连铸二冷配水工艺技术北京科技大学冶金工程研究院 刘建华 liujianhua@主要内容1 二冷控制的重要性 2 铸坯凝固传热模型 3 二冷配水原理及方法简介 4 连铸二冷动态配水系统1 二冷控制的重要性 1. 出结晶器的连铸坯凝固坯壳厚度仅有8～15mm， 铸 固 壳 度仅有 铸坯的中心仍为液态钢水  为使铸坯快速凝固及实行顺利拉坯，结晶器之后 设置二次冷却装置，在该区域铸坯的凝固坯壳厚 度继续增加；  铸坯在二次冷却区中可能经受弯曲、矫直的变化， 同时液态钢水的大部分（或全部）发生凝固。

同时液态钢水的大部分（或全部）发生凝固1. 二冷控制的重要性 冷控制 要性生产普钢为主向生产优钢、品种钢、特钢转变， 对连铸机的二冷控制要求也越来越高 必须根据钢种、浇注断面、浇注温度、拉坯 必须根据钢种 浇注断面 浇注温度 拉坯 速度和铸机几何尺寸等参数来制定连铸机二冷区合 适的冷却制度。

适的冷却制度 提高配水计算的适时性、可靠性，优化二冷控制1. 二冷控制的重要性1.1 二次冷却对铸坯质量的影响各段之间的冷却不均匀，导致铸坯表面温度呈现 周期性的回升 导致凝固壳发生反复相变，是铸坯皮下裂纹 形成的原因。

1.1 二次冷却对铸坯质量的影响回温引起坯壳膨胀 当施加到凝固前沿的张应力超过钢的高温允许强度 和临界应变时 铸坯表面和中心之间就会出现中间裂纹 和临界应变时，铸坯表面和中心之间就会出现中间裂纹。

粗大纵裂纹较细小的纵裂纹1 1 二次冷却对铸坯质量的影响 1.1二冷不当，矫直时刚好位于脆性区，在矫直力作用下，容易在振痕波 谷出现表面横裂纹 谷出现表面横裂纹。

局部的强冷会使表面产生张应力而产生表面裂纹。

1 1 二次冷却对铸坯质量的影响 1.1二次冷却太弱，易产生鼓肚 二冷区内铸坯四个面的非对称性冷却，会加重铸坯菱变 二冷冷却强度对铸坯中心偏析也有影响1 1 二次冷却对铸坯质量的影响 1.1 二冷较易调整，但对铸坯质量影响显著 二冷较易调整 但对铸坯质量影响显著  二冷对表面质量和内部质量影响不一致  二冷技术的发展较为迅速70 60 50 扒皮率,% 40 30 20 10 0 1 2 试验方案 3 4 16.7 4.8 60.0 50.0抽样板坯34块1. 二冷控制的重要性 冷控制 要性1.2 二冷的主要工艺参数 冷却强度 根据所浇注的钢种决定  冷却方式和装备 水喷雾冷却、气－水喷雾冷却、干式冷却、半干式冷 却等  冷却水的分配 二冷区整个长度上的分配要与铸坯的凝固相适应；在 宽度方向上的分布要求温度尽可能均匀。

 二冷水的控制1 二冷控制的重要性 1.1.3 二次冷区配水原则  二次冷却强度的确定原则 铸坯进入二冷区，由于内部液心较多，坯壳 较薄，坯壳收缩产生的应力还不算大。

此时加大冷却强度可使坯壳厚度迅速增加， 保证高拉速情况下，不出现拉漏事故。

凝固坯壳的厚度增加到一定程度后，坯壳的 热阻相应增加，要相应地逐渐减小冷却强度，以 免铸坯表面热应力过大产生裂纹。

在整个 冷 本着自 在整个二冷段本着自上而下冷却强度由强到 冷 度 弱的原则。

1 二冷控制的重要性 1. 铸坯表面横向及纵向都能均匀降温为了提高连铸的生产率，通常采用较高的冷 却强度； 高 冷 但在高的冷却强度情况下，要尽量避免铸坯 表面局部温降剧烈而产生裂纹，要使铸坯表面横 向及纵向都能均匀降温。

通常来讲，铸坯表面的冷却速度应控制在 200℃/m 以内，铸坯表面回温也应控制在 100 ～ 200℃/m以内。

1 二冷控制的重要性 1. 在矫直段铸坯表面 在矫直段铸坯表面温度不处于该钢种的脆性区 度不处 该钢种的脆性区 各钢种在高温情况下表现出不同的机械性能 在700～900℃的温度范围是铸坯的脆性区； 铸坯在脆性区进行矫直时 铸坯表面容易产 铸坯在脆性区进行矫直时，铸坯表面容易产 生裂纹。

