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1、第 1 6卷第 2期 2 0 0 6年 2月 中国冶金 Ch i n a M e t a l l u r g y Vo 1 1 6，No 2 Fe b 2 0 0 6 汽车用钢大方坯 连铸二冷 配水数学模型 刘 青，曹立 国。，王 良周 ，张立 强 ，齐永革。，丁 秀中 ，粱 玫(1 北京科技大学冶金与生态工程学院 北京 1 0 0 0 8 3；2 石家庄钢铁有限责任公司炼钢厂，河北 石家庄 0 5 0 0 3 1)摘要：应用开发的连铸传热数学模型对石家庄钢铁有限责任公 司炼钢厂 电炉车 间所 生产 的 5个钢种 及 2 种 规 格铸坯的二次冷却配水进行了模拟计算；根据铸坯凝固冷却过程冶金准则
2、的要求，经反复模拟及优化，得出了二 次冷却区各段 水量 与拉 速的二 次关 系式；综合考虑了过热度对铸坯凝固过程的影响，建立了新的二次冷却水控制 模 型，并应用于实际生产。关键词：连铸；大方坯；二次冷却；配水模 型；汽车用钢 中图分类号：T F 7 7 7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 6 9 3 5 6(2 0 0 6)0 2 0 0 3 3 0 3 M a t he m a t i c a l M o d e l o f W a t e r Di s t r i bu t i o n a t S e c o n da r y Co o l i n g Zo ne i n Bl o
3、o m Co nt i nu o u s Ca s t i n g o f Au t o mo b i l e S t e e l L I U Qi n g ，C AO Li g u o 。WANG Li a n g z h o u ，ZHANG L i q i a n g ，QI Yo n g g e ，DI NG Xi u z h o n g ，LI ANG Me i(1 Me t a l l u r g i c a l a n d E c o l o g i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o 1 Un i v e r s i t y o f S
4、c i e n c e Te c h n o l o g y B e i j i n g，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a；2 S t e e l ma k i n g P l a n t S h ij i a z h u a n g I r o n S t e e 1 C o ，I t d ，S h ij ia z h u a n g 0 5 0 0 3 1，He b e i，C h i n a)Ab s t r a c t：Us i n g t h e d e v e l o p e d ma t h e ma t i c a l mo d e l f
5、o r h e a t t r a n s f e r i n c o n t i n u o u s c a s t i n g，t h e wa t e r d i s t r i b u t i o n o f s e c o n d a r y c o o l i n g z o n e s f o r 5 s t e e l g r a d e s a n d 2 s e c t i o n b l o o ms we r e c a l c u l a t e d Ac c o r d i n g t O r e q u i r e me n t s o f me t a l l
