扁锭的液芯加热和液芯轧制

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.01.001 北京钢铁学院学报 第9卷第1期 Journal of Beijing University Vo1.9 No.1 1987年1月 of Iron and Steel Technology Jaa,1987 扁锭的液芯加热和液芯轧制 高仲龙 张欣欣 顾载明 刘振东 (热能系) (本溪钢铁公司) 摘 要 建立了反映扁锭恃点的钢锭冷却和加热过程的二维数学模型。用该棋型对本钢 10,866吨扁锭的浇后冷却过程以及在单侧上烧嘴式均热炉内的加热过程进行了计算， 由计算得出扁锭实现液芯加热和液芯轧制应该控制的装炉热状态、在炉时间以及温热 制度等工艺参数。通过现场实测验证计算结果可信，说明数学棋型可用，上述工作为现 场制订扇锭的液芯加热和液芯轧制操作规程提供了理论依据、在本钢进行了51炉、679 吨扁锭的生产性实验，实验结果表明该项节能工艺是成功的，并取得了重大经济双益： 1.提高均热炉生产能力1.5倍； 2,降低热耗0.795X106kJ/t(ingot); 3.节电3.12kW:h/(ingot); 4.减少氧化烧损0,5%. 关键词：钢锭液芯加热.液芯轧制 Reheating and Rolling of Slab Ingots with A Liquid Core Gao Zhonglong Zhang Xinxin Abstract A two-dimensional mathematical model describing the colling and rcheating characteristics of slab ingots has been established,Based on this model,the simulative calculation has been carried out for the colling process of the slab ongot weighted 10.866 ton from pouring to charging and the reheating process if them in the soaking pits with one burner at one side wall. The parameters,such as the thermal states of slab ingots in colling and 1986-04一03.收稿· 1

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 。 扁锭的液芯加热和液芯轧制 高仲龙 张欣欣 顾 载明 刘振东 热能系 木溪钢铁公司 摘 要 建立 了反映扁锭特点的钢锭冷却和加热过程的二维数学模型 用该模型对本钢 吨扁锭的浇后冷却过程以 及在单侧上烧嘴式均热炉 内的加热过程进行了计算 ， 由计算得出扁锭实现液芯加热和 液芯轧制应该控制的装炉热状态 在炉时间以及温热 制度等工艺参数 通过现场实测验证计算结果可信 ，说明数学模型可用 。 上述工作为现 场制订扁锭的液芯加热和 液芯轧制操作规程提供了理论依 据 、 在本钢进行了 炉 、 。 吨 扁锭的生产性实验 实验结果表明该项节能工艺是成功的 ，并取得了重大经济效益 提高均热炉生产能力 倍 降低热耗 “ 节电 减少氧化烧损 终 关键词 钢锭液芯加热 液芯轧制 夕 夕 一 ， ， 士 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．01．001

