攀钢板坯连铸二冷配水模型的开发与应用

攀钢板坯连铸二冷配水模型的开发与应用陈永伍兵赵克文杨素波摘要：通过建立连铸板坯二维非稳态传热数学模型,分析了拉速、冷却强度和钢水过热度对铸坯表面温度的影响,改进和完善了现行的二冷配水制度。为进一步扩大攀钢板坯连铸新品种和提高铸坯质量奠定了基础。关键词：板坯连铸二冷配水数学模型Development and Application of Model of Secondary Cooling WaterDistribution in Slab Continuous Casting at Pan Zhihua Iron & Steel CompanyChen YongWu BingZhao KewenYang Subo(Pan Zhihua Iron & Steel Research Institute)Abstract：The effects of casting speed, cooling conditions and superheat on strand surface temperature have been analyzed and the water distribution in secondary cooling zones has been improved by using two-dimensional transient mathematical model of heat transfer, which have provided references for increasing new steel grades and improving slab quality at Pan Zhihua Iron & Steel Company.Keywrods：slab continuous castingsecondary cooling water distributionmathematical model1前言攀钢1350板坯连铸机自投产以来,将所有生产钢种分为3组,套用意大利提供的3组连铸二冷水表(即3种配水制度),用于浇注低碳铝镇静钢、普碳钢及优碳钢、低合金钢。各水表对应的最高拉速分别为:1.7、1.55和1.40m/min。因此,建立和完善离线二冷传热计算模型,制定适合以1.8m/min拉速生产的二冷配水制度,是完成1.8m/min高拉速攻关目标的需要。2数学模型的建立2.1凝固传热方程的导出连铸坯的凝固过程是通过水冷结晶器和二次喷淋冷却区把钢液热量带走,从而使之转变为固体的过程1。为了通过数模研究这一过程,以铸坯厚度方向为X轴,宽度方向为Y轴,拉坯方向为Z轴。考虑铸坯冷却的对称性,取1/4断面为研究对象,在建立数学模型前作如下假定:(1)由于拉坯方向散热量很小,大约占3%6%,故忽略Z方向传热;(2)拉速恒定时,传热条件不随拉速变化;(3)铸坯内两相区和液相区的对流传热用等效导热系数表示,将对流传热过程等效成传导传热过程;(4)凝固过程中比热c的变化用转换热焓法处理;(5)连铸机二冷区同一冷却段冷却均匀。经上述简化后,板坯凝固的二维传热微分方程为:(1)根据假设(3)和(4),模型计算中引进如下方程:(2)(3)将式(2)和式(3)代入式(1),得到如下的凝固传热方程:(4)2.2初始条件和边界条件初始条件:T(x,y)=0=T0(浇注温度)(5)边界条件:铸坯中心(6)铸坯表面(a)结晶器(7a)(7b)(b)二冷喷淋区(8a)(8b)(c)空冷区(9a)(9b)以上的导热方程加上初始条件和边界条件,构成了连铸坯的二维非稳态传热数学模型的基本方程组。采用有限差分法对上述方程进行离散化处理后,即可编写凝固传热数学模型。3数学模型的校验和验证3.1攀钢二冷条件下各冷却区“换热系数与水量(h-W)关系”的确定根据不同拉速条件测温位置处的铸坯表面温度,及现场计算机系统采集的二冷相关参数,通过传热计算数学模型推算出各区的平均换热系数。应用最小二乘法原理,回归出攀钢连铸机二冷段各冷却区的平均换热系数与其水量的计算公式,各关系式表示如下:区宽面:h=0.4218W0.5510(r=0.98)(10)区:h=0.3243W0.2740(r=0.929)(11)区内弧:h=0.3858W0.3214(r=0.963)(12)区内弧:h=0.4124W0.3885(r=0.962)(13)区内弧:h=0.5482W0.6931(r=0.986)(14)3.2模型验证不同拉速条件下,根据现场实际水量模型计算的铸坯表面温度、凝固坯壳厚度和凝固终点位置与实际标定结果见表1(射钉法标定凝固终点)。从表1可以看出,模型计算值与实测值基本吻合,说明所建立的数学模型真实地描述了攀钢板坯连铸凝固传热过程。表1不同拉速下凝固坯壳厚度和铸坯表面温度实测值与计算的对比拉速m。