6、u r g i c a l c r i t e r i a f o r b l o o m s o l i d i f y i n g p r o c e s s，c o n i c r e l a t i o n b e t we e n s e c o n d a r y c o o l i n g wa t e r f l u x a n d c a s t i n g s p e e d we r e r e g r e s s e d：T h e n e w c o n t r o l m o d e l o f s e c o n d a r y c o o l i n g w a
7、 t e r w a s e s t a b l i s h e d b y t a k i n g t h e s u p e r h e a t o f mo l t e n s t e e l i n t o a c c o u n t M o r e o v e r。q u a l i t y o f b l o o m wa s i m p r o v e d a f t e r u s i n g n e w c o o l i n g wa s c o n t r o l mo d e l t O r e a l p r o d u c t i o n Ke y wo r d s
8、：c o n t i n u o u s c a s t i n g；b l o o m；s e c o n d a r y c o o l i n g；wa t e r d i s t r i b u t i o n mo d e l；a u t o mo b i l e s t e e l 铸坯的二次冷却在整个连铸生产过程中起着非 常重要的作用，特别是对于汽车用钢的连铸而言，由 于钢种的裂纹敏感性很 强，连铸坯质量缺陷在二次 冷却区形成和扩大的可能性急剧增大，因此连铸二 次冷却配水的研究和优化亟待深化。二次冷却控制 的目的是，在一定 的设备与工 艺条件下选择合适的 二次冷却制度，既要得到高
9、生产率，又要保证 良好的 铸坯质量。为此，以石家庄钢铁有限责任公司(简称“石钢”)炼钢厂 电炉车间的大 方坯连铸 机为对 象进 行了研究。该机组 主要工艺参数：铸坯尺寸 为 2 2 0 mm1 8 0 mm、3 0 0 mmX 2 2 0 mm；浇注钢种 有 4 5、4 0 C r、4 2 C r Mo、4 O Mn 2、2 0 C r Mn Ti 等汽车 用钢；机 型为弧形 3机 3流，圆弧半径 R=9 m、1 7 5 m；二次 冷却区有 4 个冷却段，为气一水冷却。1二 冷 配 水优 化 方 法 国内外扩大连铸品种钢的生产实践表 明，浇铸 不同的钢种，对其 沿铸机长度方 向二次冷却段铸坯
10、表面温度分布的要求也各异，即不同的连铸钢种对 应的二次冷却制度也不尽相同，故应 根据钢种 的高 温力学性能及质量要求和铸机实际情况制定相应 的 二次冷却控制制度。应用开发 的连铸二次冷却模拟软件_ 1 ，输入设 定的二次冷却工艺参数、各钢种的热物性参数、铸机 几何参数，计算出不同工艺参数下的铸坯温度场、凝 固壳厚度、液芯长度、温度梯度等，并按照冶金准则 进行反复的模拟及优化，得出二次冷却 区最佳水量 分布与最佳拉速的关系。作者简介：刘青(1 9 6 7 )男。博士。副教授；E-ma i l：q l i u me t a l 1 u s t b e d u c n；修订 日期：2 0 0 5 1
11、 0 1 0 维普资讯 http:/ 中国冶金 第 1 6卷 反复模拟及优化二次冷却水量的过程。就是确 定各钢种 目标 温度 的过程 引。选定 钢种 的 目标 温 度，首先要考虑钢的高温力学性能，然后根据二次冷 却区的冶金准则来综合考虑，针对具体的钢种和浇 铸断面对铸坯的冷却速度、表面温度、结 晶器出口坯 壳厚度、液相穴长度、特别是在矫直点处的温度要求 等进行相应的优 化；并根据石钢大方坯 连铸典型钢 种的高温延性和塑性 测试 结果，结合铸机二次冷 却的特点，确定了各 钢种及铸坯断面的 目标 表面温 度(表 1)。表 1 连铸坯二次冷却 配水的参数 Ta bl e 1 Pa r ame t e