reheating processes,the reheating time and the reheating stratagy which have to be controlled for the reheating and rolling of slab ingots with a liquid core have been given from the calculating results.By comparison the actural data to the outputs of the model,this model is availiable for the industrial proce- sses.These researches memtioned above are the theoretical basis for the ind- ustrial test and the actural production. The 51 charges of slab,ingots total weighted 6769 ton)have been tested at Benxi Iron Steel Company,the test results show that the research is succeessed in saving power and the economic benefit is remarkable,such asi 1 Raisng the production of the soaking pits by 1.5 times, 2 Descreasing the heat comsumed by producing 1 ton slab ingots by 0.795×106kJ: 3 Saving power 3.12 kW h/t (ingot (4 Descreasing the oxide of steel by 0.5%. Key words:ingot,reheat,roll 前 言 钢锭的液芯加热和轧制可以金面改善均热炉的技术经济指标，取得大幅度节约能耗（燃 耗和电耗)、减少钢锭烧损和提高产量等明显的经济效益，这些效果已为国内外所公认。我国 对方型断面钢锭的液芯加熱和轧脚已经系统地做了工作，并纳入正常生产〔1”。对于扁锭也 开展了这项节能工艺的研究，并取得了成功。1983年~1984年北京钢铁学院与本溪钢铁公司 合作对本钢的10.866吨扁锭的液芯加热和液芯轧制进行了大量的理论研究和现场试验工作， 并于1984年12月通过了冶金部技术鉴定。1985年获得冶金部颁发的在治金生产中取得重大经 济效益的科研成果二等奖。该项研究已经正式纳入生产，1985年该项节能工艺的产量占本钢 该锭型产量的30%。 1数学模型 方型断面液芯钢锭的冷却和加热，工程上用圆柱体导热的数学模型进行计算即可满足需 要〔2,3)。对于扁锭可以把矩型断面处理成圆桶壁的导热问题，共计算量也将显著减少。考虑 到扁锭街面各点温度在热交换过程中的差别较大，为了更细致地分析扁锭热状态的特殊性， 这里采用矩形断面柱体的导热来解决液芯扁锭的传热计算〔4,5)。 1.1基本假设 （1)将扁锭视为无限长矩形断面柱体，即二维传热问题， (2)一批钢锭是同时浇注、脱膜和装出炉； (3)枫锭的热物性为各向同性，仅为温度的单值函数，忽略密度变化和氧化铁皮的影 响 2

， 王 ， ， 巨 卫 ， “ ， 、 犷 火 ， 义 前 言 钢锭 的液芯加 热和 轧制可 以 全面改善 均热炉 的技术经 济指标 ， 取 得大幅度节约 能耗 燃 耗和 电耗 、 减少钢锭烧损和 提 高产量 等明显的经 济效益 ， 这 些效果 已为国内外所公认 。 我 国 对方型 断 面钢锭 的液芯加热和 轧制 已经 系统 地做 了工 作 ， 并纳 人正 常生 产巾 。 对 于 扁 锭 也 开展 了这 项节 能工 艺 的研究 ， 并取 得 了成功 。 年一 年北京钢铁学院与本溪钢铁 公司 合作对 本钢 的 吨扁锭的液 芯加 热和 液芯 轧制进行 了大量 的理论 研究和现场试 验工 作 ， 并于 年 月通 过 了冶金 部技术鉴定 。 年获得冶 金部颁发 的在冶金生产 中取得重 大经 济效益 的科研成果 二等奖 。 该项研究已经 正式纳 人生 产 ， 年该项节能工 艺的产量 占本钢 该锭 型产量 的 。 数 学 模 型 方型 断面 液芯钢 锭 的冷却和加 热 ， 工 程上 用 圆柱体导 热的数学模型进 行计 算即可满足需 要 。 ， 〕 。 对 于扁锭可 以把矩 型 断面处理 成 圆桶壁的导 热问题 ， 其计算量 也将显著减 少 。 考 虑 到扁 锭断面 各点温度在热交换过程 中的差别较大 ， 为 了更细致地分析扁锭热状 态 的特殊性 ， 这 里采 用矩 形 断面 柱体 的导 热来解决液芯 扁锭 的传热计 算〔 ， 〕 。 基本假设 将 扁锭视 为 无限长矩 形断 面柱体 ， 即二维传热 问题 一批钢锭是 同时浇注 、 脱膜和装 出炉 钢 锭 的 热物性为 各 向同性 ， 仅 为温度 的单值函数， 忽略密度变化和氧化铁皮的影 响

