连铸二次冷却的复合控制

《连铸二次冷却的复合控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《连铸二次冷却的复合控制（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四部分 连铸二次冷却的复合控制 冷继元李世权 新连铸公司 许多企业从市场要求和企业发展的需要，凋整产品结构，特别是生产建筑钢 材和圆钢为主的企、峨提出生产品种钢的要求。亚新连铸公司最近通过机钢转炉 厂3 # 、4 # 连铸机投产，韶钢炼轧厂和中天转炉厂连铸机的改造取得一定的经验。 本文重点对二次冷却技术进行论述。 二次冷却区铸坯凝固传热理论要点 连铸坯凝固过程中，通过坯壳外表面向外散热。热流通过三个环节：钢液向 结晶前沿对流及传导传热；坯壳内部固相传导传热；铸坯外表面向环境散热，其 中包括二次冷却喷淋水的升温热量和部分水汽化带走的热量。当处于稳定态传热 系统，这三个环节的热流量是平衡的，对坯

2、壳而言，内表面( 即结晶前沿) 温度 为钢的固相线温度，外表面温度决定于坯壳的热阻和外表面的散热条件。在弧形 段上，同位置铸坯表面温度应该是稳定于一个很小的波动范围内，因此辐射和 周围空气带走的热量是基本匣定的。 生产中所能使用的调控手段就是二 次冷却喷淋水，当喷淋水量加大、坯 壳表面温度下降，坯壳内温度梯度加 大、热流增加、凝固速度加快。 这样可设想如图1 的铸坯凝固过 程温度模型，该模型可分成三个区域 即中心过热钢液区、粘稠的两相区和 固态凝壳区。固相线温度和液相线温 度取决于钢的成分。固液相线区在生 产条件下，如结晶器振动，拉坯牵引 等挠动下，应该是比较稳定的。一般 出现超过平衡的过饱和

3、温度( 过冷区) 条件较差。即使出现，温差和范围也较小。 第四部分 两相区是控制结晶形态的关键区域，两相区窄柱状晶发育条件良好。而影 响两相区宽窄范围的因素主要是钢水的过热度。过热度大两相区窄，柱状晶更发 达，过热度低两相区相对较宽，利于等轴晶的生成。 连铸二次冷却的理想目标 连铸二次冷却的目标： 最大限度抑制柱状晶的发育，得到尽可能大的等轴晶区域； 连铸坯坯壳表面温度，从结晶器出口到进入拉矫机，坯温从约1 2 0 0 均匀降 温到铁碳相图A r 3 线以上。由于G 点温度为9 1 0 。C 。为此控制进拉矫机铸坯表面 温度大于9 0 0 。C ，可避免矫直裂纹。还要控制喷嘴下铸坯表面温度。禁

4、止过冷到 低于A r 3 线以下，即防止黑印出现，并且铸坯经过该区后表面回温不过大，回温 控制不超过1 0 0 。( 2 。同时控制矫直温度不超过1 0 0 0 。C ，坯温度过高铸坯表面氧化 严重，氧化铁皮量大，金属损失大； 连铸坯周边冷却均匀，防止应力不均引起脱方； 冶金长度，即凝固终点位置稳定。特别在采用凝固末端电磁搅拌( F E M S ) 和拉矫轻压下时更要控制凝固终点位置波动范围； 流行的二冷水量A B C 理论，即二冷水量计算的二次方程。 Q = A v - 2 + B v , 2 + C 该方程建立较难。可以通过生产经验数据。用二元回归的方法求得A 、B 、c 。 但1 旦生产

5、条件变化，生产钢种调整。二次方程系数即要重新设定。可操作性差， 现场技术人员很难操作。在实际使用中往往将该公式转化为u R ( 比水量) 一 Q 水表，通过查表输出控制水量。由于水表编制难度大，往往根据经验填写原始 水表，主观随意性加大。 因而一些普钢长材生产钢厂往往使用人工设定，超大固定水量的连铸：冷操 作，往往比水量达到1 8 2 1 k g ，足辊水量比达4 0 以上，铸坯黑角、坯面黑印 明显，铸坯内部热应力很大、内裂、缩孔严重。同时二冷喷淋段过短，二冷区后 1 固温严重，铸坯表面温度过高，表面氧化铁皮层较厚，金属收得率降低。这种方 第四部分 式很难用来生产品种钢。 这里要指出，在超大水