12、 r s f o r s e c on da r y c o ol i n g wa t e r di s t r i bu t i on o f b l oo m 钢 种铸 坯 m m 星 中 间 包 t (m s徘 h i)腿 m in 1)温 度 O 段 1 段 2 段 3 段 2 2 O 1 8 O 3 O 0 2 2 O 2 2 O 1 8 0 3 00 2 2 O 2 2 0 l 8 O 3 O O 2 2 O 2 2 O 1 8 O 3 O 0 2 2 0 2 2 O l 8 O 3 O 0 2 2 0 2 铸坯冷却控制的冶金准则 在连铸过程中钢水热量的导出决定 了铸机产量 和铸
13、坯质量。其产量和质量在某种程度上存在一定 的制约关系，而在实际生产中二者又均受冷却过程 中的传热状态控制。从工艺 角度看，当连铸机条件 一定时，应寻求一种能同时满足铸机产量 和铸坯质 量 的二次冷却制度，并根据钢种提出铸坯冷却控制 的冶金准则：限制沿液相穴深度。连铸坯凝 固冷 却的过程实质上是沿液相穴的加工过程。在外力作 用下，如果凝 固前沿承受的应力超过了固相线温度 时钢的断裂强度，就可能导致 内部裂纹。因此，应避 免凝固过程中的变形，特别是对弧型连铸机应控制 液相穴在矫直点前完全凝 固。限制矫 直点铸坯 表面温度。为 了提高铸机 的拉速及产量，矫直点处 的铸坯表面温度 应控 制在第 脆 性
14、温 度 区上 限以 上，避开脆性“口袋 区”。限制铸坯表面温度的回 升。铸坯表面温度回升会导致凝 固前沿张应力增 大 而产生内部裂纹。B r i ma c o mb e的试验表明，温度 回升超过 1 0 0 m会引起内部裂纹，因此一般在二 次冷却区沿拉坯方 向将其控制在 1 0 0 m 以内。限制铸坯表面冷却速度。铸坯冷却速度过快，则 会促进裂纹的扩展，或使铸坯表面处于低延性阶段，且在热应力及机械应力 的作用下 产生新 的裂纹而 恶化铸坯质 量。一 般认 为，最 大 的冷 却速 度应为 2 0 0 m。限制二次冷却 区铸坯表 面温度。为 避免温度过高、过低和过大波动，将其表面中心温度 限制在
15、8 0 0 1 1 5 0。铸坯鼓肚将导致 中心偏 析、裂纹、疏松等缺陷，矩形坯鼓肚较方坯要 明显。铸坯 表面温度小于 1 1 0 0 C则对防止鼓肚有利。控制 出结晶器坯壳 的厚度。铸坯在出结晶器下 口时，应 保证其有均匀和足够的坯壳厚度，以免拉漏。一般，方坯出结晶器的坯壳厚度应不小于 8 1 2 mml_ 5 。从生产角度考虑，在设备一定的条件下，为保证 铸机的高生产率和合格铸坯质量，应根据不同钢种 来确定最佳的二次冷却水量控制参数，以满足冶金 准则的要求。3 配水 优 化 结 果 与水 量 回 归模 型 以 4 5号钢 2 2 0 mm1 8 0 mm铸坯 的二次冷却 配水为例，说明二次
16、冷却配水优化 的情况。4 5号钢 2 2 0 mm1 8 0 mm铸坯在不同拉速下 的配水计算结 果见表 2。二次冷却区最佳水量分布与最佳拉 速的 关 系式见 表 3和图 1。4 连铸 二次冷却 配水模 型 对大方坯连铸 的二次冷却，拉速 和过热度变化 共同影响着二次冷却水量，借鉴文献 6 ，本文 在此 设计一个新的二冷水控制模型，即：Q 一A+B +C +D，(一 2 5)(1)式 中 Q 一 二次冷却各段的水量，L mi n；一拉 速，m rai n；5 5 6 5 7 0 O 8 O 5 7 6 8 5 6 5 O 6 8 6 O O 0 O 0 0 1 O O O ；l O 0 7 5
17、 O 7 5 7 9 O 9 0 9 8 9 8 2 9 9 9 O l O O O 0 l O O 0 5 O 6 5 6 0 O 5 3 4 6 7 7 6 6 7 O 7 7 7 0 O 0 0 O 0 l O O O O O 6 5 0 2 5 4 0 6 4 d 5 3 4 4 7 5 5 4 0 O O O 0 O 0 O 0 O 5 5 5 5 O O O O O O l 7 l 7 1 7，1 7，l 7 口 l 0 l 0 1 O 1 O l 0 O O O O 5 5 5 5 5 5 9 6 9 6 8 5 8 5 8 5 O O O O O 0 O 0 O 0 O O O