min-1凝固坯壳厚度/mm凝固终点/m区温度/区温度/区温度/实测标定模型计算实测标定模型计算实测计算实测计算实测计算1.8079.58025.3125.099859809399379309281.738081.524.9724.059989909359339269181.64838423.3222.539819759359339189181.458687.521.5620.919749709319299209151.35909119.8319.26989984938936950946注:射钉位置在78号扇形段之间,铸坯断面1/4处。 4数学模型的应用4.1分析影响铸坯表面温度变化的主要因素4.1.1拉速的影响拉速对二冷传热和凝固过程影响极其明显,图1为二维传热模型的计算结果。由图1可知,在水量不变时,随着拉速的提高,铸坯表面温度升高。拉速每增加0.1m/min,铸坯表面温度升高15。图1拉速对铸坯表面温度的影响4.1.2比水量的影响拉速一定时,比水量对铸坯表面温度有较大的影响,如图2所示。模拟计算结果表明,铸坯表面温度随比水量的增加而降低。比水量每增加0.05L/kg,在二冷区区铸坯表面温度平均降低12。图2比水量对铸坯表面温度的影响4.1.3钢水过热度的影响数学模型计算结果表明,钢水过热度对铸坯表面温度影响不显著,如图3所示。过热度每增加10,在二冷段的、区铸坯表面温度平均升高68,在二冷段的、区铸坯表面温度平均升高24。但过热度高对铸坯内部质量不利,因此根据钢种和产品质量要求把过热度控制在适宜的范围内。图3钢水过热度对铸坯表面温度的影响4.2优化二冷配水制度攀钢板坯连铸自投产以来,一直沿用的是意大利提供的3组连铸二冷水表(即3种配水制度),而这3种配水制度中最高拉速仅有1.7m/min,因此,为保证1.8m/min拉速攻关目标的实现,必须建立与1.8m/min相适应的二冷配水制度。同时,随着市场的不断变化及对产品质量要求的日益苛刻,客观上要求攀钢扩大连铸新品种和提高铸坯质量。对此,在Gleeble 1500 热模拟试验机上进行连铸钢种的高温塑性测试,根据具体钢种的高温延塑性性能,结合攀钢连铸机的具体情况制定各冷却区的铸坯表面目标温度,在此基础上,利用传热计算模型计算出各冷却区的水量及其分配。4.2.11.8m/min拉速试验及效果目前,利用修订和完善后的08Al系列钢种的水表已成功的开展了5个中间包次1.8m/min拉速的考核试验。每个包次以1.8m/min拉速浇钢都在35炉以上,出矫直区铸坯表面实测温度与目标温度差值见图4。图4出矫直区铸坯表面实测温度与目标温度差值由图4可见,出矫直区铸坯表面实测温度与目标温度差为-413。同时,试验期间所浇铸坯表面、内部质量良好,这说明新开辟的连铸二冷水表满足攀钢高拉速连铸生产的需要。4.2.2二冷配水制度优化调整后的现场使用效果自1998年9月以来,现场生产全面使用优化调整后的二冷水表。水表调整具有以下特点:一适当增加比水量,二将前两个冷却区的水量分配比例适当减少,而将第、区水量分配比例适当增加。表2对比了二冷配水制度分配调整前后的铸坯低倍检验部分结果。表2二冷水量分配调整前后的铸坯中心偏析比较代表钢种使用水表中心偏析类别ABC08Al,stb23,stb35调整水表前调整水表后1.50.51.5Q235-B调整水表前调整水表后0.51.00.52.00.51.51.01.50.51.0Q195,P510L调整水表前调整水表后0.52.00.51.50.51.00.51.00.51.0X52,20MnSi调整水表前调整水表后1.50.51.01.50.51.0从表2可见,铸坯的中心偏析缺陷得到了一定程度的改善,且现场铸坯表面质量检查,没有发现明显的角横裂纹等与二冷制度有关的缺陷。因此,二冷配水制度的优化满足了攀钢连铸的品种对二冷制度的需求。 5结论(1)凝固传热数学模型计算结果与现场实测结果基本吻合,准确地反映了攀钢连铸板坯凝固过程的实际情况,可用于指导连铸生产实践。(2)经反复验证通过试验研究得到的各冷区的平均换热系数与水量的关系式是可靠的,为攀钢开展二冷配水制度的优化研究提供了可靠的依据。(3)根据典型钢种高温延塑性能测定结果,改进和优化了连铸钢种的二冷配水制度,一年来的生产实践表明,优化后的二冷配水制度取得了改善铸坯内部质量的明显效果。这对今后攀钢开发连铸新钢种制定配水制度以及提高铸坯质量都具有重要的实用价值。附符号表:T铸坯温度/c钢的比热/kJ。kg-1。-1导热系数/W。m-1。-1Tb二冷区环境温度/h平均换热系数/kW。m-2。-1XD2铸坯厚度的一半/mm变换温度/斯蒂芬-波尔兹曼常数/kW。m-2。k-4时间/sec钢的密度/kg。m-3铸坯表面黑度q热流密度/kW。m-2W水流密度/L。m-2。sec-1YB2铸坯宽度的一半/mmH热焓/kJ。kg-1下标:宽宽面;窄窄面作者单位：陈永(攀枝花钢铁研究院)伍兵(攀枝花钢铁研究院)赵克文(攀枝花钢铁研究院)杨素波(攀枝花钢铁研究院)参考文献：1蔡开科.连续铸钢.北京:科学出版社,1990:216220