连铸工艺操作第五讲二次冷却的控制.pdf

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1、技术于义不讲理讲座技术讲座连铸工艺操作第五讲二次冷却的 控制叶枫上钢五厂玩已凝固的坯壳从结 晶器转移到 二次冷却时,热传递的条件将发生 根本的变化,在上节 中已详细地讨论了结晶器 内坯壳的形成机理,要求铸坯 在离开结晶器时,凝固的坯壳符合设计的形状,有足够的强度,并无裂纹。根据铸坯凝固热平衡的测 定计算,若钢水总热熔为,连铸机内各区散热 的比例为结 晶器一二 冷区一,辐射区印。可见结晶器散去 的热量仅占钢水完全凝固热量的左右,所以带液芯 的坯壳进人 二冷区接受喷水冷却,铸坯才能完全凝固。连铸坯凝固与模铸钢锭凝固的不同点是喷水冷却可使凝 固速度提高,但并不随着冷却速度增加,传热量成比例增 加 的

2、。因为 钢 的导 热 系数是一定的,由铸坯液芯 向外的传热速 度是随坯壳厚 度增加而减慢的。因此要尽可能改善喷雾水滴与铸坯表面的热交换,以提高二 冷效 率。但二次冷却又与铸坯缺陷,特别是 内部裂 纹、中心疏 松,偏析等密切相关,因此如何对 二次冷却的过 程 进行适 当的控 制是十分重要 的。目前,随着连铸技术的发展,自动配水技术已在连铸机上广泛采用,各种控制软件 内容非常丰富,但由于铸机的特性不同,生产的断面规格不同,生产的钢种不同,水量 的分布及喷嘴的形式、分布状况也不相同,各种软件不一定 能相互适应,实际生产上也会出现一些与二冷控 制有关的质 量 问题,因此适 当地了解二次冷却的基本原理,

3、对分析 生产过程 中出现的各种问题及 问题的解决是很有帮助 的,同时也有利于新 品种 的开发。二次冷却区传热方式及影响传热 的因素铸坯 由中心把热 量传到表面,而表面接受 喷水冷却,使温度降低,这样在铸坯内外形成了较大 的温度梯度,这是铸坯传热 的动力。二冷区铸坯表面热量传递方式见 图。图铸坯表面传热方式纯辐射喷雾水滴蒸发喷淋水加热辊子与铸坯的接触传导。对小 方 坯,二 冷区主要 是和两种传热 方式,而对板坯和大方坯则有上述四种传热方式,但 占主导地位的还是 喷雾水 滴与铸坯表面之间 的热交换。可用对流传热方程来描述这一传热过程连铸年第期必二一式中,热流,衬一传热系数,时毛一铸坯表面温度,戈一

4、冷却水温度,实际上热 流与铸坯表 面温度不 呈线性关系,说明二冷区铸坯传热除冷却水温度和铸坯表面温度有影响外,其它因素如喷水强度,铸坯表面状态对传热也有一定影 响。总的传热效果可归结到传热 系数,因此要 得到 良好的铸坯质量,就 是要得到二冷区铸坯合理 的值的分布也就是合理 的铸坯表面温度的分布。在连铸工艺确定 的条件下,了解喷雾水滴一与高温铸坯 的传热 系数是设计合理的二冷制度的基础。二冷传热 的影 响因素铸坯表面温度砰砰砰咬咬资资资一妙妙妙、,不、,川一一一、,八八,阅旧户,件件件件件们之间的关系以经验式表示咬式中一系数一一传热系数,时一常数一水流密度时。许多研究人员对与的关 系进行了实验

5、测定,总结 出不同的经验公式,虽然公式 的形式有差别,但总的趋势是在一定温度范 围内,水流密度增加热流增大。水滴速度水滴速度取决于喷水压力 和喷嘴直径。水滴速度增加,穿透蒸气膜而到达铸坯表面 的水滴数增加,提高了传热效率。试验表 明,水滴速 度 为、时。时,冷却效率分别为,、。水滴雾化程度水滴直径大小是雾化程度的标志。水滴尺寸越小,单位体积水滴个数就越 多,雾化就越好,有利于铸坯均匀冷却和提高传热效率。水滴平均直径是采用压力水喷嘴,一以卿气水 喷嘴,一脚。水滴越 细传热 系数越高,见图。自心白曰女盆赵栩照蔽水喷嘴奋斗表面温度图表面温度与热流关系由图可知,热 流与铸坯 表面温 度不 是 线 性关