18、 O O 0 O O O O 5 6 5 6 5 6 5 6 5 6 9 9 5 5 7 7 7 7 9 9 l 1 2 2 1 1 3 3 l l 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 l 1 8 8 6 6 3 3 9 9 3 3 9 9 3 3 3 3 6 6 4 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 O 0 2 2 2 2 4 4 9 9 O 2 9 9 l 1 9 9 4 4 5 5 4 4 5 5 4 4 一 一 2 维普资讯 http:/ 第 2 期 刘 青等：汽车 用钢 大方 坯连铸二冷配水数学模型 一一钢液的过热度，；AJ 系数(常数)；B 系数(常数)；c 系数(常数)
19、；D 一系数(常数)；二次冷却段的序号(i=0 3)。确定 系数 AI，B ，C ，主要考虑拉速对二次冷却 各段水量的影响。其确定方法是，运用编制 的二次 冷却模拟软件，在确定钢种和在最常用的过热度下 进行模拟和优化计 算，可获得不 同拉速下的二次冷 却各段合适的冷却水量。将各段水量与拉速的对应 表 2 4 5号钢 2 2 0 mm1 8 0 mm 断面铸坯在 不同拉速 下的配水计算 结果 Ta bl e 2 Re s u l t s o f wa t e r di s t r i bu t i o n a t di f r e r e nt w i t h dr a wa l s pe e
20、d s 表 3 4 5号钢 2 2 0 mm1 8 0 mm铸 坯二 冷区水量 分布与拉速 的回归关 系式 Tab l e 3 Re g r e s s i v e e qu a t i o n s on s e c o n d ar y c o o l i n g wat e r f l o w(Q)a n d c a s t i n g s p e e d()重 毫 棚*图 1 4 5号钢 2 2 0 mm1 8 0 mm铸坯二冷 区水量 分布与拉速 的关 系 Fi g 1 Re l a t i o ns b e t we e n s e c o nd a r y c oo l i n g
21、 wa t e r f l o w(Q)a n d c a s t i n g s p eed(v)数据 回归，可确定合理 的 AJ，B ，C 系数值。系数 D 项的引入是考虑过热度对二次 冷却各 段水量的影响。过热 度 是 由中间包温度 与钢种 的液相线温度确定的。采用测温仪连续测定中间包 内的钢水温度，并将其传至计 算机而得到适时的中 间包温度。中间包温度减去所浇钢种的液相线温度 即可确定其过热度。在最通常 的钢水浇 注温度(A t 为 2 5左右)时，不考虑过热度项对 二次冷却 的影 响，此时系数 D。为零；不为 2 5时则系数 D 不为零；A t 大于 2 5时要增加二次冷却各段的喷水
22、量，反之则减少 各段 喷 水量。图 2为 4 5号钢(2 2 0 ml rn 1 8 0 ram)在不 同的(一2 5)下二次冷却 水量的修正值 Q 一(A 7 3 +B 7 3+c )。曲线的斜率为 D 值 用同法可获得其 他钢种和规格铸坯的二次冷却各段的 D I 值，见表 4。该二次冷却配水模 型的应用，不但稳定 了铸坯 表面温度，减少了二次冷却 区的质量缺陷，改善了铸 坯的疏松及缩孔，而且为特殊 钢连铸机二次冷却水 过程控制系统的改造提供了理论依据。_星 棚*=冷 0 段-二冷l 段 二冷2 段 1 二冷3 段 矗 ；一 6 4 摹 一 2 i I 2 4 6 量 Tab l e 4 D
23、i o f di f f e r en t c o o l i ng z on e s f o r 5 s t e e l g r a de s and t wo s e c t i o n b l oo m s (下转第 4 8页)维普资讯 http:/ 中国冶金 第 1 6卷 为配重翻板式密封阀，只不过在安装 时调整好密封 角度并定期清洁其密封面即可。3 3“卡”的对策 根据分析，结合氮破真空的各类参数条件，将氮 破真空系统 中分别控制 2个真空室的 GI O 一 1 0型气 动高真空碟阀改为 Q6 4 1 F 一 1 6型气动球 阀。由于球 阀对减压阀、快切阀的响应滞后 的适应能 力要优
