连铸坯凝固冷却过程的控制

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.03.012 北京铜铁学院学报 1983年第3期 连铸坯凝固冷却过程的控制 炼钢教研室寨开科刘凤云“ 摘要 本文论述了保证优质高产的连铸坯漿固冷却的“治金标准”，以某厂弧形连铸 机为例计算了不同操作因素一拉速，比水量，二冷区各段水量分布，钢水过热度， 液相穴内钢水对流运动和二冷水温度等对连铸坯凝固“治金标准”的影响，给出了 其影响的定量关系。并指出：拉速是影响液相穴深度和凝固壳厚度的主要因素，而 比水量和水量分布是影响铸坯表面温度的主要因素。为合理控制操作参数，根据计 算结果，整理出坯厚、拉速、比水量、液相穴深度和生产率之间的关系图，利用此 图有助于选择合理的操作参数。 一、问题的提出 连铸机正常生产的要求是：高的生产率和合格的铸坯质量。这两个要求往往是相互矛盾 的。在实际生产中，铸机产量和铸坯质量是受铸坯凝固冷却过程传热状态和铸坯承受的应力 状态控制的。而传热状态决定了铸坯凝固“冶金标准”（如出结晶器坯壳厚度、液相穴深度 、铸坯表面温度等)。因此，应该确定合理的连铸工艺，满足达到良好铸坯质量的“冶金标 准” 本文的目的是根据导出的连铸坯凝固传热数学模型分析铸坯凝固冷却过程“冶金标 准”，以及满足这些“冶金标准”所要求的连铸主要工艺参数的选择。 二、连铸坯凝固冷却“冶金标准”分析 为了得到良好的铸坯质量，良好的设备工作状态是基础。从工艺角度来看，连铸坯凝固 冷却过程的“冶金标准”应该是： 1.在保持最大拉速的前提下，出结晶器应有均匀、足够的坯壳厚度，防止拉漏，确保 操作的可靠和安全 2.液相穴深度。连铸坯凝固冷却过程实质上是沿液相穴的加工过程，在外力作用下， 如果凝固前沿承受的应力大于钢在固相线温度时的断裂沿强度，就可能导致内部裂纹。因此， 应该限制凝固过程中的变形，使之不超过允许的范围，这就相应地限制了液相穴深度。对弧 形连铸机来说，比较安全的作法是在矫直点前铸坯已全部凝固。 3,铸坯表面温度的均匀性，它包括铸坯表面冷却速度和表面温度的回升速度。钢的塑 79级研究生，现在河北矿冶学院工作。 112

北 京 钥 铁 学 院 学 报 年第 期 连铸坯凝固冷却过程的控制 炼钢教研 室 蔡开 科 刘夙云 价 摘 典 本文论 述 了保证 优质 高产 的连铸坯 凝 固冷却 的 “ 冶金 标 准” ， 以某厂 弧形连铸 机 为例计算 了不 同操作因素一 拉速 ， 比水量 ， 二 冷 区各 段水量分布 ， 钢水过 热度 ， 液相穴 内钢水对流运 动和二 冷水温度等对连铸坯 凝 固 “ 冶金标 准” 的影响 ， 给 出了 其梦响的定量关 系 。 并指 出 拉速是 影响液相 穴深度和凝周 壳厚度 的主 要 因素 ， 而 比水 和 水 分布是 影响铸坯 表面 温 度的 主要 因素 。 为合 理 控 制操作参数 ， 根 据计 算 结果 ， 整 理 出坯 厚 、 拉速 、 比水量 、 液相 穴深度和 生产率之 间 的关系 图 ， 利 用此 图有助于选择 合 理 的操作参 数 。 一 、 问题的提 出 连铸机正常 生产的要求是 高的 生产率和合 格的 铸坯质量 。 这 两个要求往往 是相 互矛盾 的 。 在 实际 生产 中 ， 铸机产 量和 铸坯质 量 是受 铸坯凝 固冷却 过程 传热状 态和 铸坯 承受 的应 力 状 态控制 的 。 而传热状 态决 定 了铸坯 凝 固 “ 冶金 标准 ” 如 出结 晶器坯壳厚 度 、 液 相穴深度 、 铸坯表面 温 度 等 。 因此 ， 应 该 确 定合理 的 连铸 工 艺 ， 满足达 到 良好铸坯 质量 的 “ 冶金 标 准” 。 本 文 的 目 的 是根 据 导 出的连 铸坯 凝 固 传热 数学 模型 分析 铸坯凝 固 冷却 过程 “ 冶金 标 准 ” ， 以 及 满足这 些 “ 冶金 标 准” 所要求 的连 铸主 要工 艺参数的 选 择 。 二 、 连铸坯凝 固冷却 “ 冶金 标准 ” 分 析 为 了得 到 良好的 铸坯质量 ， 良好的 设备工作状 态是 基础 。 从工 艺角 度来 看 ， 连 铸坯凝 固 冷却 过程 的 “ 冶金 标准 ” 应该是 在 保持 最 大拉 速 的前提下 ， 出结 晶器应 有均 匀 、 足够 的 坯壳厚 度 ， 防止 拉漏 ， 确 保 操作的可靠和 安全 ， 液 相 穴深 度 。 连 铸 坯凝 固冷却 过程 实质 上是沿 液 相穴的 加 工 过程 ， 在 外 力作 用下 ， 如 果凝 固前 沿承受 的应 力大 于钢在 固相线温 度时 的断 裂 沿强 度 ， 就可 能导致 内部裂纹 。 因此 ， 应该 限制 凝 固过 程 中的 变形 ， 使 之 不超过 允许 的 范 围 ， 这 就 相应 地 限制 了液 相穴 深度 。 对弧 形连 铸机来说 ， 比较 安 全 的 作法是在矫 直点前铸坯 已全 部凝 固 。 铸坯表面 温度的均 匀性 ， 它 包括铸坯表面 冷却 速 度和 表面 温 度的 回升速度 。 钢的 塑 级研 究生 ， 现在河 北 矿 冶学院 工 作 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．03．012

