[科普中国]-二次冷却区

简介

冷却区设备改造、二次冷却工艺以及二次冷却水配水等方面进行研究。主要研究内容如下：首先对现有连铸工艺过程进行分析，运用固体传热理论，探讨了影响铸坯质量和连铸速度的主要因素，并在连铸控制系统改造过程中对二次冷却水的一次供水设备进行了改造。其次，运用现代控制技术和通讯技术，针对连铸二次冷却水控制系统存在的问题，建立了高效连铸过程中自动配水的数学模型，并对此进行优化。再次，利用集散分布控制理论，采用PLC，实现了连铸的自动配水功能。其中配水参数以处方的形式存储在控制器中，在系统调用时无需通过网络到上位机取值。最后，引入网络概念，选用美国Honeywell公司的SCAN3000/S9100e集控系统，实现连铸二次冷却配水的远程控制。上述成果为提高方坯的连铸速度，降低事故率，使机械设备能高效的运转，实现“降成本、提产量”的目标奠定了很好的基础。

圆坯连铸机尤其是大圆坯连铸机在我国的钢铁企业中具有举足轻重的地位，用圆坯所生产的最终产品是优质无缝管。随着国民经济的日益发展，连铸机的技术水平不断进步，对连铸坯的要求也越来越高。而影响连铸坯质量的重要因素之一是合理的设计和布置二冷区，选择合理的二冷区设计方案、控制二冷水的配水量、合理的布置二冷区设备等等都会对连铸坯质量产生很大的影响。根据设计、制造的四流大圆坯连铸机的结构形式，分析和探讨圆坯连铸机二冷区的设计结构和特点。

圆坯连铸机二冷区的结构特点与板坯连铸机及方坯连铸机不同，其二冷段的支承结构也不一样。由于圆坯出结晶器后所形成的坯壳强度相对来说比较大，而且圆坯的形状使其散热均匀，因此圆坯连铸机的二冷分区、冷却水量、冷却水配置及喷水角度和喷水高度都有其自身独特的配置原理和特点。

在连铸设备中，通常我们把铸坯(或钢水)在结晶器内通过结晶器闭环冷却水所形成的热交换过程叫一次冷却，出结晶器后继续对铸坯进行喷水(或喷汽水)直到铸坯横向断面完全凝固的冷却过程叫二次冷却，铸坯从出结晶器到完全凝固这段区域叫二次冷却区1。

二冷区的传热铸坯出结晶器后形成了一定厚度的坯壳，在二冷却区内铸坯内部的热量继续传出，并在铸坯表面完成热量交换，铸坯才能继续凝固。铸坯中心的热量是通过坯壳传到铸坯表面的，而铸坯表面的传热主要由以下几个方式进行：

① 铸坯表面向空气中的辐射传热；

② 空气与铸坯之间的对流传热；

③支承辊与铸坯之间的接触传热；

④水滴的蒸发传热。

从以上传热方式来看，铸坯表面向空气中的辐射传热和空气与铸坯之间的对流传热一般来说是不能改变和控制的。由于圆坯连铸机的结构特点，二冷区内支承辊布置的相对距离很大，而且支承辊的数量也很少，因此支承辊与铸坯之间的接触传热量相当少。

由此来看．影响铸坯表面传热最大的因素是水滴的蒸发传热。因此，要提高二冷区的冷却效率，就必须充分掌握喷雾水滴与高温铸坯之间的热交换过程，配置合理的二冷系统，而且还要考虑对铸坯表面质量的影响2。

二冷区对铸坯质量的影响铸坯从结晶器出来形成一个薄的外壳，其中心仍为高温钢水，形成一个很长的液相穴。为了使铸坯继续凝固，在连铸机上设置了二次冷却喷淋区。在二冷区设有喷水冷却系统和按弧线排列的导辊系统，对铸坯起支承和导向作用。由于圆坯的坯壳强度比较大，所产生的鼓肚变形很小，所以在圆坯连铸机上所设置的导辊数量很少，而且相互布置得间距也比较大。通常对于圆坯连铸机和方坯连铸机，在二冷区内不设驱动辊，驱动辊设置在二冷却区外的拉矫机上。