6、量，过饱和和二次冷却时，二冷水的温升低，有效利 用率差，如图2 所示。超大水量过饱和二次冷却喷淋下，考虑控制方程的意义是 不大的。 随着连铸生产的发 疑铸机操作日趋稳定，在 稳定拉速的条件下，笔者 曾提出定比水量，并根据 喷嘴及管路特性，分段设 钱最大最小水量限制的 二：冷控制模式。按拉速单 参数控制水量，简便了操 作，在一些铸机上实现了 闭环二冷水控制，取得一 定效果，满足了大多数钢 种的需求，其综合配水曲 圈Z 不同比7 I c 骨# 线如图3 。从图3 可见该控制线并非直线，但存在直线区。它的不足是在直线区 拉速小范围变化水量仍按线性调整，尚不足以完全适应要求很严格的钢种的要 求。 第四

7、部分 总 水 量 Q 值 拉速v c 图3 定比水量控制总水量特征示意图 通过生产情况分析发现，现用的各种二二次冷却配水方式存在缺陷，即大多采 用各段同时实时控制。在生产中，当拉速变化时，首先是结晶器出口的坯壳单元 温度逐渐变化，拉速稳定到“必要”时间后从结晶器出口的坯壳单元温度才重新 趋于稳定。铸坯下行过程中经过不同的时间该单元铸坯才逐渐到达各个二冷段， 如果各冷却段都随拉速变化实时调整喷淋水量。则造成出L | 单元前面，已经到达 各冷却段不同位置的铸坯单元承受了不同量的增减水量。这就在不同程度上造成 这些铸坯单元过冷或冷却不足。因此为保证铸坯表面温度在拉速调整时仍保持均 衡，应根据不同情况

8、按铸坯单元到达的位置进行合理的滞后控制。 各个冷却段距结晶器距离不同，对连铸坯的结晶结构影响不同，采用同一的 控制方式，难免出现误差，偏离结晶规律。因此在充分论证后，对各冷却段的冷 却区别对待，采用不同的控制方式。 0 段( 足辊段) 的冶金任务和冷却控制 从结晶器内拉出的进入0 段的铸圩襄面温度较高，但凝壳厚度较薄，坯壳内 温度梯度大，热流大，在结晶器内开始生长的柱状晶快速发育。要想得到等轴晶 面积较大的铸坯组织结构，应从0 段开始抑制柱状晶的生长，在保证坯壳坯厚要 求及铸坯形状的前提下，尽可能限制0 段的喷淋强度( 单位面积铸坯，在单位时 第四部分 问内的喷水量f d m 2 m i n

9、) 。特别要防止0 段出现黑印。黑印的出现表明冷却水 从铸坯表面取走的热量大于钢液传给坯壳的热量，表明水最过大。南于有较高的 温度，在坯面上形成的蒸汽膜较稳定，较大的喷淋强度下汽膜外的水膜层亦较稳 定，水滴较难穿透该膜到达坯面，因此水的利用率较低。由于足辊较密，间距又 小，相当一部分水喷在结晶器下法兰和辊子上，进一步降低了水的利用率，为提 高水的有效利用率，笔者认为O 段似更应采用气水雾化工艺。 生产经验表明0 段用大水量冷却，可获得外形较好的铸坯，特别在结晶器状 态不良时，O 段大水量可避免脱方加剧。这是因为，在大水量下，坯表面温度较 低，温度梯度较大，热流强度大，坯壳快速增厚，刚性提高，加

10、大了对变形的抗 力。很显然，0 段采用超大水量，在许爹睛况下是出于“无奈”，但同时也带来 ，柱状晶过度发育，铸坯内外裂纹的缺陷。因此进一步探讨合适的0 段水量比实 有必要。适当加大0 段的喷淋强度，使坯壳适当快速增厚，减少脱方可以理解， 但过高的喷淋强度是有害的。 可见，由于坯温高，热流强，为保证坯表面温度不回升过量，应该设鼍较大 的喷淋强度；在满足凝固及铸坯形状良好的前提下，0 段水量要尽可能小，防止 柱状晶生长势头过旺；由于水利用率低，供水量要给予适当补充，在喷淋强度计 算中加以扣除。0 段水的有效利用率平均为6 0 一7 0 ；0 段喷嘴对中，周边喷 淋均匀，防止喷嘴堵塞，结晶器和弧形段

11、的对弧是防止铸坯脱方的重要因素，要 给予足够的重视。 一般0 段区长度仅为O 5 m 左右，喷游强度大，甚至过饱和喷水，水有效率 低，在此段考虑比水量与拉速的调节二次方程意义不大。在分段水量控制中，采 用定比水量，0 段水量随拉速比例调节即可满足生产要求。由于水量大，长度短， 所选喷嘴流量大，为保证良好的雾化程度，要在0 段设最小水量，最小水量约为 喷嘴额定水量的4 0 一5 0 。生产过程中l 临时停机或拉速为0 时，为防漏钢，要 延时关闭0 段水。 l 、段的冶金任务和控制 连铸坯通过I 、I I 段后凝固层厚度达到6 0 8 0 ，这两段是控制铸坯结晶组织 状态的最重要区域。 第四部分

