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二冷坯殼臨界厚度提出與分析
二冷臨界厚度概念
結(jié)晶器一冷結(jié)束后，在結(jié)晶器內(nèi)形成的固態(tài)坯殼包裹著高溫鋼水進(jìn)入二冷過程，為了保證懸掛的鑄坯在二冷過程中的順利暢通和冷卻，離開結(jié)晶器銅管的固態(tài)坯殼必須有一個(gè)安全的厚度，如150mm方坯離開結(jié)晶器銅管的安全坯殼厚度為8~10mm，如果低于這個(gè)數(shù)值極易在坯殼最為薄弱的地方出現(xiàn)撕裂和重熔，產(chǎn)生漏鋼事故。一冷的主要目的就是確保離開銅管后的固態(tài)坯殼四周都達(dá)到或超過安全厚度，并且沒有能夠產(chǎn)生缺陷的內(nèi)應(yīng)力。一般來說設(shè)計(jì)良好的一冷過程即使以3m/min的拉速都能達(dá)到13mm的厚度，在銅管內(nèi)的固態(tài)坯殼在四周方向上都得到了良好的冷卻，此時(shí)坯殼厚度是一個(gè)較為均勻的數(shù)值。當(dāng)前很多企業(yè)追求高拉速生產(chǎn)，比如5m/min以上的拉速，為了保持鑄坯的周正而使用較多的足輥，足輥段就起到相當(dāng)于一冷的作用，也可以看做一冷過程的延長(zhǎng)段，離開足輥后的鑄坯就可以達(dá)到相應(yīng)的安全坯殼厚度，繼續(xù)接受二冷過程的洗禮。對(duì)于很低拉速的大斷面鑄坯來說，離開結(jié)晶器銅管約束的鑄坯，其固態(tài)坯殼的厚度往往達(dá)到25mm以上，不必?fù)?dān)心一冷過程的固態(tài)坯殼厚度。
為了保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，必須控制鑄坯內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。懸掛在二冷室內(nèi)的鑄坯四壁就應(yīng)該得到均勻的冷卻，在輻射、對(duì)流和水霧粒子傳導(dǎo)氣化傳熱的作用下將鑄坯內(nèi)部帶到表面的熱量及時(shí)散發(fā)出去，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，固態(tài)坯殼在不斷增加其厚度，當(dāng)離開二冷噴嘴水霧粒子的冷卻作用時(shí)，即二冷結(jié)束的時(shí)候，鑄坯僅僅依靠輻射和對(duì)流兩種傳熱方式散熱，也就是干冷，持續(xù)對(duì)鑄坯進(jìn)行冷卻。
這里就提出了一個(gè)二冷坯殼臨界厚度的概念，即二冷噴嘴的布置應(yīng)該在哪一點(diǎn)結(jié)束?二冷噴淋管布置需要多大的長(zhǎng)度才能保證正常的鑄坯傳熱?決定二冷噴嘴角度的因素有哪些?如何設(shè)計(jì)二冷才能保證鑄坯良好的內(nèi)外在質(zhì)量，消除或減少鑄坯的內(nèi)部裂紋?