应针对不同钢种 测定其高温力学性能 找 应针对不同钢种，测定其高温力学性能，找 出其脆性区的温度区间；制定二冷制度时，使铸 坯的表面温度不在脆性区间进行矫直。

坯的表面温度不在脆性区间进行矫直1 二冷控制的重要性 1.SS400高温塑性曲线 高温塑性曲线 1 0.9 0 8 0.8 面缩率ψ ψ，100％ 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 温度T，℃ 面缩率 率ψ，100％ 0.9 0 8 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 温度T，℃ 55C高温塑性曲线SS400的高温塑性曲线55C的高温塑性曲线1 二冷控制的重要性 1.保 保证铸坯在二冷区的鼓肚量最小 铸 在 冷 的鼓 最 在整个二冷区内应限制铸坯表面温度； 对于板坯来说，二冷区的铸坯表面温度 应限制在1000℃以内。

℃以内 对于热送热装的铸坯，又要控制切割后 的铸坯表面温度高于1000℃。

1 二冷控制的重要性 1. 根据钢种的需要选择合适的二冷区冷却强度对于裂纹敏感的钢种通常采用弱冷； 对于非裂纹敏感性钢种可采用强一些冷却； 例如低合金钢要比低碳铝镇静钢的冷却强度小。

对于对内部质量（偏析和疏松）要求比较严的钢种， 对于对内部质量（偏析和疏松）要求比较严的钢种 可采用强冷，反之可用弱冷。

1 二冷控制的重要性 1. 二冷区的冷却强度 随钢种、铸坯断面尺寸、铸机形式、拉速等参数不同 而变化，通常在0.3～1.5L/kg之间。

比水量与钢种的关系考虑以下几个方面： 对于厚板材，从改善内裂、硫偏析等方面考虑用低拉 速、高比水量比较好；从表面裂纹考虑，则用低比水量 高 虑 较好。

实际上，比水量在0.4~1.2L/kg 大范围内，各家无 统 的看法； 统一的看法； 如Al镇静钢那样对表面裂纹不敏感的钢种，有可能提 高比水量的倾向。

通常采用1.0~1.51/kg钢； 但对于厚板材中易于发生表面裂纹的高锰钢 特殊合 但对于厚板材中易于发生表面裂纹的高锰钢、特殊合 金材一般用低比水量。

1 二冷控制的重要性 1.表3 不同钢种的二冷区冷却强度钢种 普碳钢、低合金钢 中高碳钢、合金钢 裂纹敏感性钢 高速钢冷却强度，L/kg 1.0～1.2 0.6～0.8 0.4～0.6 0.1～0.32. 连铸凝固传热模型基本假设(1)沿拉坯方向传热忽略，仅考虑铸坯横断面上的传热；铸 沿拉坯方向传热忽略 仅考虑铸坯横断面上的传热 铸 坯的传热简化为二维非稳态传导传热； (2)钢的热物理特性在液相区、凝固两相区以及固相区为分 钢的热物理特性在液相区 凝固两相区以及固相区为分 段常数；对流状态对传热的影响用增大导热系数的方法来 等效 即把对流传热等效成传导传热 等效，即把对流传热等效成传导传热；2. 连铸凝固传热模型凝固传热微分方程CT T  T   (K )  (K ) y y t x x初始条件与边界条件（1）初始条件：t=0时结晶器中钢水温度等于浇注温度 （2）边界条件： ）边界条件 T T 铸坯中心  0；K 0 Kx x D1/ 2，t 0 y y  D 2 / 2，t 0铸坯表面K结晶器：qs =A-B t 二冷区：qs=h(Tb-TW) 空冷区：qs=εσ[(Tb+273)4-(T0+273)4]T T  q s； K  qs y y 0，t 0 x x0，t 02. 连铸凝固传热模型传热数学模型的求解（有限差分法）离散化差分方程4t 1 [ K(T2,1p+T1,2p-2T 2T1,1p)+h(Ta-T )+h(Ta T1,1p)Δx] ] 2 OA边： C ( x ) 2 2t 1 p+T p+2T p-4T p)+h(Ta-T p)Δx] Ti,1p+1=Ti,1p+ [ K(T i+1,1 i-1,1 i,2 i,1 i,1 2 2  C (  x ) A点： 点 2t p p p p Tm,1p+1=Tm,1p+ 2 [K(Tm-1,1 +Tm,2 -2Tm,1 )+h(Ta-Tm,1 )Δx] C ( x ) AC边： t Tm,jp+1=T Tm,jp+ [K(2Tm-1,jp+Tm,j+1p+Tm,j-1p-4T 4Tm,jp)] 2 C ( x ) C点： Tm,np+1=Tm,np+ 2t 2 [K(Tm-1,np+Tm,n-1p-2Tm,np)] C ( x ) CB边： 边 t p p p p Ti,np+1=Ti,np+ 2 [K(Ti+1,n +Ti-1,n +2Ti,n-1 -4Ti,n )] B点： C ( x ) 2t p+T p-2T p)+h(Ta-T p)Δx] +1=T T1,np+1 T1,np+ [K(T T 2T ) h(T T ] 2,n 1,n-1 1,n 1,n 2 BO边： C ( x ) t p p p p p T1,jp+1=T1,jp+ 2 [K(2T2,j +T1,j+1 +T1,j-1 -4T1,j )+2h(Ta-T1,j )Δx] C ( x ) 内部节点 内部节点： t Ti,jp+1=Ti,jp+ [K(Ti+1,jp+Ti-1,jp+Ti,j+1p+ Ti,j-1p -4Ti,jp)] 2 C ( x )O点：T1,1p+1=T T1,1p+收敛条件 （1）对于绝热边界节点AC边、C点、CB边和内部节点t C (x) 24( K  hx)（2）对于对流边界节点OA边、 边 A点、 点 B点、 点 BO边t C (x) 24K（3）对于角部节点O点t C (x) 22(2 K  hx) 在ΔX、ΔY一定时，Δt要从这三个数值中取最小值， 才能满足上述差分方程的收敛和稳定性条件。

