连续铸锭结晶器传热

D0I:10.13374/i.issn1001一053x.1980.01.003 北京钢铁学院学报 1980年第1期 连续铸锭结晶器传热 炼钢教研室 蔡开科 摘·要 本文论述了结晶器对提高连铸机生产率的重要性。分析了结晶器传热 特点指出：凝固壳与铜壁交界面构成了传热主要热阻。从结晶器热平衡的 试验指出了政善结晶传热，增加坯壳厚度，以增加拉速防止拉漏的可能性。 讨论了极计结晶器主要参数的选择原则。 连续铸锭机的生产率是受多种因素限制的。在工艺上，往往是拉速和拉漏事故影响了连 铸机的生产，而结晶器在很大程度上和这两个因素有关。 一、结晶器的重要性 由凝固定律e=K√t得： V=(长H 式中：Vax一最大拉速，米/分 K一凝固系数，毫米分2 b一铸坯的1/2厚度，毫米 H一-液相深度，米 由此知最大拉速是受液相深度的限制，因为连铸机的H不能超过最后一个支撑辊的长 度，否则铸坯就可能鼓肚，铸坯以液心通过拉矫机时，可能导致内部裂纹或偏析线。同时 拉速也受结晶器的限制，拉速增加，拉漏可能性增大，在铸坯凝固壳的中部或角部可能产生 纵裂。 连铸机和炼钢炉之间配合不协调，或连铸机本身的设备事故，往往会造成就误。而拉漏 事故可能引起设备相当大的损坏和长时间的修理。因此，人们采取以下措施来减少拉漏造成 的损坏： 1.在结晶器下按信号指示器，及早发现拉漏，避免大量钢水流入二冷支撑辊， 2.采用特殊装置能迅速更换被损坏装置。虽然，这些措施可减少由拉漏造成的时间损 失，但是我们的目的是在提高拉速时，避免产生拉漏，以提高连铸机的生产率。铸坯出结晶 器的拉漏，主要由以下原因： 22

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 一期 连 续 铸 锭 结 晶 器 传 热 炼钢 教研 室 蔡开科 摘 一 要 本文论 述 了结晶器对 提 高连铸机 生产率 的重要 性 。 分析 了结晶器 传热 特点指出 凝 固壳与铜璧 交界面 构成 了传热主 要 热阻 。 从结晶器 热平 衡的 试 验 指出了改普 结晶传热 ， 增加 坯 壳厚度 ， 以增加 拉速 防 止 拉漏 的可 能性 。 讨论 了极 计 结晶器 主 要参数 的选择原 则 。 连续 铸锭机 的生产率 是受 多种 因素限 制 的 。 在 工 艺上 ， 往往 是拉速和 拉漏事故影响 了连 铸机的生产 ， 而结 晶器在 很大程度上和 这 两个因素有关 。 一 、 结晶器 的重 要 性 由凝 固定律 侧 得 、 。 一 「一 · 一 。 式 中 。 —最 大拉速 ， 米 分 — 凝 固 系数 ， 毫 米分 ‘ — 铸坯的 厚度 ， 毫米 — 一 液相深度 ， 米 由此 知 最 大拉速 是 受 液相深度 的限 制 ， 因为连铸机 的 不 能超过 最 后一 个支撑辊的 长 度 ， 否则铸坯 就可能 鼓肚 铸坯 以液心通过 拉矫机时 ， 可能导 致 内部裂 纹或偏析线 。 同时 拉速也受 结 晶器 的限 制 ， 拉速 增加 ， 拉漏 可 能性增 大 ， 在 铸坯 凝 固壳 的 中部或角部可 能产生 纵裂 。 连铸机和炼钢炉之 间配 合不协调 ， 或连铸机 本身的设备事故 ， 往往 会造成 枕误 。 而拉漏 事故可能引起设备 相 当大的损坏和 长 时间 的修理 。 