圖1 150mm方坯切割后斷面的色溫
二冷室中鑄坯運(yùn)行實(shí)質(zhì)上是在冷卻條件下不斷增加厚度的固態(tài)坯殼包容著鋼水下行的過程，方坯和矩形坯角部屬于二維傳熱方式，傳熱的效率要高于坯殼的中部。由鑄坯色溫就可以明顯看出鑄坯角部的溫度低于中心部位，見圖1所示。觀察二冷室內(nèi)的鑄坯也同樣如此。鑄坯內(nèi)部的傳熱可以看作固相線溫度沿著固態(tài)坯殼一維傳熱的模式，固相線溫度和鑄坯表面溫度的差值是傳導(dǎo)傳熱的驅(qū)動(dòng)力，一維傳導(dǎo)傳熱熱流密度公式表達(dá)為，式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)計(jì)算和實(shí)際數(shù)據(jù)得知高溫狀態(tài)下固態(tài)坯殼的導(dǎo)熱系數(shù)約為30~33W/m·K。設(shè)離開二冷噴淋作用的鑄坯表面溫度約為1050℃，如果此時(shí)固態(tài)坯殼厚度為50mm，得知20鋼鑄坯的熱流密度為231.6KW/m2，而輻射和對(duì)流散熱量之和為201.24KW/m2，此時(shí)的固態(tài)坯殼熱流密度積累了-30KW/m2差值，說明鑄坯內(nèi)部傳熱到表面熱量并沒有完全被帶走，熱量的積累造成了固態(tài)坯殼升溫。而當(dāng)坯殼達(dá)到60mm的厚度，這個(gè)差值就為8.24KW/m2，意味著僅僅靠輻射和對(duì)流傳熱大于鑄坯內(nèi)部帶來的熱量，就可以完全帶走鑄坯表面的熱量，熱量不會(huì)在固態(tài)坯殼中積累，沒有固態(tài)坯殼回溫條件。眾所周知，鑄坯過大的回溫將造成鑄坯內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，良好的二冷設(shè)計(jì)就是要保證鑄坯內(nèi)在質(zhì)量，所以二冷噴嘴的布置一定要使其鑄坯達(dá)到和超過這個(gè)臨界的坯殼厚度，當(dāng)鑄坯進(jìn)入干冷階段，鑄坯僅僅在輻射和對(duì)流的作用下持續(xù)降溫。這里給出的60mm的坯殼厚度就是二冷臨界厚度。對(duì)于與相應(yīng)的鑄機(jī)半徑，就有了二冷臨界角度的設(shè)計(jì)。比如9米半徑的鑄機(jī)以2.8m/min的拉速生產(chǎn)150mm方坯，二冷臨界的角度應(yīng)該為60度，這樣才能保證正常的傳熱過程。二冷設(shè)計(jì)需要遵守這個(gè)原則。
臨界坯殼厚度計(jì)算
固態(tài)坯殼傳導(dǎo)傳熱熱流密度Qc見公式1。
公式1
這里的W為導(dǎo)熱系數(shù)，h為固態(tài)坯殼厚度，Tsold和Tsurface分別是固相線溫度和鑄坯表面溫度。
輻射傳熱熱流密度Qradiation見公式2。
公式2
這里的ε為表面輻射系數(shù)，σ是斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)，其值為5.669×10-8W/(m2K4)，T為鑄坯表面溫度(絕對(duì)溫度K)，T1是環(huán)境溫度(絕對(duì)溫度K)。
對(duì)流傳熱熱流密度Qconvection見公式3。
公式3
這里的K為對(duì)流傳熱系數(shù)，T2為環(huán)境溫度。
固態(tài)坯殼臨界厚度，即鑄坯由內(nèi)向外傳出來的熱量與外界僅僅依靠輻射傳熱和對(duì)流傳熱就能夠完全帶走，此時(shí)的固態(tài)坯殼的厚度成為二冷固態(tài)坯殼臨界厚度：
(公式4)