性较低，表面冷却速度太快会导致已有裂纹的扩展或产生新的裂纹。经验指出：表面冷却速 度以不超过200℃/米为宜】。铸坯表面温度回升，可能在凝固前沿产生拉应力，导致形戒 内部裂纹，或者在铸坯快要全部凝固时，过大的温度回升会产生中心偏析线。因此，应限制 沿铸坯长度方向过大的温度回升。根据钢的弹塑性行为，应限制铸坯表面温度回升温度不大 于100℃/米(21。 4.凝固坯壳变形能力。在铸坯内弧振动波谷处常出现细小的表面横向裂纹，这种裂纹 是与铸坯矫直时钢由Y一→α相变和钢的高温延性有关。由钢的高温脆性曲线知【1：在700一 750℃延伸率最小，900一1100℃延伸率增加而达到最大值。因此，根据钢种，矫直点铸坯表 面温度应在900℃为宜。 ·5.·铸坯的鼓肚极限。板坯中心偏析线主要是由于在钢水静压力作用下，在两支承辊间 铸坯宽面鼓肚，在凝固前沿产生了拉应力，导致形成中心偏析线。鼓肚的严重性决定于坯壳 高温机械强度、夹辊的开口度和凝固壳的温度分布。 三、数学模型及计算条件 从生产角度来考虑，为了保证高的铸机生产率和良好的铸坯质量，希望对不同钢种确定 最合适的操作参数（如浇注温度、拉速、冷却强度、冷却水量分布等）。为此，可以在工厂 连铸机上进行试验研究，得到经验数据指导生产，或者用铸坯凝固传热数学模型进行研究， 以决定满足“治金标准”的可以接受的工艺操作参数，然后在生产上应用。在连铸坯凝固传 热数学模型方面，许多人已做了不少研究工作8，，6，]，取得了重大进展，它已成为连铸 机设计、工艺分析和过程控制的有效手段。本文作者由传热方程导出了应用于连铸板坯凝固 传热的数学模型如下【】： H=H+p8[2,,2T+)+(T-T] (i=1,2,3…N-1) (1) H-H+p5-[,T-ax] (i=0)(2) n+1 ] H=H,+ (i=N)(3) 式中有关参数选取如下： 入=0.038+0.28×10-4T (Cal/cms.℃) (4) p=7 (g/cm3) (5) 9=64-6.6t (cal/cm2.s) (结晶器区) (6) q=h(Tsu-.Tw) (cal/cm2.s) (二冷区) (7) g=ge〔(Tus+273)·-(Ta+273))(Cal/cm2.s)(空冷区) (8) h=0.875×5748×(1-7.5×103Tw)w451/36000(Ca1/cm2.5℃)(9) 这个数学模型的特点在于在计算中采用热焓，从而减少了计算的麻烦和误差，而热焓与 温度的对应关系；则采用文献上的数据进行换算。利用工厂实际数据由数学模型计算得到的 凝固壳厚度与液相穴深度和实际测定结果比较，计算结果与实测数值相接近。 113