因此 ， 人 们采取 以 下措施 来减少 拉漏造成 的损坏 在结 晶器 下按 信 号指 示 器 ， 及早发现拉漏 ， 避免 大量 钢 水流入 二 冷支撑辊， 采 用特殊 装置 能迅速 更换被损坏 装置 。 虽然 ， 这些措施可减少 由拉漏造 成 的时 间 损 失 ， 但 是我们 的 目的 是在提 高拉速 时 ， 避免产生拉漏 ， 以 提 高连铸机的生产率 。 铸 坯 出结 晶 器 的拉漏 ， 主要 由以 下原 因 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1980．01．003

一一高的拉速 一结晶器与二冷辊对弧不准 固体的 一保护渣导热性不好 C-40心米 液体的 一结晶器变形或磨损 一锥度调整不当 一一局部冷却不均匀 冷却水槽 一伸入式水口没有对中。 这些因素都可能使出结晶器凝固壳产 生破裂。因此对结晶器要求是： (1)尽可能高的拉速下，保证出 结晶器坯壳足够的凝固厚度和铸坯断 面周边厚度的均匀性， (2)避免机械和热应力，以免撕 (a) 裂凝固壳。如果结晶器满足这两个要 0025 290 求，就可减少铸机的拉漏率。因此就 必须进一步研究结晶器的传热和制造 使用特点。 50 二、结晶器传热特点 Ta h(T:-Tz) e 中s 从图1可把结晶器内钢液向外界 照 he 的传热区分为以下几部分： 1.液体钢对疑固亮传热 500 模型研究指出：注流动能引起了 Tcus 5 钢液沿结晶器中心下降，沿腰固前沿 上升的运动。流股运动所影响的高度 L8) Te 20 40 决定于水口和铸坯断面。液体钢与凝 离结品器壁距瑞尧米 固壳之间的对流热交换系数h可由下 (a)结晶器壁等温线变化示意图 式计算〔1)， (b)两个不同断面温度分布 图1结晶器不同传热方式 =号cw()(LwP) 式中：P—一液体钢密度，克/厘米3 C一液体钢比热，卡/克·度 W一一结晶前沿液体钢运动速度，厘米/秒 L一结晶器高度，厘米 门—液体钢粘度，泊 入一一液体钢导热系数，卡/厘米·秒·度 模型试验测得W=30厘米/秒，代入已知数据，计算得h=0.197卡/厘米·秒·度。热流 中决定于液体钢过热： φL=h(Tc-Tr) 23

布丧体训 一 弓。 。 ， — 双介川俐上八 高的拉速 — 结 晶 器 与二 冷辊对弧 不 准 — 保 护 渣导热 性不 好 — 结 晶 器变形 或磨损 — 锥度调 整不 当 — 局 部冷却不均 匀 — 伸入 式 水 口 没 有对 中 。 这些 因素都可 能使 出结 晶器凝 固壳 产 生破 裂 。 因此 对结 晶器 要求是 尽可 能 高的拉速下 ， 保证 出 结 晶器 坯壳 足够 的凝固厚度和 铸坯断 面周 边厚度的均 匀性， 避免机械和 热应 力 ， 以免撕 裂凝 固壳 。 如果结 晶器 满 足这两个要 求 ， 就可减少 铸机的拉漏 率 。 因此就 必须 进一 步研究结 晶器 的传热和 制造 使用 特点 。 乙‘ 之‘ 月口 卫 ① 寸卜 一 一 一 一一 一尸 ，万 ‘ ，， 二 、 结晶器传热特点 砂 · 介 一 介 介‘ 万口 、 血公 妇 朋洲︶ 从 图 可 把结 晶器 内钢液向外界 的传热 区分为以 下几 部分 液体钥对凝固 宪传热 模型研究指 出 注流动 能引起了 钢液沿结 晶器 中心 下降 ， 沿凝 固前沿 上升的运动 。 流股运 动所影响 的高度 ‘ ’ ’ 决定于水 口 和 铸坯断面 。 