方坯連鑄機(jī)二冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黎建全，何 博，陳登福，楊文中

(1.攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司，四川 攀枝花 617062;2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400030)

0 前言

連鑄二次冷卻是合理控制鑄坯傳熱的重要手段，是整個(gè)連鑄生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量有著重要影響。連鑄坯表面裂紋、內(nèi)部裂紋、鑄坯鼓肚、中心裂紋和中心偏析等缺陷的形成和擴(kuò)展與二次冷卻緊密聯(lián)系。

攀枝花鋼釩股份有限公司六機(jī)六流方/圓坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的鋼種主要有齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、合結(jié)鋼、優(yōu)質(zhì)管坯鋼等，這些鋼種的凝固冷卻特性與產(chǎn)生裂紋的敏感性等是不同的、彼此差異較大，而且所澆注鋼種尤其是澆注的管坯軋制石油套管，對(duì)鋼質(zhì)有較高的要求。該鑄機(jī)投產(chǎn)以來(lái)，所生產(chǎn)的連鑄坯質(zhì)量完全滿足后步工序的要求，這與其科學(xué)的二冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、合理的二冷區(qū)噴嘴選型及其布置，以及開(kāi)發(fā)制定的二冷模型和工藝制度密不可分，本文就攀鋼方圓坯連鑄機(jī)中方坯二冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 鑄機(jī)二冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

攀鋼方圓坯鑄機(jī)設(shè)計(jì)年產(chǎn)100 萬(wàn)t 連鑄坯，主要為集團(tuán)內(nèi)其它公司提供優(yōu)質(zhì)方坯和管坯鋼，其中方坯連鑄的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

二次冷卻的目的是對(duì)離開(kāi)結(jié)晶器后的鑄坯進(jìn)行連續(xù)冷卻，使之逐漸完全凝固，并對(duì)鑄坯起支撐導(dǎo)向作用。好的二次冷卻系統(tǒng)首先必須滿足寬度和澆注方向上鑄坯表面的冷卻要均勻［1］。本鑄機(jī)二冷系統(tǒng)在此方面開(kāi)展了一系列優(yōu)化工作。

表1 攀鋼方坯鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of Pansteel billet CCM

1.1 鑄機(jī)縱向二冷噴嘴的非等間距布置

在二次冷卻區(qū)拉坯方向上，鑄坯的坯殼厚度逐漸增加，凝固殼的熱阻也逐漸增加，鑄坯表面的熱流沿著拉坯方向逐漸下降。理想的二次冷卻結(jié)構(gòu)是既要滿足鑄坯在設(shè)定位置完全凝固，還需滿足鑄坯表面溫度的下降速度和回升速度在控制范圍之內(nèi)。

為獲得鑄坯在拉坯方向上的均勻冷卻，二冷區(qū)內(nèi)不僅區(qū)與區(qū)之間噴嘴間距不相同，且每個(gè)區(qū)內(nèi)的噴嘴的間距也均不相同，采用了非等間距布置的方案。噴嘴非等間距布置，相對(duì)于等間距布置而言，在拉坯方向上噴嘴間距逐漸遞增。連鑄過(guò)程噴嘴的等間距布置與非等間距布置的結(jié)構(gòu)示意圖(圖1、圖2)。

圖1 二冷噴嘴等間距布置示意圖Fig.1 Equidistance arrangement of nozzles in secondary cooling system

圖2 二冷噴嘴非等間距布置示意圖Fig.2 Non-equidistance arrangement of nozzles in secondary cooling system

1.2 二冷過(guò)渡區(qū)域設(shè)計(jì)

過(guò)渡區(qū)指相鄰兩個(gè)冷卻區(qū)間的交界區(qū)域，如圖3 所示。在過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，由于受導(dǎo)向支撐輥、噴淋管支撐結(jié)構(gòu)等機(jī)架布置的影響，使得該區(qū)域噴嘴間距較大，鑄坯在很長(zhǎng)一段區(qū)域內(nèi)得不到噴水冷卻，處于輻射空冷狀態(tài)。