性较低 ， 表面冷却速 度太快 会导致 巳有裂纹的扩 展 或产 生新的 裂纹 。 经验指 出 表面冷却速 度 以 不超 过 ℃ 米为宜 ‘ 。 铸坯 表面 温度 回升 ， 可 能在凝 固前 沿产生拉应 力 ， 导致形成 内部裂 纹 ， 或者 在铸坯 快 要全 部凝 固时 ， 过大的温 度回升 会产 生中心偏析 线 。 因此 ， 应限制 沿铸坯 长 度方 向过大的温 度回 升 。 根据 钢 的弹塑性行 为 ， 应 限制铸坯 表面温 度回升温 度不大 于 ℃ 米 “ 。 凝 固坯 壳变形能 力 。 在 铸坯 内弧振 动 波谷处常 出现细 小的表面横向裂纹 ， 这种裂 纹 是 与铸坯 矫直 时钢 由丫一 相 变和 钢 的高温延 性有关 。 由钢的 高温脆性曲线知 川 在 一 ℃ 延伸率最 小 ， 一 ℃ 延伸率增加而达 到最 大值 。 因此 ， 根据钢种 ， 矫直点铸坯 表 面 温 度应在 ℃ 为宜 。 、 铸坯的 鼓肚极限 。 板坯 中心偏 析线 主 要是 由于在 钢水静压 力作用下 ， 、 即 在 两支承辊 间 气 铸坯宽面 鼓肚 ， 在凝 固前沿产 生 了拉应 力 ， 导 致形成 中心偏 析 线 。 鼓 肚的 严 重 性决定于坯 壳 高温机械强度 、 夹辊 的开 口 度和凝 固壳 的温 度分布 。 三 、 数 学模型及 计算条件 从 生产 角度来 考虑 ， 为了 保 证高的 铸机生产 率 和 良好的铸坯质量 ， 希望 对不同 钢种确定 最 合适的 操作 参 数 如 浇注温 度 、 拉速 、 冷却 强度 、 冷却水 量 分布 等 。 为此 ， 可 以在 工厂 连铸机 上进 行试 验研 究 ， 得 到经验 数据指 导 生产 ， 或者 用铸坯 凝 固传热 数学模 型 进行研究 ， 以决定满 足 “ 冶金 标准” 的可 以 接受 的 工艺 操作 参数 ， 然 后在 生产 上应 用 。 在 连铸坯 凝 固传 热数学模型 方面 ， 许 多人 已做了不 少研 究 工 作 〔 ’ ‘ ’ “ ’ “ ， 取得 了重大进展 ， 它 已成 为连铸 机设计 、 工艺分析 和 过程控制 的 有效 手段 。 本文作者 由传热方 程导 出了应用 于连 铸板坯 凝 固 传热 的 数学模型 如下 〔 ，、产 ‘ 名几 、‘了、声 梦 △丫 △ “ 「 、 ， ， ， 、 入， ， 一 人 吸 一 艺 十 十 一下二 吸 一 ‘ 十 ’ ‘ ， 一 ‘ ， ， … 一 五 △ 一 、 ， ， 一 二 八 吸 凸 ‘ 一 一 △ 小 ‘ ， ‘ ， △下 △ 〔 入 一 一 」 式 中有关参数选取如下 入 一 一 一 ℃ 一 侧一万一 “ 一 结 晶器 区 一 名 一 二冷区 。 〔 ‘ 一 ‘ 〕 名 · 空冷区 一 一 。 “ “ ’ 」 ℃ 这个数学模型 的特 点在 于在 计算中采 用热烩 ， 从而减少 了计 算的麻烦和 误差 ， 而热治与 温 度的 对应 关系 乡 则采用文献 上的 数据 进 行 换算 。 利用 工厂 实际 数据 由数 学 模型 计算得 到的 凝 固壳 厚度 与液 相穴深度和 实际测 定结 果比较 ， 计算结 果 与实测 数值相 接近

本文应用已建立的上述连铸板坯凝固传热数学模型，以某厂抓形板坯连铸机浇铸低炭钢 作为实例（图1），从理论上计算了工艺操作参数对铸坯“冶金标准”的影响。 计算程序如图2所示。 大幢 中间健 水口 结品动 R10.30M 215 二次冷却段 注：图中左面的数字是二次冷却 50g 的分段及其相应的至弯月面距离 (c m) 798 图1弧形连铸机示意图 1235 1543 1647 误入数据 确定物始边界条用 确定各节点入，A) 方程收做雅 定否↑ i=i+1 ycs (i=N 逼所 计算H (i=0) 式(3) 检查节点位置 (N>>0) ia 计算T 计算H式 ot 2)8) 计算式 （2(7分 哥 es 打印百 0 计算最固壳厚皮 打印结果 80 了es 停 图2计算机计算程序框图 114