6、系,可分为三种情况脆,热流随 叭 增加而增加,此时水滴润湿高温表面为对流传热公,随温度提高热流下降,在高温表面有蒸气膜,呈沸腾状态,热流儿 乎与铸坯表面温 度无关,甚至于呈下降趋势,这 是因为高温铸坯表面形成稳定蒸气膜阻止水滴与铸坯接触。可是 在 二 冷区,铸坯 表 面 温度是 在范 围内,因此只有 通 过 改善喷雾水滴状况 包括速度 和雾化程度才能提高传热效率。水流密度水流 密 度是 指铸坯 在单 位时 间单 位面积上所受的冷却水量,水流密度增加,传热系数增大。它组水流密度耐八工刁一了几门的准之侧。一拓眼蒸竺图两种喷嘴传热系数的比较喷嘴使用状况喷嘴堵塞,喷嘴安装位置和新 的喷嘴等对传热也有重

7、要影 响,因此要 注意对二冷水质的处理和喷嘴的定期检修。二次冷却区铸坯的凝固速度二冷区的喷水冷却加快了铸坯的凝固速度,根据液相穴凝固前沿释放 的凝固潜热等于凝固壳的传导传热原理可得下式五口亘二业。卜少竹技术讲座,双一毛厂声具寿卜才 异二一,心五式中爪一钢 的导热系数,一坯壳厚度,厂钢密度,扩衬卜,凝固潜热,吨一凝固前沿温度,一铸坯表面温度,一时间,一凝固系数,“训丽而。由上式可知,二冷区坯壳的生 长服从于平方根定律,由于冷却水直接喷射到铸坯表面上,冷却强度较大,凝固速度较快,当誉时铸坯就全部凝固,图、”一一以、一“”“”毋“一显示了比水量与凝固系数之 间 的关系,从 此式可见,坯壳凝固速度取决

8、于二冷水量。咫丫口叫二巴窝荡嗬阿聋匕水量图小方坯 的凝固系数与冷却强度的关系二次冷却水量控制方法随着连铸技术的发 展,自动 配水的应用已越来越广泛,但目前还是有人工配水的铸机,因此从大类来分,二冷水量控制方法可分为 人工配水及自动配水。人工配水人工配水方法 一般是 由工艺设计好配水表,按不同的钢种,不 同 的断面及不同拉速 对每段 的水量值按一定 的冷却强度计算好,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,或用红外辐射测温计测 量 二 冷区出口铸坯 的表面温度,适当调整水量,使铸坯表面 温度控制在拭左右,达到水量控制的目的。

9、由于人工配水受到人 的工作责任心等人为因素影 响,特别是拉速变化时水量控制的滞后 现象、控 制精 度也差,难以保证 铸坯 的质旦些。二次冷却水量自动控制二 次冷却水量控 制有采 用智能型调 节 器控 制的,也有用计算机控制的,每一种控制都有一定 的数学模型,常用 的数学模型有比例控制法即二冷的水量按拉速成一定比例地控制。实际与人工控制的计算方法相同,仅是用或计算机的指令来控制水阀门的开度,使水流量接近设定值,此时流量计一会将流量信号反馈到】以二,经过】对信号的处理及比较,然后再调整 阀门开度,使水量精确地控制在设定值上。比例法是方坯连铸机使用最广泛 的控制方 法,它的数学模型通常为式 中一二次

10、冷却总水量,一拉速,耐、分别为系数。然后再分解为为各段 的分水量。其中二艺表示总水量是各段分水量之和。一般比例法水量 自动控制 的设计,在拉矫机人口处装有红外光学测 温计,用于测 量铸坯进入拉矫机前的表面温度即二冷 出口温度,并将这个 温度测量值送人或计 算机,与工艺设定 的该钢种的二冷出口表面温度进行比较,并将该比较值反馈到最后一段的水量控制系统,即离拉矫机最近的一段用以补偿调节该段 的水量,最大调节量占该段分水量 的一,以使铸坯 表 面 温度能 达 到设定值。这种 设计思想在方坯连铸机中应用 十分广 泛,但该设计在实践使用后,发 现存在问题。比例法 的水量与拉速 的关系曲线一般是经过零点的