圖3 方坯鑄機(jī)過(guò)渡區(qū)示意圖Fig.3 Transition zone of billet continuous caster

為研究這一區(qū)域內(nèi)的鑄坯傳熱情況，以45#鋼1.6 m/min 拉速進(jìn)行仿真計(jì)算，得到鑄坯表面溫度變化曲線如圖4 所示。從圖4 中發(fā)現(xiàn)，鑄坯表面溫度在二冷區(qū)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在相鄰噴嘴間由于受噴水冷卻與輻射傳熱的交替進(jìn)行，導(dǎo)致表面溫度的周期性波動(dòng)，但整體波動(dòng)較小;在相鄰兩段的過(guò)渡區(qū)域，由于鑄坯未噴水冷卻，處于輻射空冷過(guò)程，導(dǎo)致表面溫度出現(xiàn)較大的回升，尤其是在過(guò)渡區(qū)Ⅱ和Ⅲ，表面溫度分別回升了78℃和66℃。而冶金準(zhǔn)則中認(rèn)為，表面溫度的過(guò)度回升易導(dǎo)致凝固前沿產(chǎn)生過(guò)大的張應(yīng)力，應(yīng)力可能超過(guò)凝固前沿的斷裂強(qiáng)度從而產(chǎn)生內(nèi)部裂紋［2］，對(duì)鑄坯質(zhì)量控制不利。

為減少過(guò)渡區(qū)溫度回升，最有效的措施是減少過(guò)渡區(qū)域輻射空冷段的長(zhǎng)度。為此，本研究中盡可能在過(guò)渡區(qū)域增加一排噴嘴和采取斜噴的方式，將過(guò)渡區(qū)域噴嘴向過(guò)渡區(qū)內(nèi)側(cè)傾斜。過(guò)渡區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)后鑄坯表面溫度見(jiàn)圖5。從圖5 中明顯發(fā)現(xiàn)過(guò)渡區(qū)表面溫度回升得到了較大的緩解，分別降低至51℃和42℃，有利于提高鑄坯質(zhì)量。

1.3 夾持區(qū)橫向的噴嘴布置

方坯角部是二維傳熱，需考慮角部過(guò)冷，特別是二冷初期的角部過(guò)冷，以防止產(chǎn)生鑄坯缺陷。此外，如果噴嘴布置過(guò)多，將增加生產(chǎn)過(guò)程中的維護(hù)工作量?；谶@兩方面，需考慮夾持段橫向噴嘴布置的合理性。該回路的噴嘴布置見(jiàn)圖6。

通過(guò)仿真計(jì)算分析方坯在該段典型位置的橫斷面溫度場(chǎng)來(lái)判斷確定方坯角部是否過(guò)冷。以45#鋼，在拉速為1.8 m/min、比水量為0.76 L/kg 情況下，二冷一回路第三排噴水和第五排噴水結(jié)束處斷面上溫度場(chǎng)的分布見(jiàn)圖7 和圖8。鑄坯的斷面圖是取鑄坯斷面的一半繪制的。斷面圖中，左面為對(duì)稱中心線，右面為鑄坯的側(cè)面表面，上部為鑄坯的內(nèi)弧表面，下部為鑄坯的外弧表面。相鄰等溫線的間隔為20℃。

圖6 二冷一回路噴嘴橫向布置圖ig.6 Transverse arrangement of nozzles in first loop

仿真結(jié)果表明，在鑄坯的角部未出現(xiàn)溫度梯度過(guò)大、角部溫度過(guò)低的現(xiàn)象，夾持區(qū)噴嘴橫向布置合理。

圖7 第三排噴嘴噴水結(jié)束處斷面溫度分布Fig.7 Cross-section temperature at the 3th row nozzles after water spray