本文应 用 已建立 的 上述连铸板坯 凝 固传热 数学模型 ， 以某厂弧形板坯连铸机浇铸低炭钢 作为实例 图 ， 从理论上计算了工艺操作参数对铸坯 “ 冶金标准” 的影响 。 计算程序如 图 所示 。 注 图 中左 面 的数字是 二 次冷 却 的 分 段及 其相 应 的 至 弯 月面 距 离 图 弧形 连铸机 示 意图 读入 橄鹅 定初始边界条 确定各节点入，人， 梦 ︸ ‘ “ 厂汀广日 吸 确州酬下 图 计 算机计 算程 序 框 图

四、结果讨论 通过计算得到各工艺操作参数对铸坯“冶金标准”的影响如下： 1.拉速 当其他条件相同时，拉速对铸坯表面温度和液相穴深度影响如图3和图4。由图3可 还壳厚度(cm) 10 比水量0.81/kg 1600 比水量分配比 32:23122131010 V=2.0M/min e V=1.5M/min V=1.2M/min 斟 ------V=0.8M/min i300叶 V=0.8M/min 8 还厚170mm 10 比水量1.61/kg V=1.2M/min 1100 V=1.5M/min 14 900 10 20 16 离弯月面距离(M)》 18 Vu2.0MMmin 图3铸坯表面温度变化 图4铸坯液相穴深度变化 知，铸坯表面温度随拉速增加而有所提高。由图4可知，拉速每提高0.1M/min时，液相穴 深度的增加是：170mm厚板坯为0.8~1.0M,210mm厚板坯为1.25~1.45M,250mm厚 板坯为1.75~2.0M。 1600叶 还厚170mm 2.比水量 水量分配比32123：22113：10：0 比水量 比水量对液相穴深度和铸坯 V=1,5M/min 1400 ·0.81/kg q岫=64-6.6 表面温度影响如图5。由图得色 1.21/kg 1.61/kg 出：液相穴深度随比水量增加慰 2.01/kg 而减少，其减少率是0.12回1200 10 0.35M/(0.11/Kg),铸坯表面 日5 温度随比水量增加而下降，平均 1000 下降率约为15~20℃/(0.11/ Kg)。 在二冷区为了保持铸坯温度 800 在900℃以上，在一定拉速下应 有合适的比水量。如170mm厚 15 20 板坯为1.2~1.41/Kg,210mm 液相穴深度(M) 图5比水量对流液相穴深度、表面温度影响 厚板坯为0.9~1.01/Kg,250 mm厚板坯为0.8~0.91/Kg。 115

四 、 结果 讨论 通过计算得 到 各工 艺操作参数对铸坯 拉 速 当其 他条件 相 同时 ， 拉速 对铸坯 表面 “ 冶金 标准 ” 的影 响如下 温 度和 液 相穴 深 度 影 响 如 图 和 图 。 由图 可 还充厚魔 戈侧︵能长堪︶孚 － 二 。 二 二 二 挂 占，甘二吸 二目韶 嵘一 比水 比水 分配比 一 一 二工邑，汗下幼﹄ 口自，‘ 甘几切甘色 侧随挤释旧对︵︶ 离专月面距 离 图 铸坯 表面 温 度 变化 知 ， 铸坯 表面 温 度随拉速增 加 而有所提高 。 户巨 玉 深 度的 增 加是 板坯 为 ， 比水 厚板坯 为 。 ’ 图 铸坯 液 相 穴 深度 变化 由图 可 知 ， 拉 速每提高 时 ， 液相 穴 ， 厚板坯 为 ， 厚 比水 量 对液 相穴 深 度和铸坯 表面 温 度 影 响 如 图 。 由 图得 出 液 相 穴 深度 随 比 水量 增 加 而 减 少 ， 其 减 少率 是 八 铸坯 表面 温 度随 比水量 增 加而下 降 ， 平均 下 降 率 约 为 ℃八。 。 在二 冷 区为 了保持 铸坯 温 度 在 ℃ 以 上 ， 在一 定 拉 速下 应 有 合 适 的 比 水量 。 如 厚 板坯 为 ， 厚 板 坯 为 ， 厚 板坯 为 。 坯厚 水 分配 比 二 的 ， 一 比水 氏几‘移 以」矛了矛产盆盆 － 一 － · 一一一 一一 一 ’ － 己 份 ‘ 尹 ，， 口 一 侧脸欲圈拼 一甲 二二二 比几甘甘叨甘 二叫 ，占，舀 妞旧攀娜周对︵︶ 图 比水量对 流液相 穴 深 度 、 下寸占 一下铲 液相穴 深度 表 面 温度 影响

