連鑄坯的凝固與傳熱過程研究

肖 強

（萊鋼型鋼煉鋼廠，山東 萊蕪 271126）

一、凝固過程實質(zhì)是傳熱過程

鋼液放出的熱量包括：過熱、潛熱、顯熱。

鋼水的凝固：鋼水的凝固實際上是一個強制冷卻、加速鋼液傳熱的過程。結(jié)晶器、二冷、空冷。冷卻銅管的水迅速帶走鋼液中的大部分的熱量，使鑄坯形成均勻且具有一定厚度的坯殼，保證足夠的強度，對抗鋼水的靜壓力，減少鼓肚、脫方。結(jié)晶器內(nèi)的凝固：鋼水與銅管接觸，以100度/S的速度冷卻，形成了鋼液-凝固殼---銅管交界面。

連鑄機分為結(jié)晶器冷卻、二次冷卻、空氣冷卻三個不同的冷卻區(qū)域。

連鑄凝固傳熱包括傳導(dǎo)、對流和輻射三種傳熱方式并存，屬于綜合傳熱。

二、結(jié)晶器冷卻

1 結(jié)晶器的熱交換

結(jié)晶器是一個非常強的熱交換器，結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度的生長取決于鋼水向結(jié)晶器冷卻水的傳熱速率，而傳熱速率又受到整個過程所需克服的熱阻影響，熱阻包括：

（1）鋼水與坯殼界面的對流傳熱；

（2）凝固殼本身的傳導(dǎo)傳熱；

（3）坯殼與銅管界面的熱阻，坯殼26%、氣隙71%、銅管壁1%。氣隙起到?jīng)Q定性作用。坯殼厚度與凝固時間成平方根關(guān)系；

（4）結(jié)晶器銅壁的熱傳導(dǎo)；

（5）冷卻水與結(jié)晶器銅管壁的熱傳導(dǎo)。

2 鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的凝固可用平方根公式計算

平方根公式：

式中：S---坯殼厚度，mm;

T---凝固時間，min;

K---凝固系數(shù)，mm*min-1/2

3 結(jié)晶器長度的確定

確定結(jié)晶器長度的主要依據(jù)是鑄坯出結(jié)晶器下口時的坯殼最小厚度。若坯殼過薄，鑄坯就會出現(xiàn)鼓肚變形，甚至拉漏。對于大斷面鑄坯，要求坯殼厚度大于15mm；小斷面鑄坯為8～10mm。結(jié)晶器長度一般在700～900比較合適；但也有1200mm長的；現(xiàn)在大多數(shù)傾向于把結(jié)晶器長度增加到900mm，以適應(yīng)高拉速的需要。理論計算表明，結(jié)晶器熱量的50%是從上部導(dǎo)出的，結(jié)晶器下部只起到支持作用；因而過長的結(jié)晶器無益于坯殼的增厚，所以沒有必要選用過長的結(jié)晶器。

4 結(jié)晶器的倒錐度

鋼液在結(jié)晶器內(nèi)冷卻凝固生成坯殼，進而收縮脫離結(jié)晶器壁，產(chǎn)生氣隙。因而導(dǎo)熱性能大大降低，由此造成鑄坯的冷卻不均勻；為了減小氣隙，加速坯殼生長，結(jié)晶器的下口要比上口斷面略小，稱結(jié)晶器倒錐度。常見有兩種表示方法

式中ε1---結(jié)晶器每米長度的倒錐度，%/m；

S下---結(jié)晶器下口斷面積，mm2；

S上---結(jié)晶器上口斷面積，mm2；

Lm---結(jié)晶器的長度，m。

5 影響結(jié)晶器傳熱的因素

（1）坯殼、坯殼與結(jié)晶器壁之間氣隙、結(jié)晶器壁、結(jié)晶器與冷卻水間界面。

(2)設(shè)計參數(shù)對結(jié)晶器傳熱的影響結(jié)晶器錐度、結(jié)晶器長度、結(jié)晶器內(nèi)表面形狀、結(jié)晶器材質(zhì)、結(jié)晶器壁厚度。

(3)操作工藝對結(jié)晶器傳熱的影響：

拉速、過熱度、結(jié)晶器潤滑劑、結(jié)晶器冷卻水流速和溫度.