2 攀鋼方坯鑄機(jī)的二冷結(jié)構(gòu)及噴嘴布置

根據(jù)前面的分析計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)出攀鋼方坯連鑄機(jī)的二次冷卻結(jié)構(gòu)及噴嘴布置，二次冷卻系統(tǒng)由4 個(gè)噴淋區(qū)組成，其中足輥和夾持段為二冷Ⅰ區(qū)，純水冷卻;其余導(dǎo)向段為二冷Ⅱ區(qū)到Ⅳ區(qū)，采用氣水噴嘴冷卻，每個(gè)冷卻區(qū)具有單獨(dú)的控制系統(tǒng)，各冷卻區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖8 第五排噴嘴噴水結(jié)束處斷面溫度分布Fig.8 Cross-section temperature at the 5th row nozzles after water spray

表2 鑄機(jī)二冷各區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameters of each secondary cooling zone

2.1 二冷Ⅰ區(qū)

二冷Ⅰ區(qū)包含足輥段和夾持段，選用圓錐形水噴嘴。每個(gè)面以鑄坯表面中心對(duì)稱布置2 個(gè)噴嘴，兩噴嘴間存在一定的噴淋水交叉，這一交叉有效避免了單噴嘴邊緣水流密度下降導(dǎo)致冷卻強(qiáng)度的不足，沿拉坯方向布置5 排噴嘴，采用非等間距布置，各排噴嘴間距整體呈遞增趨勢(shì)，保證了鑄坯的均勻冷卻。單排噴嘴在周向上的布置見(jiàn)圖9。

2.2 二冷Ⅱ區(qū)

二冷Ⅱ區(qū)布置在弧形段上端，包括噴淋集管1，均選用圓錐形汽水噴嘴。在鑄坯各面的中心布置有1 個(gè)噴嘴，在方坯角部存在一定的純輻射冷卻區(qū)，主要是考慮方坯角部二維傳熱，冷卻速度快，容易產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象，對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，因此有意減緩這些區(qū)域的冷卻，單排噴嘴在周向上的布置見(jiàn)圖10。在拉坯方向上布置8 排汽水噴嘴，噴嘴在這一區(qū)域基本呈等間距布置，噴淋水分配器布置在冷卻區(qū)中部的4、5 排噴嘴間，各噴嘴從冷卻區(qū)中部獲得供水，以保證各冷卻區(qū)上部噴嘴獲得足夠的供水壓力。

圖9 二冷Ⅰ區(qū)周向噴嘴布置Fig.9 Arrangement of nozzles in theⅠzone of secondary ooling zone

圖10 二冷Ⅱ區(qū)周向噴嘴布置Fig.10 Arrangement of nozzles in theⅡzone of secondary cooling zone

由于過(guò)渡區(qū)域布置有支撐輥，使得過(guò)渡區(qū)較長(zhǎng)，鑄坯在這一區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間處于輻射散熱狀態(tài)，易引起鑄坯在過(guò)渡區(qū)域的溫度回升。為減少過(guò)渡區(qū)的輻射空冷長(zhǎng)度，減少回溫，將過(guò)渡區(qū)附近噴嘴傾斜，即將該區(qū)第一排噴嘴向上(即拉坯方向的反方向)，最后一排噴嘴向下傾斜了一定角度。噴嘴傾斜角度及噴嘴安裝位置的確定與噴射圓位置有關(guān)，噴嘴的傾斜度和安裝位置都是在保證噴射圓位置不變的基礎(chǔ)上確定，從而保證了噴嘴在鑄坯表面的噴射圓的合理分布，達(dá)到均勻冷卻的目的。

2.3 二冷Ⅲ區(qū)

二冷Ⅲ區(qū)布置在弧形段中部，包括噴淋集管2，均選用圓錐形汽水噴嘴，鑄坯內(nèi)外弧與左右側(cè)噴嘴型號(hào)有所不同。在鑄坯各面的中心布置有1 個(gè)噴嘴，考慮方坯角部過(guò)冷在角部?jī)蓚?cè)各留有一定的純輻射區(qū)。單排噴嘴在周向上的布置見(jiàn)圖11。