11、带有斜率的直线,而所有 的雾化喷嘴按其特性,都有一个最小雾化流量或雾化压力,因此在实际使用过程中,当拉速与之对应 的流量 小于最小雾 化流量时,喷嘴没有雾化水喷出,加之有些铸机的喷水段设计得较长,一根喷水管上装有十多个喷嘴,由于重力的作用,此时只有下部喷嘴有水、上部喷嘴没有水,其实际水量的分配正好与连铸工艺要求的上部水量应比下部水量大的规律相反,因此 每当拉速处于这个 临界速 度时,就容易发生事故,因此建议将数学模型修改为连铸年第期丰千状品均匀生 长某些柱状 晶优先 成长一一一朽一 一,涯一检概一工一之一一心韶淤 砂贺一当。时令一码二式 中为起始 喷水拉 速,为起始 喷水量即最小雾化喷水量。实

12、践证明,这样修改后 可保证喷嘴工作 时 的雾化特性。其次 喷水管在结构上也应作改 进,上部几只 主要喷嘴与下部喷嘴间应 有 节流装置,进水管接在上部,这样可保证上部有水,且水量比下部强,或采用分小段 的办法,但分小段后,阀门、仪表、管路都要增加,投资提高,操作维修也不方便。参数控制法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 表 面实际温度符合目标 温度时,各冷却段水量 的控制参数、,建立符合二的一元二次方程式的数学模型,同时将、这些参数储存于计算机或智能仪表 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。目标表面温度动

13、态控制法此方法是考虑到钢种,拉速及浇铸状态,由计算机对二冷配水控制数学模型,每隔一段时 间计算一次铸坯表面温度,并与考 虑 了二 冷配水原则所 预先设定的目标表面温度进行比较,根 据比较的差值结果,给出各段 的冷却水量,以使得铸坯 的表面温度与目标表面温度相吻合。参数控制法及目标表面 温度动态控制法,一般用于板坯连铸机 及部分大方坯 连铸机,大部分的方坯连铸机使用 的数学模型还 是比例控制法。皿柱状树枝晶搭接成“轿”、锭”凝固并产牛缩孔卖际铸坯 的宏观结构图“小钢锭”形成示意图飞飞置置蓄蓄蓄沙沙沙沙沙沙些些些些圈圈圈那那旗旗翼翼翼到到三从从从从从剑剑剑目目共共霎霎霎寻寻寻寻寻寻寻寻寻寻歹歹歹歹

14、歹歹歹浏浏浏浏滚滚滚滚,火灸灸灸、,产、,、尹、冬、州州柱状晶生长自由等轴 晶生长班等轴晶凝司流动 的两相区在冈一性的两相区内钢水的渗透衬“通道的形成且中心线上“通道”的形成完全凝固二次冷却对铸坯低倍结构的影响图“,型偏析的形成二二户少 导七早振铸坯在二次冷却区内的凝固过程大致如图所示。由图可知,柱状晶开始均匀生 长由于铸坯传热的不均匀性,导 致局部区域柱状晶优先生 长。优先生长 的柱状晶在某一 局部区域两边相对连接,或者等轴晶的下落,被柱状晶捕集而形成“搭桥”。液相穴 内钢液被“凝固桥”分开,桥下 面 的残余钢液凝固时的收缩,得不 到钢水的补充而形成疏松或缩孔,并伴随有严重 的 中心偏 析。

15、从图可 见,当铸坯凝固到 中心 时,钢液在固液两相区内流动,偏析形成的浓化钢水通过两相区内的“通 道”往 下 流 动,在临近最后凝固的时候,浓化钢水在通道 中形 成了“”型偏析。小方坯凝固结构 中搭桥的形成,加 剧 了溶质元素、的中心偏 析,在热加 工或热处 理 时,吐热度图浇注温度对凝固结构 的影响导致不均匀的马氏体转变产物,容易产生脆断,这对技术讲座于高碳钢铸坯用 于轧制线材产 品是一个特殊 问题。就宽,这已被 大量 的实践所证明,见 图,低过热度从上 可见,铸坯 在结晶器的激冷下形成了表面浇注是扩大等轴晶区的有效手段,但操作难度增加。的细等轴晶,随着二冷区喷水冷却,铸坯 内外温度梯控制二