十幾年前作者在鋼廠生產(chǎn)各種規(guī)格的圓坯和方坯，為了達(dá)到良好的二冷過程，必須對(duì)此進(jìn)行研究和實(shí)踐，計(jì)算了當(dāng)時(shí)生產(chǎn)所有的鋼種，使用JMatPro計(jì)算出鋼種的液相線溫度，見圖4，固相線溫度和高溫固態(tài)坯殼導(dǎo)熱系數(shù)，認(rèn)為固相線溫度為固態(tài)坯殼內(nèi)部熱面溫度，這樣計(jì)算的結(jié)果是，當(dāng)鑄坯表面溫度為1100℃時(shí)候，其二冷臨界坯殼厚度落在了約60mm左右。根據(jù)不同鋼種，不同的液相線和固相線兩相區(qū)寬度，以及拉速，制定出正確的二冷過程中鑄坯表面溫度，計(jì)算鑄坯臨界二冷厚度，然后確定出需要的二冷段長(zhǎng)度。
大斷面低拉速鑄坯二冷段
對(duì)于特別大的鑄坯，由于拉速很低，加上足輥段的冷卻，往往都不需要其余的二冷段，或者僅僅需要很短的二冷一段，目的就是不能對(duì)鑄坯實(shí)施過度冷卻，只要達(dá)到傳熱和散熱平衡后，結(jié)束二冷噴淋布置，僅僅依靠輻射傳熱來散熱即可。若鑄機(jī)的基本半徑過大，鑄坯拉速很低，必須在固態(tài)坯殼達(dá)到臨界厚度后就要停止水噴嘴的冷卻，必要的時(shí)候在進(jìn)入拉矯機(jī)前的二冷室需要采取保溫措施，以防止過低的鑄坯表面溫度進(jìn)入到交織區(qū)。圖2表示大斷面矩形坯僅僅只有二冷一段情況。
圖2 350x450mm矩形坯僅僅只有足輥段冷卻和二冷一段冷卻
比如凝固系數(shù)為K=20，拉速V=0.2m/min，二冷臨界坯殼厚度為60mm，于是只需要1.8m的冷卻距離就可以不用二冷噴水冷卻了。一般結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度800mm，有效利用700mm，足輥段估計(jì)300~500mm，二冷一段僅僅在1米左右就可以達(dá)到要求了。然后鑄坯就不必經(jīng)受水的洗禮，盡量緩和減少鑄坯熱量散發(fā)，保持鑄坯表面晶粒以?shī)W氏體狀態(tài)進(jìn)入矯直變形之中。
超高拉速小方坯連鑄機(jī)二冷段
現(xiàn)代普碳鋼小方坯生產(chǎn)的拉速越來越高，國(guó)外鋼鐵設(shè)備廠商宣傳他們的超高拉速小方坯能夠達(dá)到6m/min以上的拉速正常生產(chǎn)，達(dá)到很好的效益，拭目以待吧。這種超高拉速的小方坯二冷段布置就必須較長(zhǎng)，按照6m/min的拉速生產(chǎn)150mm方坯，如果要達(dá)到60mm的二冷臨界厚度，此時(shí)的整個(gè)冷卻段的長(zhǎng)度必須達(dá)到20米以上，才能解除二冷噴嘴的布置，這樣必須使用大半徑的基本半徑來布置這種超高拉速連鑄機(jī)的二冷段，比如采用R12m半徑的鑄機(jī)，其弧長(zhǎng)達(dá)到約19米，可以布置二冷弧長(zhǎng)約15米，以備給與高速運(yùn)動(dòng)的鑄坯以足夠的二冷冷卻，圖3為高拉速連鑄機(jī)的二冷二段和三段。
圖3 高拉速小方坯鑄機(jī)二冷二段和三段
圖4 JMatPro軟件計(jì)算的Q235相變溫度
對(duì)常用的Q235鋼種計(jì)算得知，鋼的液相線溫度為1513℃，固相線溫度為1460℃，見圖4，當(dāng)二冷室內(nèi)的鑄坯表面溫度為1130℃時(shí)候，二冷鑄坯臨界坯殼厚度為60mm，如果提高20℃，將鑄坯表面溫度提高到1150℃，此時(shí)的臨界坯殼厚度為55mm，所以特別高拉速的二冷過程中鑄坯表面溫度也是非常高的，對(duì)應(yīng)的二冷冷卻段弧長(zhǎng)相應(yīng)降低，在有限的連鑄機(jī)基本半徑情況下，達(dá)到散熱和傳熱的平衡。
優(yōu)特鋼鑄坯的生產(chǎn)