圖11 二冷Ⅲ區(qū)周向噴嘴布置Fig.11 Arrangement of nozzles in the Ⅲzone of secondary cooling zone

在拉坯方向上布置7 排噴嘴，第一排噴嘴向上、最后一排噴嘴向下傾斜了一定角度，噴嘴呈非等間距布置，間距逐漸增加，這與坯殼逐漸遞增，熱流下降，冷卻強(qiáng)度降低是相適應(yīng)的。冷卻水分配器布置在第4、第5 排噴嘴間，各噴嘴從冷卻區(qū)中部獲得供水，以保證各冷卻區(qū)上部噴嘴獲得足夠的供水壓力和水流量。

2.4 二冷Ⅳ區(qū)

二冷Ⅳ區(qū)布置在弧形段下部，包括噴淋集管3，均選用圓錐形汽水噴嘴，鑄坯內(nèi)外弧與左右側(cè)噴嘴型號(hào)有所不同。在鑄坯各面的中心布置有1 個(gè)噴嘴，考慮方坯角部過(guò)冷在角部?jī)蓚?cè)各留有一定的純輻射區(qū)，單排噴嘴在周向上的布置如圖12 所示。

圖12 二冷Ⅳ區(qū)周向噴嘴布置Fig.12 Arrangement of nozzles in the Ⅳzone of secondary cooling zone

在拉坯方向上布置7 排噴嘴，第一排噴嘴向上、最后一排噴嘴向下傾斜了一定角度，噴嘴間間距呈非等間距布置，間距從2.0°到2.8°逐漸遞增。噴淋水分配器布置在第3、第4 排噴嘴間，各噴嘴從冷卻區(qū)中部獲得供水，以保證各冷卻區(qū)上部噴嘴獲得足夠的供水壓力和水流量。

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬分析，結(jié)合攀鋼鑄機(jī)設(shè)備狀況，優(yōu)化設(shè)計(jì)了方坯二冷結(jié)構(gòu)及噴嘴布置，其主要特點(diǎn)為:

(1)鑄機(jī)弧半徑為10 m，二次冷卻區(qū)較長(zhǎng)，約為9431.11 mm，較長(zhǎng)的二次冷卻區(qū)可有效的控制鑄坯的傳熱，對(duì)生產(chǎn)高品質(zhì)鋼種創(chuàng)造了有利條件;二冷區(qū)共分四個(gè)冷卻區(qū)，足輥和夾持段為Ⅰ區(qū)，采用純水冷卻，弧形段為Ⅱ-Ⅳ區(qū)，采用氣水冷卻。

(2)在整個(gè)二冷區(qū)，沿著拉坯方向，噴嘴采用非等間距布置，噴嘴間距呈遞增趨勢(shì)。采用這種噴嘴布置與鑄坯坯殼厚度逐漸增厚，鑄坯散熱量減少，冷卻強(qiáng)度依次降低是相適應(yīng)的，符合鑄坯均勻冷卻的原則。

(3)在二冷各區(qū)，將靠近過(guò)渡區(qū)域噴嘴向過(guò)渡區(qū)內(nèi)側(cè)傾斜一定角度(即第一排噴嘴向上、最后一排噴嘴向下)，有助于減少過(guò)渡區(qū)輻射空冷長(zhǎng)度，減緩過(guò)渡區(qū)溫度的回升。

(4)在噴嘴周向布置上，Ⅰ區(qū)采用雙噴嘴且有交叉，有效避免了單噴嘴邊緣水流密度下降導(dǎo)致冷卻強(qiáng)度的不足;考慮到方坯角部二維傳熱，冷卻速度快，容易產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象，對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，Ⅱ-Ⅳ區(qū)角部存在一定的純輻射冷卻區(qū)，有意減緩角部的傳熱。

［1］馮科.Q235 鋼方坯高拉速連鑄二次冷卻制度的研究［D］.重慶大學(xué)，2000.

［2］G VanDrunen，JK Brimacombe.Internal cracks in Strand Cast billets［J］.Ironmaking and Steelmaking，2(2):125－133.