液体钢与凝 固壳之 间的对流热交 换系数 可由 下 式计 算 〕 一 一 一 二二二二二二习二 邵 杯 泣 呼 吞 离结 晶 器 壁距 离 觉 米 口 俄 结晶器 璧等温 线 变化示 意图 两个不 同断面温 度分布 图 结晶器 不 同传热方式 卑、 一香 人 月 一 ︸ ‘ 一 式 中 — 液 体钢 密度 ， 克 厘米 — 液体钢比热 ， 卡 克 。 度 — 结 晶前沿 液体钢运动 速度 ， 厘米 秒 — 结 晶器 高度 ， 厘 米 月— 液体钢 粘度 ， 泊 入— 液体钢导热 系数 ， 卡 厘米 。 秒 度 模型试 验测 得 厘米 秒 ， 代入 已知数据 ， 计算得 二 。 卡 厘米 名 秒 · 度 。 热 流 小 决 定于液 体钢过热 小 。 一

如Tc-Tp=30℃，则中1=6卡/凰米2·秒。这与已凝固钢壳传导传热相比（中s≈50卡/厘 米·秒)是很小的。在正常浇注条件，凝固速度dS/t是与凝固交界面热流成比例的。 Lr是=4：-=a:(股)，-hT。-T,) 式中：L1一凝固潜热，卡/克 入s一一固体钢导热系数，卡/厘米·秒·度。 因此，结晶器内注流产生的对流运动把钢液过热传给凝固壳。钢液过热度越高，凝固壳 就越薄。因此应限制中间色钢液过热度为10一30°C。 2.凝固还亮的传热 在凝固钢壳中为传导传热。对板坯可用热传导方程表示如下： H=102T) at pax丿 当温度大于900℃时，可认为入=0.07卡/厘米·秒·度 3.凝固亮与结晶婴整之间传热 凝固开始时，已凝固坯壳与结晶器壁是紧密接触的，随后由于坯壳收缩，在结晶器壁与 坯壳之间产生了不均匀气隙。此时坯壳表面与结晶器壁热交换是靠辐射和对流传热（或气层 导热)〔2)。 中=ε0(273+T.)‘-(Tc,+273))+h。(T.-Tcu2) 式中：e为辐射系数，o。为STEPhe?常数，h.气隙对流传热系数。其余符号见图1。 气隙的产生使坯壳与结晶器壁交界面热阻增大，减少了传热，成为结晶器传热限制环 节。热阻的大小决定于， (1)结晶器壁的表面状态，表面越光滑，热阻越小 (2)润滑剂性质， (3)坯壳与铜壁脱开程度。 实验室测定〔3)固体钢与铜壁之间的热交换系数为0.050卡/厘米2·秒·度。这个热阻约相当 于14毫米厚钢板的传热。 4.结晶售铜整传热 铜壁为传导传热。图2表示了铜壁不同类型的冷却水槽在铜壁厚度方向等温线分布的示 意图。等温线分布是用电模拟法得到的〔4〕。可用等温线来估计铜壁厚度上某一点温度： T=Tcur+x(Te02-Tsoi) Too-Ten 由图2看出：最好的均匀冷却方式是方坯的管状结晶器。对板坯结晶器的铜板的均匀冷却决 定于冷却水槽的尺寸和间距。如5×25毫米的水槽、间距小于25毫米就可得到铜板温度大体 上均匀分布。 可以估计结晶器壁厚度对传热的影响。“固体钢-结晶器-冷却水”的总热阻可表示为： 古+。+品 若h。=1卡/厘米秒度，h.=0.05卡/厘米秒度，入c▣=0.89卡/厘米秒度时，计算结 果如表1。 24