二冷区喷水冷却对铸机产量和铸坯质量都有很大影响。冷却强度增大，可加速铸坯的凝固。但冷却强度是与钢的裂纹敏感性密切相关的，受铸坯质量的约束。二冷区冷却强度对铸坯质量主要有以下几个方面的影响：

①铸坯表面冷却不均匀易导致坯壳温度回升，从而使铸坯产生中间裂纹或皮下裂纹。

② 如冷却强度太大，当铸坯进人拉矫区时表面温度若低于900℃铸坯就很容易产生横裂纹。

③如冷却强度不够，铸坯带液心矫直，铸坯在固一液界面上易产生矫直裂纹。另外，铸坯冷却强度不足还容易使铸坯在进人切割机时未完全凝固，从而造成切漏事故。

④ 在二冷区内铸坯表面温度过高或表面温度不均匀，易产生鼓肚变形及中心偏析。

⑤二冷区冷却强度过太，会促使柱状晶发达，易使铸坯形成穿晶结构，从而使铸坯中心疏松和偏析加重。

对于许多钢种来说，铸坯在700—900℃温度区间是最危险的区间。因为在这一温度区间内铁素体发生从 至y结构的晶型转变(Ac3点)，这一转变使得体积突然发生变化，并在晶界上有AIN和Nb沉淀物析出，使铸坯的延展性降低，加剧了铸坯矫直时表面横向裂纹的形成和扩展。因此，必须避免在交替冷却铸坯以及在铸坯回热时重复通过Ac3点的温度。二次冷却不能太强烈，以避免局部过冷，同时也应确保铸坯在高于900℃时披矫直3。

二冷区的布置与控制在二冷区内对铸坯冷却温度的控制效果将直接影响到铸坯的质量。因此，对不同规格的连铸坯，必须对冷却水的分区、喷雾角度、喷嘴距离和水压进行适当的调整。喷嘴必须适当放置，以使被冷却的铸坯在同一平面上周围获得均匀或几乎均匀的表面温度。

合理地布置冷却子区域，沿铸坯顺序排列，控制各子区域的冷却强度，以确保喷雾密度和冷却效果与拉速及液相芯长度相一致。

在太多数情况下，对于一个新设计的连铸机，最初选择的喷雾参数只是理论参考值。必须在铸坯试运转过程中进行修正和调整，以确定最合理的冷却参数。

对于圆坯连铸机，二冷区的布置与控制

主要应从以下几个方面来考虑。

(1)喷淋区域

圆坯连铸机二冷区一般分3个子冷却区。足辊段为一区，在这一区设有3个喷淋环，这一区的冷却强度相对其它区要强一些。

扇形1段为二区，这一区喷淋环的数量由扇形段的支承导辊数量来确定，一般喷淋环布置在两支承导辊中间。

扇形2段和扇形3段为三区，喷淋环布置在扇形段2和扇形段3辊子之间及每段自身辊子之间。在这一区随着铸坯表面温度的降低，冷却强度相对要弱一些。

(2)喷淋环和喷嘴的布置

二冷区的喷淋环一般都布置在各支承导辊之间，在喷淋环上一般安装有4个喷嘴，相邻两喷淋环上的喷嘴应错开45。

二冷段的足辊区(一区)因为辊子间距太近，一般采用扁平喷嘴。其它区由于辊子间距较大，一般采用圆锥喷嘴或矩形喷嘴，使水能喷射在铸坯上的面积更大，使冷却更均匀。

(3)喷嘴水流密度和水量的分配

当设计一个新的连铸机时，喷水流量和喷淋水分配的设计常常由计算机程序来算出。但通常计算机程序的一些基本数据也是以经验数据为基础的，因此使用类比法、参照同类产品的设计参数尤为重要1。

总结设计合理的二冷区不但可以提高连铸机的生产率，而且对铸坯质量产生很大的影响。对于新设计的连铸机必须充分考虑这一点，而且应参考相类似设备的参数来确定，并应通过现场校验以获得最佳的配比参数1。