Tm,jp+[K(2Tm-1,jp+Tm,j+1p+Tm,j-1p-4Tm,jp)]C点：Tm,np+1=Tm,np+[K(Tm-1,np+Tm,n-1p-2Tm,np)]CB边2)(xC2)(2xCtCB边：Ti,np+1=Ti,np+[K(Ti+1,np+Ti-1,np+2Ti,n-1p-4Ti,np)]B点：T+1T[K(TT2T)h(TT)Δ])(xC2)(xCt2tT1,np+1=T1,np+[K(T2,np+T1,n-1p-2T1,np)+h(Ta-T1,np)Δx]BO边：T1,jp+1=T1,jp+[K(2T2,jp+T1,j+1p+T1,j-1p-4T1,jp)+2h(Ta-T1,jp)Δx]内部节点2)(2xCt2)(xCt内部节点：Ti,jp+1=Ti,jp+[K(Ti+1,jp+Ti-1,jp+Ti,j+1p+Ti,j-1p-4Ti,jp)])(xC2)(xCt收敛条件（1）对于绝热边界节点AC边、C点、CB边和内部节点（2）对于对流边界节点OA边A点B点BO边)(4)(2xhKxCt（2）对于对流边界节点OA边、A点、B点、BO边KxCt4)(2（3）对于角部节点O点)(2xCt在ΔX、ΔY一定时，Δt要从这三个数值中取最小值，)2(2xhKt才能满足上述差分方程的收敛和稳定性条件。2.连铸凝固传热模型二冷控制的冶金准则选择原则连铸凝固传热模型1）钢脆性温度的限制：矫直区避开脆性区2）铸坯表面冷却速度的限制最大冷却速度为200℃/m2）铸坯表面冷却速度的限制：最大冷却速度为200℃/m3）铸坯表面温度回升的限制：回升速率不大于100℃/m4）铸坯液相穴长度的限制：剪切区无液芯4）铸坯液相穴长度的限制：剪切区无液芯5）铸坯鼓肚的限制6）出结晶器坯壳厚度的限制上述冶金准则比较笼统尤其在凝固组织控制及偏析控制方面模型计算物性参数选择液相线、固相线温度热物性参数（密度、导热系数、比热）液相穴对流运动的处理凝固潜热Lf结晶器的热流密度结晶器的热流密度q=2680000-bJ/m2.s式中b=1.5(2680000-)/vL/qvLm/=Cw×m×ΔT/SeffJ/m2.s二冷区综合传热系数水喷嘴h042W0351(h的单位为k/2℃W的单位为l/2)q水喷嘴h=0.42W0.351(h的单位为kw/m2.℃，W的单位为l/m2.s)汽水喷嘴h=116+10.44W0.815(h的单位为w/m2.℃，W的单位为l/m2.min))冷却介质物性参数2.连铸凝固传热模型精确传热计算的依据参数选择准确连铸凝固传热模型参数选择准确测量浇铸钢种高温力学性能，确定脆性区间结晶器热流密度的现场测量，修正结晶器热流的计算公式tqBA计算公式二冷喷嘴物性参数的测定；经验公式与实测相结合的办法确定更精确的二冷区综合传热系数hq合的办法确定更精确的二冷区综合传热系数h通过射钉、测温等办法对模型计算结果反复验证2连铸凝固传热模型2.连铸凝固传热模型计算结果计算结果2连铸凝固传热模型2.连铸凝固传热模型拉速（m/min）2221201918171615拉速（m/min）2.22.12.01.91.81.71.61.5宽面足辊水量（