2. 连铸凝固传热模型二冷控制的冶金准则选择原则1）钢脆性温度的限制：矫直区避开脆性区 2）铸坯表面冷却速度的限制：最大冷却速度为 ）铸坯表面冷却速度的限制 最大冷却速度为200℃ /m 3）铸坯表面温度回升的限制：回升速率不大于100℃/m 4）铸坯液相穴长度的限制：剪切区无液芯 5）铸坯鼓肚的限制 6）出结晶器坯壳厚度的限制 上述冶金准则比较笼统 尤其在凝固组织控制 及偏析控制方面模型计算物性参数选择液相线、固相线温度 热物性参数（密度 、导热系数 、比热 ） 液相穴对流运动的处理 凝固潜热Lf 结晶器的热流密度二冷区综合传热系数 0 351(h的单位为kw/m 2 ℃， 2 s) 水喷嘴 h=0.42W h 0 42W0.351 k / 2. ℃ W的单位为l/m l/ 2. ) 汽水喷嘴 h=116+10.44W0.815(h的单位为w/m2.℃，W的单位为 ) l/m2.min) 冷却介质物性参数q=2680000-b L / v J/m2.s 式中b=1.5(2680000- q )/ Lm / v 2.s q =C ×m×ΔT/S J/m w eff2. 连铸凝固传热模型精确传热计算的依据 参数选择准确  测量浇铸钢种高温力学性能，确定脆性区间  结晶器热流密度的现场测量，修正结晶器热流的 计算公式 q  A  B t  二冷喷嘴物性参数的测定；经验公式与实测相结 合的办法确定更精确的二冷区综合传热系数h  通过射钉、测温等办法对模型计算结果反复验证2 连铸凝固传热模型 2.计算结果2 连铸凝固传热模型 2.拉速（m/min） 宽面足辊水量（t/h） 窄面足辊水量（t/h） 零段上部水量（t/h） 零段下部水量（t/h） 四区外水量（t/h） 四区内水量（t/h） 五区外水量（t/h） 五区内水量（t/h） 六区外水量（t/h） 六区内水量（t/h） 七区外水量（t/h） 七区内水量（t/h） 八区外水量（t/h） 八区内水量（t/h） 总水量（t/h） 比水量（L/kg g钢） 22 2.2 33.83 6.06 41.02 33.06 13.42 12.08 10.83 8.66 17.70 12.39 15.69 9.41 15 69 15.69 7.85 237.69 1.086 21 2.1 32.46 5.81 39.36 31.23 12.85 11.57 10.36 8.30 16.94 11.86 15.02 9.01 15 02 15.02 7.52 227.3 1.088 20 2.0 31.08 5.56 37.70 29.40 12.28 11.05 9.91 7.93 16.18 11.33 14.35 8.61 14 35 14.35 7.18 216.91 1.09 19 1.9 29.66 5.31 35.85 28.02 11.69 10.52 9.43 7.60 14.88 10.42 13.66 8.20 10 68 10.68 5.34 201.2 1.065 18 1.8 28.27 5.05 33.99 26.63 11.10 9.99 8.95 7.16 13.58 9.51 12.97 7.78 7 00 7.00 3.50 185.48 1.036 17 1.7 27.41 4.80 32.31 25.24 10.48 9.46 8.47 6.78 13.16 9.22 11.54 6.92 6 11 6.11 3.06 174.95 1.035 16 1.6 26.26 4.55 30.64 23.84 9.85 8.92 7.99 6.39 12.75 8.92 10.11 6.07 5 23 5.23 2.61 164.43 1.033 15 1.5 25.69 4.30 28.96 22.45 9.23 8.39 7.51 6.01 12.33 8.63 8.68 5.21 4 34 4.34 2.17 153.9 1.0323. 二冷配水原理及方法     人工配水 比例控制法 参数控制法 有效拉速法 目标温度动态控制法3. 二冷配水原理及方法（1）人工配水 根据浇铸的钢种，在开浇之前设定二冷总水量和各冷却 区的水量，浇铸过程中参数不变；或根据肉眼观察到的铸坯表 面温度进行适当调整。