(4)炉气为温度均匀的灰介质： (5)炉墙各层间的接触热阻忽略不计，并且将炉墙处理为仅在厚度方向导热的-一维问 题， 1.2本方程 1.2.1过热过程钢液的温变方程 ViPCp) T,>T,",t>0 (1) 1.2.2钢锭液相部分的导热方程 pcp,0=是(K,股）+品(K,册）(ye)(2) at 1.2.3钢锭两相区的导热方程 p.cp.-是（K.8肚）+品(K.）+p.H,票 at (x,yE91,) (8) 1.2.4钢锭固相区的导热方程 .cp,邵=2(K.股)+是(K,G）(ye.）(4) at 1.2.5钢锭凝固状态的数学模型 设钢锭固相区和两相区、液相区和两相区分别由明确的界面分开，界面方程分别表示为 F:(x,y,t)=0 (5) F2(x,y,t)=0 (6) 按基本假设，有p,=P:s=ps,则在界面上分别有： (T,(x,y,t)=T1,(x,y,t)=T F2(x,y,t)=0 (7) Ki.of=KT On On T.(x,y,.t)=T.(x,y,t)=T.' F1(x,y,t)=0 (8) K.OT.=K.OT On 两相区内，凝固率f,和温度的关系可以表示为： f.=1-(T1(x,y,t)-T.)/(T-T,) (9) 1.2.6钢锭模的导热方程 p.c.00=R(Ka股）+》(Ka部） (x,yeQm) (10) 1.2.7炉墙的导热方程 -cp0=品(K2股） (0<x<S,) (11) 3

炉气为温度 匀匀 的灰 介 质 〔 炉墙 各层 间的接触热阻 忽略 不计 ， 并且将炉墙处理 为仅在厚度方 向导 热的 一维 问 了 甚本方程 过热过程钢液 的温变方程 ， 。 令 · 二 一 。 一 ‘ 。 钢锭液相 部分的导 热方 程 。 ， 令 二 斋 会 · 备 ‘交， 箫 一 〔 。 】 ， 钢锭两 相 区 的导热方程 。 ， · 斗扮 贵 澳若护 一 · 贵 旦里上 、 〔 。 。 ’ ， 钢锭 固相 区 的导 热方 程 ， 。 日 ，， 、 口 ，二 。 、 ， 、 尸 。 尸 粉 一二－ 一 丁一一目 一 ‘ 、 一代二一一 一 十 一丁一 一 屯 一丁一一 火 入 ， 了 之 食‘ 。 ， 廿 口 口 钢 锭凝 固状 态 的数学 模型 设 钢锭 固相 区和两 相 区 、 液 相区和两相 区分别 由明确的界面 分开 ， ， ， ， 界面方程分别表 示 为 按基本 假设 ， 有 一 二 。 二 ， ， ， · ， ， ， 则在界面 卜分别有 、 ， ， ， 今 一 、 吞 户、 护 一叭一 ︸ 、 ，， ’ ， 。 八 － 口 ‘ ‘ ‘了、火 ， ， ， ， 二， ，二 ， 上、 － “ 二 、 一 一 二 口 口 一 两 相 区 内 ， 凝 固率 。 和 温度 的关 系可 以表示 为 一 。 ， ， 一 ， 一 。 钢锭模 的导 热方 程 。 。 口 ，二 口 。 、 口 二 二 、 ， “ 飞疚 一 介 “ 一丽 一 十 花万 八。 一 吞歹一 、 入 ， 〔 炉墙 的导热方程 ， ， 夕蕊 ’ 口 。 ， － 八 ， － 者 谷 口

1.2.8炉气的温变方程 V.C.-B((1-n).Q.+CrTr+aLoC.T.-V.C.T.)-Q.. -Q:。-Q损 (12) 1.3初始条件和边界条件 , 1.3.1初始条件 以钢水浇注温度做为全过程的初始值，其 2n 它过程分别以其前过程的终值作为它的初始 F (x.y.t)=0 值。 89s 08 1.3.2边界条件 F2(xy,t)=0 91,3 80m (1)钢锭表面换热（参见图1） a模内冷却 -K.OT. a2,=（1-AA)F,m0o 图1钢锭和锭模的计算区域和边界 〔(T.+273)4-(Tm+273)4) Fig,1 The Calculating region and boundaries of a slabingot and +AAK.m 、 OT (13) its mold 6n 0'm b模外冷却 -K,8 0n02.=F,00(T,+273)4-(T+273))+H.(T.-T.)（14) c炉内加热 X MS K,0T, 09,=Ft:00〔(T:+273)4 -(T。+273)4) +Fm:00〔(Tg+273)4 “(T:+273)4] +H:,(T:-T,)(15) (2)炉墙表而换热（见图2） a内表面 图2炉墙的座标和边界 K.0股k.0F(T+273) Fig,2 The coordinate and boundaries of the pitwall -(T,+273)4〕+F。w00〔(T。+273)4-T。+273)4) +Hi(T:-T) (16) b外表面 -K.0T-/ 0xx=5.=H:(T.-T,)+F.,00((T,+273)4 -(T。+273)4) (17) (3)饶模表面换热 a模内联表面 4