優(yōu)特鋼由于使用較多的合金元素，液相線和固相線溫度差別較大，比如軸承鋼液相線溫度為1455℃，但是固相線溫度只有1330℃，在1100℃的鑄坯表面溫度下，固態(tài)坯殼傳熱的驅(qū)動(dòng)力△t僅僅為230℃;而普碳鋼Q235的固相線溫度高達(dá)1460℃，△t為370℃，由此可見軸承鋼固態(tài)坯殼的傳導(dǎo)傳熱效率要比普碳鋼固態(tài)坯殼傳熱要低60%，鑄坯內(nèi)部傳導(dǎo)到表面的熱量大大減少，相對(duì)于普碳鋼來說其二冷設(shè)計(jì)為弱冷模式，如果采用較強(qiáng)的二冷，一旦出現(xiàn)冷卻不均勻，將造成鑄坯出現(xiàn)各種缺陷，比如脫方菱變，內(nèi)部裂紋等。
由于高碳鋼和合金鋼結(jié)構(gòu)鋼鑄坯固態(tài)坯殼傳熱的驅(qū)動(dòng)力小，所以固態(tài)坯殼增長(zhǎng)速度也相應(yīng)較小，達(dá)到鑄坯二冷臨界厚度需要的時(shí)間較長(zhǎng)，在與此相應(yīng)的弱冷模式下，需要較長(zhǎng)的二冷冷卻段，一般配置二冷一段、二冷二段和二冷三段，采用的連鑄機(jī)弧形半徑也相應(yīng)較大，這也是為什么優(yōu)特鋼需要較大的鑄機(jī)半徑原因之一。同時(shí)優(yōu)特鋼的二冷使用氣水霧化噴嘴占據(jù)主導(dǎo)地位，見圖5和圖6。
圖5 優(yōu)特鋼方坯連鑄機(jī)二冷
圖6 優(yōu)特鋼圓坯二冷二段和三段
由于優(yōu)特鋼連鑄機(jī)拉速相對(duì)較低，所以形成臨界坯殼厚度需要的時(shí)間較長(zhǎng)，二冷段長(zhǎng)度也是需要延長(zhǎng)的，對(duì)優(yōu)特鋼連鑄機(jī)的二冷設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行計(jì)算需要的臨界二冷長(zhǎng)度，從作者本人的實(shí)踐來看，不希望過于強(qiáng)烈的二冷，只要坯殼達(dá)到該鋼種的臨界二冷厚度，就可以停止噴嘴的作用了，僅僅依靠輻射傳熱來散除鑄坯內(nèi)部傳遞過來的熱量，這樣可以保持鑄坯處于較高的坯溫，減少和消除鑄坯內(nèi)部裂紋，從而保證鑄坯的內(nèi)在質(zhì)量。
鑄坯臨界二冷厚度與鑄坯的規(guī)格無關(guān)，不管是小斷面的普碳鋼和大斷面的優(yōu)特鋼，只要固態(tài)坯殼達(dá)到這個(gè)厚度，不論鑄坯內(nèi)部液態(tài)鋼水占據(jù)的厚度大小，其鑄坯由內(nèi)向外傳導(dǎo)的熱量就能夠被輻射傳熱帶走，達(dá)到傳熱和散熱的平衡。例如高拉速生產(chǎn)150mm小方坯和165mm小方坯，鋼種一致的情況下，其臨界二冷坯殼厚度都是一樣的。這兩種斷面如果拉速一致，其二冷段長(zhǎng)度也是可以相同的。
但是很多連鑄機(jī)生產(chǎn)鋼種非常多，從低碳鋼到高碳鋼，從高拉速普碳鋼到較低拉速優(yōu)特鋼，從小方坯到大方坯，還有的連鑄機(jī)方圓坯兼用，所以對(duì)二冷的設(shè)計(jì)尤為重要，了解鑄坯臨界二冷厚度對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)二冷過程是有一定的幫助。
實(shí)時(shí)匯聚核
心行業(yè)動(dòng)態(tài)
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實(shí)時(shí)匯聚核心行業(yè)動(dòng)態(tài)
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