表1 不同坯原的最大拉速和比水量 坯厚（mm) 拉速(M/min) 比水量(1/Kg) 170 1.6 <1.2 210 1.1 0.9 250 0.8 0.8 铸坯厚度，拉速，比水量和液相穴深度关系如 图6。从液相穴深度和铸坯表面温度来看，不同坯 三 20 厚的最大拉速和比水量如表1。这与实际生产数据 K=28. K=27 是相一致的。 图7是结晶器弯月面以下123cm处铸坯壳断面 温度分布。可见在拉速同时，比水量越大，表面温 K=28.9 度越低。比水量主要影响铸坯表面温度。而比水量 23. 相同时，拉速愈大，表面温度下降就愈浅。也就是 10 说，提高比水量或提速，都可以增加凝固壳内温度 250×1600mm板坯 梯度(-公汉)。但前者是增加△T,而后者是减小 210×1200mm板还 置170×1000mm板还 △X,是从两个不同角度来提高温度梯度的。因 5 比水量0.81/止g 此，调整比水量，对铸坯表面温度影响较大，而对 1.21/kg 1.61/kg 凝固壳原度影响较小。而调整拉速，对凝固壳厚度 2.01/kg 影响较大，但对铸坯表面温度影响较小。 8.二冷区各段水量分布 1.2 1.82.0 拉速v(M/min) 以210×1050mm板坯为例，拉速1.1M/Min,图6坯厚、，拉速、比水量与液相穴深度关系 1600 说注温度 1600 浇注温度 1400 1400 1200 1200 坯厚210mm 1000 1000 坯厚210mm 比水量1.21/kg 拉速1.5M/min 拉速(M/mia) 比水量1/kg 0.8= 2.0-- 800 1.6- 800- 0.8 600 2 还？(cm) 还厚(cm) 图7 凝固坯壳断面温度分布 116

表 不 同坯 原 的最 大拉 速和 比水量 坯 厚 拉速 比水量 堪迷侧班足仗︶ 洲 铸坯 厚度 ， 拉速 ， 比 水量 和 液相穴 深度关系如 图 。 从液 相穴 深度 和铸坯 表面 温 度来 看 ， 不 同坯 厚 的最大拉速和 比水 量如表 。 这 与实际 生产 数据 是 相 一 致的 。 图 是结 晶 器弯月面 以 下 处铸坯 壳 断 面 温度分布 。 可 见 在拉速 同 时 ， 比水量越 大 ， 表 面 温 度越低 。 比水量 主 要影 响铸坯 表面 温 度 。 而 比水量 相 同时 ， 拉速愈大 ， 表面 温 度下降 就愈 浅 。 也 就 是 说 ， 提高比 水量 或提速 ， 都 可 以增 加 凝 固壳 内温 度 一 ， △ 、 ， 。 山‘ 、 ， 、 二 ‘ ， 一 一 、 。 、 梯度 ‘ 书奈 。 但 前者 是 增加△ ， ’ 而后者 是减小 即 、 △ ‘ 。 ‘刊 只 ‘ 目 月 ” 一 一 ’ ‘ ’ ， ‘ 曰 闷 ” △ ， 是 从两 个 不 同 角度来提 高温 度 梯 度的 。 因 此， 调 整比 水量 ， 对铸坯 表面 温度影 响较大 ， 而对 凝 固壳原度影响较 小 。 而调 整拉 速 ， 对凝 固壳 厚度 影响较大 ， 但对铸坯 表 面 温 度影 响较小 。 二冷区各段 水且分布 以 又 板坯 为例 ， 拉速 ， 板坯 － 比水 众‘ 一 一 ‘ 一 · 一 七‘ ”气馆一一丫犷一一了 一一六 拉速 。 图 坯 厚 、 拉速 、 比水量与液相 穴深度 关 系 浇注沮度 浇注 沮度 户 亏 犷了 ﹃ “﹄ 内甘 侧或 侧对︵︾ 坯厚 拉逮 比水。 ， 一 一 一 一 了 坯 厚 口 地 比水 拉速 ‘ 《 二二二 。 一 百 坯厚 图 凝 固坯 壳 断面 温 度 分布 坯厚 ‘