16、冷区冷却水量对铸坯低倍结构有一定影度加大、形成了发达 的柱状晶、由于 晶核的沉积及过响,冷却水量大,铸坯表面温度低,横断面上温度梯冷度的形成,中心出现了粗大 的等轴晶结构,并伴随度大,有利于柱状 晶生长,柱状晶区就宽而降低二着“小钢锭结构”的缩孔、疏松及 中心偏析 的产生。冷水量,可使柱状晶宽度减小,等轴晶区有所扩大,连铸坯中的柱状晶区和等轴晶区的相对大小 主但钢的凝固系数下降,液相穴增长。要取决于浇注温度即过热度,过热度大,柱状晶区上接第页每吨钢 节 约煤气砰,按煤气 实际成本益为元详见表,并使心机组加热炉 的价元砰计 算,吨 钢合元吨加热能力提高,而且降低了轧辊 的消耗。表吨钢部分成本降低

17、情况统计 元加快一了资金 周 转,使 炼钢一轧钢生产从原 料项目库存利息节约煤气人炼钢炉到轧成 钢材 的生产周期降低到数小 时,减实际成本价、少吨钢库存占用资金 的利 息 为元烧损成材率运输成本合计。从 轧钢机组统计的数据方坯热送烧损一土竺一一一二些 翌一一二巨竺率降低,成材率提高看每吨钢可增效连铸坯热送热装是一项投 资小见效快、节能效元。果显著的实用技术。该项技术的应用在降低生产成运输 成本 变 化。按实际成本铁 路运输价本、改善加热质量、节 约 能源、增产增效方面将起 到元计算,铁路每吨钢运费为元重要作用。本文所述其设备选型、运输方式和保温,到 由辆汽车运输吨钢 需元左 右措施的选择,对国

18、内其它厂具有一定 的推广借鉴 意,吨钢仅增加成本元。义。只要领导重视,技术措施得力,连铸坯热送热装以上各项 累计按实际成本价计算每吨钢增加效定能在 国内轧钢系统日益推广。上接第页“表面 温度控制”系根据目标要求的铸坯表面温度,来制定各扇形段的喷水量 而与拉速快慢无关。例如在铸坯表面温度在第三段出现较大波动时,通过 反馈到系统 中,利用模型可计算出第四、第五段的喷水量以确保此波动逐渐减小。由于通过控制二冷强度可以达 到控制膨肚,在“限制朦肚控制”模型中,根据铸坯厚 度、钢 坯静压和辊距可计算出喷水量。应用该模型,一方面可在低拉速下使矫直区或凝固末端的铸坯表面温度升高。另一方面,可严格控制铸坯 的

19、横向偏差。这对于象铁素体不一锈钢具有 明显蠕变行 为的钢种的连铸具有重要的意义。巧系统已在美国的阿姆科钢铁公司、钢铁公司、南非的伊斯科钢铁公司、巴西的钢铁公司、印度的应用。实测的铸坯表面 温度与计算 的结果之间 的最大偏差是,平均偏差为。侯巍摘自叨班永卯亚历 山大国家钢铁公司订购设备埃及亚历山大国家钢铁公司已与德国施罗曼西马克公司就订 购一套设备签订了合同。以前该公司专门生产长材,但不久的将来将用最新的设备生产热带钢,该设备安装在靠近亚历山大的埃尔杜海莱厂。此设备的年产能力为万吨,建设期为个月。此连铸机一期投产的为单流,将来拟扩展为双流,最终年 产 能力约 为万 吨。此 机 所 用的钢水 将 由原料为 直接还 原铁的电 炉提 供,将浇 铸 宽 度 为侧刃义、厚度为的薄 板坯,生产钢 种 为优质合金钢。该连铸机将来拟采用液芯压下技术,以便生产更 薄的板坯。机架轧机可将薄板坯轧制成最薄为厚的带钢。连铸机和轧机 的所有机架都将安装公司在其它设备上已被证实 的最新的可调机构和控制系统。马续香摘 自,。