如 。 一 ， ℃ ， 则 小 ‘ 卡 厘 米 忍‘ 秒 。 这与已凝固钢壳传导传热 相 比 小 巴 卡 厘 米 “ 。 秒 是很小的 。 在 正常浇注条件 ， 凝固速度 是与凝 固交界面热流成 比例 的 。 。 。 一 ，一 “ 器 ， 一 “ ‘ 。 一 ， 式 中 — 凝 固潜热 ， 卡 克 入 — 固体钢导热 系数 ， 卡 厘 米 秒 。 度 。 因此 ， 结 晶 器 内注流产生的对流运动 把钢液过热传给凝 固壳 。 钢 液过热度越 高 ， 凝 固壳 就越薄 。 因此应限 制中间 色钢液过热度为 一 “ 。 报一坯宪的传热 在凝 固 钢壳 中为传导传热 。 对板 坯可用热传导 方程表 示如下 剑丝 立厂鱼丝、 日 刁 当温度大于 ℃ 时 ， 可认为 卡 厘米 秒 度 扭固充与谊二挂之 间传热 凝 固开 始时 ， 巳凝 固坯壳与结 晶器壁 是紧密接触的 ， 随 后由 于坯 壳收缩 ， 在结 晶器壁 与 坯 壳之 间产生 了不 均匀气隙 。 此 时坯壳表 面 与结 晶器壁热交 换 是靠辐射和 对流传热 或气层 导热 〔 〕 。 小 二 。 。 〔 。 ‘ 一 。 。 ‘ 一 ‘ 。 式 中 为辐 射系数 ， 。 。 为 常数 ， 气 隙对流传热 系数 。 其 余符号见 图 。 气隙的产生使坯 壳与结 晶器壁 交界 面热阻 增 大 ， 减少 了传热 ， 成 为结 晶器传热 限 制 环 节 。 热 阻 的大小决定于 结 晶器壁 的表 面状态 ， 表 面 越光滑 ， 热阻 越小， 润滑剂性质， 坯壳 与铜壁脱开程度 。 实验室 测定 〔 〕 固体钢与铜壁 之间 的热交 换 系数为 卡 厘 米 “ · 秒 · 度 。 这 个热阻 约 相 当 于 毫米厚 钢板 的传热 。 给 二 们 挂传热 铜 壁 为传导传热 。 图 表示 了铜 壁不 同类型 的冷却 水槽在铜壁 厚度方 向等温线 分布的示 意 图 。 等温线 分布是用 电模 拟法得到的〔 〕 。 可 用 等温线 来估计铜壁 厚度上某一 点温度 。 。 。 。 一 。 ， 。 一 。 小 。 人 。 。 由 图 看 出 最 好 的均匀冷却方式 是方坯 的管状结 晶器 。 对板 坯结 晶器 的铜 板的均 匀冷却决 定 于冷却水槽的尺寸和 间距 。 如 毫米的 水槽 、 间距 小 于 毫 米就可得 到铜 板 温度 大体 上均 匀 分布 。 可 以估计结晶器壁厚度对传热 的影响 。 “ 固体钢一结 晶器一 冷却 水 ” 的总热阻 可表 示为 ， 。 ， ， 宁 一下， ‘ 一 十 了 人 若 。 卡 厘米 。 秒 。 度 ， 二 。 卡 厘米 。 秒 · 度 ， 久 。 。 卡 厘 米秒 度时 ， 计 算结 果如表

50 20 10% 20% X-10% 20% 30% =10% =10% 30% 20% 20% 40% 40% 30% 30% 50% 50% 40% 40% 60% 50 50% 60% 60% 70% 60% 70% 70% 70% 80% 809 807 90% 90% 90% 100% 100% 100% 100% Tous Tcus Text 图2结晶器壁不同类型水槽等温线分布 表1 铜壁厚度对热流的影响 铜壁厚度ecu(毫米) 10 20 40 80 制壁热阻。（卡/凰米，秒，度） 1.12 2.25 4.50 9 1 21.5 21.5 21.5 21.5 总热阻。 (卡/厘米2·秒·度) 22.6 23.8 26 30.5 总热交换系数hg 0.044 0.042 0.038 0.032 热流中=hg(T。-Te)卡/厘米2·秒 61.6 58.8 53.2 44.8 由计算可知：结晶器壁厚度由40毫米减到20毫米，热流仅增加约10%。 5,结晶器壁与冷却水传热 在结晶器壁与冷却交界面传热可能有三种情况〔5)： (1)强制对流良好的冷却， (2)沿结晶器壁凝聚有水气泡膜， (3)在冷却水槽内形成沸腾有水蒸气生成。