炉气 的温变方程 、 ， 。 ， ， 。 ， ， 、 八 。 甲 ， 。 ， 二 了 。 。 、 。 。 。 止共旦 〔 一 月 · 。 一 ， ， 〕 一 ， ’ ‘ 一 ‘ 一 、 、 一 ‘ ’ 工 一 一 ’ 一 “ 一 ‘ 一 ‘ “ 一 一 ’ ‘ ’ 一 ，， 一 损 初始 条件 和边界条件 初始 条件 以钢水 浇 注 温度做 为 全过程 的初始值 ， 其 它 过 程分别 以其前过 程 的终值作 为 它 的 初 始 值 。 边界条件 钢锭表面 换热 参见 图 模 内冷却 。 ， ， 人 人 、 。 。 一 。 卫二一二 。 。 二 一 。 ‘ 、 ’ 一不厂 。 一 工 。 。 众 厂， ‘ “ · · ‘ ’ 二 。厂言孤 几 。 ，雪 众卜 图 钢锭和 锭模的计算区域和边界 〔 ‘ 一 。 ‘ 〕 ‘ 万 。 … 八 八 “ · 。 一瓦不 ” 。 ‘ 。 模外冷却 一 。 擎乙 … 。 。 二 。 。 。 〔 。 ‘ 一 十 ‘ 〕 、 。 。 一 汀 、 ‘ 吕 炉 内加 热 。 奈 。 。 。 吕 。 〔 ，‘ 一 。 〕 ， 。 〔 ， ‘ 一 ‘ 〕 ， 。 ， 一 。 炉墙表而 换热 见 图 内表面 。 尸 ， 。 ， 。 、 八 西又一 七 、 ‘ 一 乙 ，。 ， 图 炉墙的座标和 边 界 一 ， 弓 〕 。 ， 〔 。 咯 一 ， ‘ 〕 。 ， ， 一 。 外表面 一 · 令 二 ， · ‘ 二 · 二 〔 知 ， 一 咭 〕 锭 模表面 换热 模 内壁表面 二

~K。T。 aa/a0yn=AAK0t02%+(1-AA)F0o〔(T.+273)· -(T.+273)4) (18) b模外壁表面 ~K.0T。 0na2。=Haa（Tm-T:)+Fa00〔(T。+273)4-(T,+273)4)(19) 上述式中：V—体积， p一密度； C和C。—一容积和质量比热； A一一面积； T一温度； t—一时间， K一导热系数影 H一一对流给热系统， F一导来福射系数； B—一燃料流量； 门一不完全燃烧系数： Q一燃料低发热值， 一空气过剩系数； L0一理论空气需要量， V。一实际烟气产物量， Q一热流： 口0一斯蒂芬一波尔兹曼常数； AA一加权系数； T,·和T,·一凝固温度范围的上限和下限： H,- 潜热。 注角：s—一钢锭固相区， m一锭模； 1一一钢锭液相区， w一炉墙； f和g-—一炉气和燃烧产物： 一一空气， r一一燃料 g—废气。 1.4计算程序和内容 将上述方程式置换成差分方程(6)，按扁锭生产流程编制计算程序上机计算，目的是求出 过程中任意时刻扁锭断面上任意一点的温度。以温度场为基础，求出各种描述扁锭热状态的 参数，主要包括： (1)扁锭断面上有代表性点的温度， (2)扁锭的凝固率和凝固层厚度； (3)扁锭的载热量情况。 2计算结果及其分析 2.1计算用原始数据 本钢10.866t扁锭断面计算尺寸为1.130×0.622m,锭高取2.25m。扁锭锭模平均壁 厚分别为0.188和0,189m,模高取2.40m。上部单烧嘴式均热炉的内轮廓计算尺寸为7.783× 3.248×4.0m,炉墙各层筑炉材料的材质和平均厚度分别为：内层高铝砖，厚0.468；中 层粘土砖，厚0.274m,外层为耐火纤维，厚0.070m。扁锭装炉块数按生产实际情况取为 5~13块。 计算中的温度参数按实际生产的条件取定。环境温度为20℃，钢锭浇注温度为1570℃，· 3 锭模初始温度为120℃，钢的凝固温度范围1460~1500℃，钢锭表面最高加热温度为1250℃。 钢锭、锭模和炉壁材料等的热物性参数可查阅有关资料〔7)获得。 5