12、如果铸坯表面温度过低，坯壳内外温差大，柱状晶将快速生长，甚至在本段 或以后的凝固中形成穿晶，晶界搭桥，造成缩孔，严重的形成小钢锭结构。凝固 速度快，凝固层内热应力，组织应力过大，是造成中间裂纹的重要原因。 采用铸坯“热行”的操作，较高的铸坯表面温度，较低温度梯度抑制柱状晶 长势，在凝固前沿将形成一层适合等轴晶生成的固液相线间的温度区间，可以设 想为等轴晶是分层并逐层由外向内凝固。 在结晶器内形成，在0 段发展的缺陷如脱方，表面裂纹等，将在本段内表现 出来( 或观察到) ，如控制不好一水量过火或对中偏差，这些缺陷将进一步发展。 由于这一段相当长，一般I 段占弧形6 8 。，I I 段为1 5 -

13、 - 2 5 。，总长大约 为凝固长度的5 0 左右。由于拉速变化，铸坯通过这一段的时间将明显的延长 或缩短。为保证相对准确的凝固终点，为保证通过这一段的每一单元铸坯有比较 接近的喷水量，拉速变化时比水量应作相应的调整，即 1 ， 一” R = R I ( 1 一K ( 2 u ) ) ( 1 ) V i 一1 由于水量是拉速的比例函数 Qj = R i v i 将( 1 ) 式代入( 2 ) 式即 Q = 口H 2 + 6 U + c ， ( 2 ) 式( 3 ) 没有考虑钢液过热度及环境因素的影响，而且二次方程系数难求， 可操作性差，不如用( 1 ) 、( 2 ) 两个方程联立求解更方便可

14、行。 二冷末段的冶金任务及控制 铸坯通过0 段、I 段及I I 段的冷却凝固，进入I I I 段时，只剩下约巾5 0 m m 左 右的液芯，此时坯壳已相当厚。通过坯壳的热流更趋于稳定，即便使用较大水量， 也只把喷嘴下铸坯单元近表面一层的热量过度取走，降低了表面温度，由于这一 段喷嘴布置稀疏，该低温区的铸 坯单元向外散热减少，又利用芯部传来的热量补 充，表面温度回升，过大的表面温度波动将形成龟裂等缺陷。因此本段的冶金任 ：； 务主要着重于表面温度控制，尽量使表面温度不过大波动，不允许有低于9 0 0 。C 第四部分 的黑印区及较大国温区，使进入矫直的铸坯表面温度不低于9 0 0 ，避免矫直裂 纹

15、，使表面温度不高于1 0 0 0 ，防止表面过度氧化，降低金属收得率。适当加 长空冷区，甚至加设保温罩减少热流强度，稳定铸坯表面温度，是消除表面二次 裂纹的有效措施。对要求表面质量严格的钢种，如无缝管坏，可考虑采用。 本段是铸坯的最后凝固区间。凝固收缩空间需要尚未凝固的钢液补充，如穿 晶搭桥等因素造成补充不及时即出孔缩孔及疏松。在本段未凝钢水温度已相当 低，接近或已处于固液相线问的两相区，钢水流动性相当差，因此加大铸机弧形 半径，提高铡水静压，有利于减少缩孔及中心疏松。采用末端电磁搅拌( F E M S ) 及轻压下，可减少和消除缩孔及中心疏松，但前提是必须有稳定的凝固终点。 因此二冷末段水量

16、在拉速提高时，水量相应提高，采用定比水量随拉速调整 就能保证生产的要求；并可通过检测( 仪表检测或目测) 铸坯表面温度，根据温 度波动，用C R T 上的软件按钮调整本段水量，直到进拉矫机时的铸坯表面温度 满意为止。 滞后控制 由于各段距结晶器出口距离不同，在拉速调整时，出结晶器的那一单元铸坯 到达各段的时间相应滞后，为此各段水量的调节相应设置不同的滞后时间。 钢水过热度对二冷控制的影响 从前述可知，在这里可人为参与调控的参数仅为铸坯表面温度和钢水过热 度。在钢水过热度大时，可加大比水量降低铸坯表面温度，以增大坯壳温度梯度， 加大热流将过剩热量导出，但表面温度降低受铸坯质量的制约，因此过热度大时 比水量调整的范围有限。只能降低拉速延长冶金长度，使凝固终点前移，又增大 了两相区矫直裂纹的风险，同时还不利于轻压下和F E M S 的操作，所以为保证 品种钢质量，冶炼必须提供合适温度的钢水。