后两种情况恶化了结晶器的传热，应力求避 免。如何保证冷却水与结晶器壁有良好传热呢？假如水与铜壁之间仅有对流传热，则传热系 数h。表示为〔6)： h。D =0.023 入。 式中：D一冷却水槽的当量直径，厘米 入。一水在30℃时的导热系数，卡/厘米·秒·度 n一一水在30℃时的粘度，克/厘米•秒 V一水流量，克/厘米·秒 C。一水的比热，卡/克·度 若结晶器平均热流中=50卡/厘米·秒，计算冷却水流量和流速对传热影响如表2。 25

， 卜 ， 司 ， 卜一竺‘ 一州该 论 ， 书 ‘ “ 洲 巴 ， ， 丫湘 介 “ 万」 尸一一一丽 牙 一州 ， 口肠 目 目 卜 刃 … ‘穿 一 写 几丽女一一 图 表 结晶器 璧不 同类型水槽等温 线分布 铜 壁厚度对热 流的影响 铜 壁 厚 度 。 。 毫 米 铜 壁热阻 入 。 卡 厘 米 “ 。 秒 。 度 ， 一 十 万一一 总热阻 早 一 卡 厘米 “ 秒 · ‘ 度 脚 ” ‘ ， 。 、 ” ‘ ， 、 ， 产 总热 交 换 系数 。 热流 小 。 一 卡 厘 米 名 。 秒 由计 算可 知 结 晶器壁 厚度 由 毫米减到 毫米 ， 热流仅增加 约 。 结 公 获 与冷却 水传热 在结 晶器壁 与冷却 交 界面传热可 能有三种情 况 〕 强 制对流 良好 的 冷却， 沿结 晶器壁 凝 聚有水气 泡膜， 在冷却水槽 内形成 沸腾有水蒸气生成 。 后 两种情 况恶 化 了结 晶器 的传热 ， 应 力求避 免 。 如何保证 冷却 水与结 晶器壁 有良好传热 呢 假如 水与铜壁 之 间仅有对流传热 ， 则传热 系 数 。 表 示为 〔 〕 互丝旦 ， 必 、 、 月 月 入 。 式 中 — 冷却 水槽 的 当量 直径 ， 厘米 入 。 — 水在 ℃ 时 的导热系数 ， 卡 厘米 秒 度 一一水在 ℃ 时的粘度 ， 克 厘 米 秒 — 水流量 ， 克 厘 米 。 秒 — 水 的比热 ， 卡 克 度 若结 晶器平均热 流 小 卡 厘米 名 秒， 计算冷却水流量 和 流速对传热影响如表

表2 冷却水流速对热流影响 水流量Q米3/时 0.5 1.5 2 2.53 6 水流速V米/秒 1.11 2.22 3.33 4.445.55 -6.6613.21 “水-铜”传热系数h。 0.142: 0.247 0.341 0.430.51 0.59 1.04 “水-铜"热阻。 7.054.05 2.92 2.32,1.96 1.68 0.96 共他热阻士。+ 24.5 24.5 24.5 24.5 24.524.5 24.5 入cu 总热阻止： 31.5 28.5 27.5 26.726.526 25.5 总传热系数hg 0.032 0.035 0.037 0.038 0.3750.038 0.039 热流中=h。(T。一T。 44.8 49 51.8 53.2 52,5 53.9 54.9 铜壁温度差Tcu,-T。=中（℃ h。 315 198 151 123 1102 91 52 。 由计算可知，当冷却水流速为6米/秒时， 就可避免水的沸腾。如流速再增大，对热流影响 不大。对于方坯结晶器，有人认为在铜壁上有水汽泡膜生成是正常现象。