三、二冷區(qū)冷卻

1 在二冷區(qū)內(nèi)鑄坯的冷卻情況與在結(jié)晶器內(nèi)有很大的不同

在二冷區(qū)，主要的散熱方式是表面噴水強制冷卻。特別是鑄坯在二冷區(qū)每一個輥距（即兩個相鄰夾輥與坯殼表面切點之間的距離）之內(nèi)，都要周期性地通過四種不同的冷卻區(qū)域，分別是段為空冷區(qū)、水冷區(qū)、空水混冷區(qū)、輥冷區(qū)。

2 二冷的設(shè)計原則

連鑄機的生產(chǎn)率與鑄坯質(zhì)量在很大程度上取決于二次冷卻。基于這兩個方面的考慮，二次冷卻都應(yīng)遵循以下幾個原則：

（1）上強下弱。鑄坯出結(jié)晶器后，在二冷亡段坯殼薄、熱阻小、坯殼收縮產(chǎn)生的應(yīng)力亦小，這些條件有利于強冷以增加坯殼厚度，減少漏鋼事故。隨著鑄坯不斷地向二冷下段運動，坯殼逐漸加厚，熱阻增大，為避免鑄坯表面因應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋，要逐漸減小冷卻強度（亦稱比水量：即每千克鋼耗水量L/kg）。采用上強下弱的冷卻制度，控制鑄坯的液芯長度在連鑄機的冶金長度內(nèi)，才能避免帶液相矯直而產(chǎn)生內(nèi)裂紋。適宜的冷卻強度可以減輕或避免鑄坯的裂紋、中心疏松等缺陷。

（2）保證鑄坯表面均勻冷卻。通過對噴嘴位置的適當調(diào)整，使鑄坯角部冷卻不至于過大，要求拉坯方向表面溫差小于200℃/m，橫向表面溫差小于100℃/m 。

（3）控制鑄坯表面回溫在容許范圍內(nèi)。防止凝固前沿的拉應(yīng)力過大而導(dǎo)致內(nèi)裂紋，應(yīng)控制二次冷卻空冷段鑄坯表面的回溫速度小于100℃/m。

（4）、耗水量要能靈活調(diào)節(jié)，因為冷卻強度隨鋼種而變。一般對于普碳鋼、低合金鋼的冷卻強度為1.0～2.0 L/kg；中高碳鋼、合金鋼為，0.3～0.6 L/kg。某些熱敏感性強的鋼種冷卻強度還要低一些。

（5）避免在脆性區(qū)（700～900℃）矯直?，F(xiàn)在通常采用高溫矯直，即矯直點的鑄坯溫度大于900℃。

（6）冷卻效率要高，以加速熱量的傳遞。

3 二次的冷卻方式

二冷區(qū)內(nèi)是采用直接噴水對鑄坯進行冷卻。

冷卻強度、冷卻水量、水壓、水溫、噴嘴結(jié)構(gòu)和布置、噴嘴與鑄坯間的距離等都對鑄坯散熱有直接影響。

應(yīng)根據(jù)鋼種和斷面要求確定合理冷卻制度。

對鑄坯二次冷卻目前有水噴霧冷卻和氣水噴霧冷卻兩種方式。氣-水噴霧冷卻與全水噴霧冷卻相比有以下優(yōu)點；水霧化好，水滴直徑小，冷卻均勻；噴嘴出口直徑大，不易堵塞；噴嘴數(shù)量少，均勻覆蓋更大的板坯面積，節(jié)約用水；流量調(diào)節(jié)范圍大。因此，在沒有減少總的傳熱情況下，減少了單位冷卻負荷；提高了冷卻效果；提高澆注方向上水流橫向沖擊力，可使不蒸的水從鑄坯表面更快的轉(zhuǎn)移，并且沒有多余的不可控制的水流。

4 影響二冷區(qū)傳熱的因素

（1）噴嘴結(jié)構(gòu)和布置；

（2）噴水密度和坯表面溫度；

（3）噴淋水滴速度和噴嘴壓力；

（4）比水量；

（5）噴嘴的堵塞。

5 一個好的二次冷卻系統(tǒng)必須滿足下列要求。

（1）寬度和澆鑄方向上鑄坯表面的冷卻要均勻

（2）以高的噴淋水汽化量來實現(xiàn)高冷卻效率；

（3）未汽化的水，特別是板坯鑄機內(nèi)輥子之間的未汽化水的停留時間最短。

四、如何優(yōu)化好連鑄坯凝固和傳熱

1 結(jié)晶器采用合理的錐度，才能使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水均勻的冷卻，錐度過大過小都不好。

2 在保證結(jié)晶器有足夠的冷卻強度的前提下，盡可能的降低結(jié)晶器水的流速。

3 二冷系統(tǒng)采用動態(tài)配水，避免拉速變化對鑄坯質(zhì)量的影響。

4 合理的選擇好噴嘴的參數(shù)，二冷系統(tǒng)要均勻，噴嘴不易堵塞。

[1]蔡開科.連續(xù)鑄鋼500問[M].北京：冶金工業(yè)出版社.

[2]蔡開科.連鑄結(jié)晶器[M].北京：冶金工業(yè)出版社.