一 二 口 二 口 。 。 ， 二 辰 。 器 。 。 ‘ 一 ， 一 〔 。 · ， 一 ， 模外壁表面 。 ， 二 ， ， 。 一 二 之拼生 。 。 二 一 。 。 五一 日 一 “ · · 二 一 上 述 式 中 － 体 积 和 ， － 容 积 和质量 比热 － 温 度 － 导热系数 － 导来辐射系数 ’ 二 〔 ， ‘ 一 。 刁 一 弓 〕 月－ 不完 全燃 烧系数 － 空气过剩 系数 。 － 实际烟 气产物量 。 － 斯 蒂 芬一 波 尔兹 曼常 数 ， 和 。 － 凝 固温 度范 围的上 限和 下 限 注 角 － 钢锭 固相 区 － 钢锭 液 相 区 和 － 炉 气和燃烧产物 － 燃料 计算程序和 内容 － 密度 － 面 积 － 时间 － 对 流给热系统 ， － 燃料 流量 · 。 － 燃 料低发 热值 。 － 理论 空 气需 要量， － 热 流 － 加 权系数 、 － 潜 热 。 － 锭模 － 炉墙 － 空 气， － 废 气 。 将上述方程式置 换成 差分方 程 〔 “ 〕 ， 按扁锭生 产 流程编制计 算程 序上 机计 算 ， 目的是求 出 过程 中任意 时刻 扁锭 断面上 任意 一 点的温度 。 以 温度场 为基础 ， 求 出各种描述扁 锭 热 状态 的 参数 ， 主要 包 括 扁 锭 断面 上 有 代表 性点 的温度 扁锭 的凝 固率和 凝 固层 厚度 扁 锭 的载 热量情 况 。 份 计算结果 及 其分析 计算用 原始数据 ’ 本钢 扁锭 断 面计 算尺 寸 为 “ ， 锭 高取 。 扁 锭 锭 模平 均 壁 厚 分别为 和 ， 模 高取 ， 。 上 部单烧 嘴式均 热炉 的 内轮 廓计 算尺寸 为 又 ， 炉 墙 各层 筑 炉材料 的材 质和 平 均厚 度分别 为 内层 高铝砖 ， 厚 中 层 粘 土砖 ， 厚 外层 为耐火纤 维 ， 厚 。 扁锭 装 炉 块数 按生 产实际 情 况 取 为 一 块 。 计 算 中的温度 参数 按实 际生 产 的条 件取定 。 环 境温度为 ℃ ， 钢锭 浇注 温度为 ℃ ， 锭 模初 始温度 为 ℃ ， 钢 的凝 固温度 范 围 。 ℃ ， 钢锭表面 最 高加 热 温度 为 ℃ 。 钢锭 、 锭模和炉 壁材料等的热物性参 数可 查阅有关 资料 巾 获得