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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)計良好的一冷過程即使以3m/min的拉速都能達到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，此時坯殼厚度是一個較為均勻的數(shù)值。當前很多企業(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，足輥段就起到相當于一冷的作用，也可以看做一冷過程的延長段，離開足輥后的鑄坯就可以達到相應(yīng)的安全坯殼厚度，繼續(xù)接受二冷過程的洗禮。對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)坯殼的厚度往往達到25mm以上，不必擔(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散發(fā)出去，隨著時間延長，固態(tài)坯殼在不斷增加其厚度，當離開二冷噴嘴水霧粒子的冷卻作用時，即二冷結(jié)束的時候，鑄坯僅僅依靠輻射和對流兩種傳熱方式散熱，也就是干冷，持續(xù)對鑄坯進行冷卻。
這里就提出了一個二冷坯殼臨界厚度的概念，即二冷噴嘴的布置應(yīng)該在哪一點結(jié)束?二冷噴淋管布置需要多大的長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
二冷室中鑄坯運行實質(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)動力，一維傳導(dǎo)傳熱熱流密度公式表達為，式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)計算和實際數(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，而輻射和對流散熱量之和為201.24KW/m2，此時的固態(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。而當坯殼達到60mm的厚度，這個差值就為8.24KW/m2，意味著僅僅靠輻射和對流傳熱大于鑄坯內(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到和超過這個臨界的坯殼厚度，當鑄坯進入干冷階段，鑄坯僅僅在輻射和對流的作用下持續(xù)降溫。這里給出的60mm的坯殼厚度就是二冷臨界厚度。對于與相應(yīng)的鑄機半徑，就有了二冷臨界角度的設(shè)計。比如9米半徑的鑄機以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)計需要遵守這個原則。
臨界坯殼厚度計算
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(絕對溫度K)，T1是環(huán)境溫度(絕對溫度K)。
對流傳熱熱流密度Qconvection見公式3。
公式3
這里的K為對流傳熱系數(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流傳熱就能夠完全帶走，此時的固態(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，為了達到良好的二冷過程，必須對此進行研究和實踐，計算了當時生產(chǎn)所有的鋼種，使用JMatPro計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)，認為固相線溫度為固態(tài)坯殼內(nèi)部熱面溫度，這樣計算的結(jié)果是，當鑄坯表面溫度為1100℃時候，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，計算鑄坯臨界二冷厚度，然后確定出需要的二冷段長度。
大斷面低拉速鑄坯二冷段
對于特別大的鑄坯，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，目的就是不能對鑄坯實施過度冷卻，只要達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。若鑄機的基本半徑過大，鑄坯拉速很低，必須在固態(tài)坯殼達到臨界厚度后就要停止水噴嘴的冷卻，必要的時候在進入拉矯機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)晶器銅管長度800mm，有效利用700mm，足輥段估計300~500mm，二冷一段僅僅在1米左右就可以達到要求了。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奧氏體狀態(tài)進入矯直變形之中。
超高拉速小方坯連鑄機二冷段
現(xiàn)代普碳鋼小方坯生產(chǎn)的拉速越來越高，國外鋼鐵設(shè)備廠商宣傳他們的超高拉速小方坯能夠達到6m/min以上的拉速正常生產(chǎn)，達到很好的效益，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，按照6m/min的拉速生產(chǎn)150mm方坯，如果要達到60mm的二冷臨界厚度，此時的整個冷卻段的長度必須達到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的二冷段，比如采用R12m半徑的鑄機，其弧長達到約19米，可以布置二冷弧長約15米，以備給與高速運動的鑄坯以足夠的二冷冷卻，圖3為高拉速連鑄機的二冷二段和三段。
圖3 高拉速小方坯鑄機二冷二段和三段
圖4 JMatPro軟件計算的Q235相變溫度
對常用的Q235鋼種計算得知，鋼的液相線溫度為1513℃，固相線溫度為1460℃，見圖4，當二冷室內(nèi)的鑄坯表面溫度為1130℃時候，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，對應(yīng)的二冷冷卻段弧長相應(yīng)降低，在有限的連鑄機基本半徑情況下，達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)動力△t僅僅為230℃;而普碳鋼Q235的固相線溫度高達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，相對于普碳鋼來說其二冷設(shè)計為弱冷模式，如果采用較強的二冷，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)動力小，所以固態(tài)坯殼增長速度也相應(yīng)較小，達到鑄坯二冷臨界厚度需要的時間較長，在與此相應(yīng)的弱冷模式下，需要較長的二冷冷卻段，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半徑原因之一。同時優(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)特鋼連鑄機拉速相對較低，所以形成臨界坯殼厚度需要的時間較長，二冷段長度也是需要延長的，對優(yōu)特鋼連鑄機的二冷設(shè)計，需要進行計算需要的臨界二冷長度，從作者本人的實踐來看，不希望過于強烈的二冷，只要坯殼達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)坯殼達到這個厚度，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，其二冷段長度也是可以相同的。
但是很多連鑄機生產(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，還有的連鑄機方圓坯兼用，所以對二冷的設(shè)計尤為重要，了解鑄坯臨界二冷厚度對優(yōu)化設(shè)計二冷過程是有一定的幫助。
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