24、于 蝶阀，且其工作压力也提高了一个等级，使得改进后 氮破真空阀“卡”的难题得以解决。由于 V。破空阀在设 备布置 中只能选型为(1 O 一 1 O型，使得“卡”的难题很难解决。通过将 V。关闭，运用 V。、V 、V 、V 等空气破真空阀的开启试验表 明，关闭 V。可减少或避免高真空及大流量吹氩条件 下的钢包溢渣问题。据此，去掉 V。破真空阀，并将 其进、出口封堵，彻底解决了“卡”的难题。4 结 语 通过上述改进，1 0 0 t 双工位 VD的“漏”、“堵”、“卡”等难题得到了较好地解决。VD在接受钢水后 由 6级真空状态抽至小于 6 7 P a真空脱气工作状态 的时 间从 1 0 1 5 ra
25、i n缩 短到 6 6 5 mi n，工 作 真空 度 由(7 0 5)P a提 高 到(4 0 5)P a，在工 序 时 间 不 变的情况下，钢水进入真空(6 7 P a)脱气 的有效时 问由 1 O 1 5 mi n延长到 1 8 7 mi n以上，提高了 VD 效率，满足了高质量 的高碳钢脱氧、氮和氢 的要求，达到了钢水真空脱气标准。参考文献 1 童健 民 1 0 0 t VD设 计缺陷 分析 及改进 J 炼 钢，2 0 0 1 (8)：6 5 2 J 童健 民 1 O 0 l VI)设 计缺陷 分析及 改进 J 炼 钢，2 0 0 l，(8)：6 6 3 潘毓淳 炼钢设备E M 北京：
26、北京科技大学 出版社，1 9 9 2 r 4 金殿禄 钢液真夺处理 M 北京：冶金 下业 出版社，1 9 7 9 5 刘忠 懋 热 力设 备安 装 与检修 M 北京：电 力工 业 出版 社，l 9 8 2 (上接第 3 5页)5 结 论(1)应用连铸二冷模拟软件分别对 4 5、4 0 C r、4 2 C r Mo、2 0 C r Mn Ti、4 0 Mn 2钢 的 3 0 0 mm 2 2 0 mm和 2 2 0 r f l r f l 1 8 0 r n m规格 的铸坯进行 了模 拟 计算，通过对冶金准则 的比较，反复模拟及优化，利 用计算结果回归出二次冷却区各段水量与拉速的关 系式 Q 一
27、A +B +C 中的 系数 A，B ，C 。(2)拉速和过热度的变化共同影响着大方坯连 铸的二次冷却水量，而采用新设计 的二次冷却水控 制模型 Q =Af。+B +C +D，(A t 一2 5)对浇注温 度 不稳定 的工况 有重要 的指导 意义。(3)应用该二次冷 却配水模型后，水 量分布较 为均匀，有利于稳定铸坯表面温度。参 考文献：1 石家庄钢铁有限责任公司 炼钢厂 电炉车间连铸坯质量动态控 制系统结题报告f R 北京；北 京科技 大学，2 0 0 5 E 2 3 梁爱生，曾晓兵 连铸坯 冷 区 目标温度 曲线 的确定 J 重 型 机械，1 9 9 9，(6)：1 9-2 2 F 3 王良
28、周 石钢炼 钢f电炉 车问连铸机 二次冷却 技术研 究E D 北京：北京 科技 大学，2 0 0 5 4 J KB r i ma c o mb e D e s i g n o f C o n t i n u o u s C a s t i n g Ma c h i n e s B a s e d o n a He a t F l o w An a l y s i s：S t a t e o f-t h e-Ar t Re v i e w E J Ca n，Me t a l l。Qu a r t，1 9 7 6，1 5(2)；1 6 3 1 7 5 5 蔡开科 浇注与凝固 M 北京：冶金工业 出版社。1 9 8 7 6 陈登福，孙海峰，冯 科，等 ROK OP高效方 坯连铸 二冷 动态 控制算法模型E J 莺庆大学学报(自然科 学版)2 0 0 4，2 7(7)；5 9 维普资讯 http:/