为了防止产生污垢 要求对水进行处理，典型的冷却水成分是〔6)：总盐400毫克/升，硫化物150毫克/升，氧 化物50毫克/升，悬浮固体质点50毫克/升，质点尺寸0.2毫米，碳酸盐硬度1~2°dH,非碳 酸盐硬度15°dH,pH值7~8。 三、结晶器热性能 结晶器究竞有多大的传热强度，如何来改善结晶器传热呢？为此必须研究结晶器热流变 化及其影响因素。作者在法国钢铁研究院梅斯分院进修期间，曾参加了在敦刻尔克钢厂的诺 马克(DOMAG)弧形连铸机的试验工作，有关的试验结果介绍如下： 1.结逼题的热平衡 结晶器导出的热量可表示为： Q=Q。C。"△t。千卡/时 平均热流： 中=号=Q:等于卡/米时 式中：Q。一冷却水流量米3/时 C。一一水比热干卡/度吨 △t。一进出水温度差℃ S一钢壳与结晶器壁接触面积米2 弧形连铸机结晶器断面为1290×210毫米，结晶器高度为700毫米，浇低碳铝镇静钢，中 间包钢液过热度为20~30℃。记录拉速、结晶器冷却水流量，冷却水温升等数据。测定误素 约为2%，计算结晶器热流误差约为4%。影响结晶器热流因素如下： (1)拉速与热流关系：如图3可看出，拉速增加热流增加。这也为其他作者所证实(7)。 26

表 冷却水流速对热流影响 试 、 水流量 米 时 水流速 米 秒 “ 水 铜 ” 传热系数 。 曰且 舀丹口 性曰，月 … 八口﹄ “‘︸ “ 水一铜 ” 热阻 。 势， ‘ ‘ · ‘ … ’ · 。 ‘ 。 其他热阻李 ，工﹄ … … 上了住工，月 自 汀‘ 总热 阻二七 总传热 系数 。 热流 小 。 一 。 铜 壁温度差 。 。 一 。 二 ， 小 ，， 、 屯一 — 、 勺 ， 」… … 一 … ’ ‘ ’ ‘ ‘ … … 。 · “ · ” 」。 八二︸﹄‘甲任‘上‘ 心月 自，曰一 … ，，‘ 自任 ︸甘 由计算可知 ， 当冷却水流速为 米 秒 时 ， 就可 避免水的沸腾 。 如流速再增大 ， 对热 流影 响 不 大 。 对 于方 坯结 晶器 ， 有人认为在铜 壁 上 有水汽 泡膜生成 是正常现象 。 为 了防止产生污垢 要 求对水进行处理 ， 典型的冷却水成 分是 〕 总盐 毫克 升 ， 硫 化物 毫克 升 ， 氧 化物 毫克 升 ， 悬 浮固体质点 毫克 升 ， 质点尺寸。 毫米 ， 碳 酸盐硬度 ， 非碳 酸盐 硬度 ， 值 。 三 、 结晶器 热性 能 结 晶器究竞有多大的传热 强度 ， 如何来改善结 晶器传热 呢 为此 必须 研究结 晶器热 流变 化及 其影响 因素 。 作者 在法 国 钢铁研究 院梅 斯分院进 修 期 间 ， 曾参加 了在敦刻尔克钢厂 的诺 马 克 弧形连铸机 的试 验工作 ， 有关 的试 验结 果介绍如 下 结 二 的热平衡 结 晶器导 出的热量可表 示为 二 。 。 。 △ 。 千卡 时 平均热 流 小 孚 卫 卫华率竺生 千知米 · 时 口 式 中 。 — 冷却水流 量 米 时 。 — 水 比热 千卡 度 · 吨 △ 。 —进 出水温度差 ℃ — 钢壳 与结 晶器 壁接触 面 积 米 弧形连铸机结 晶器断 面为 毫米 ， 结 晶器 高度为 毫米 ， 浇低碳 铝镇静 钢 ， 中 间 包 钢液过热度为 ℃ 。 记 录 拉速 、 结 晶器 冷却水流量 ， 冷却水温升 等数据 。 测定误差 约为 ， 计算结 晶器热 流误 差约为 。 影 响结 晶器热 流 因素如 下 拉速与热 流关系 如图 可 看出 ， 拉速增加热 流增加 。 这 也为其他 作者所证 实 〕