高效全鋼種小方坯連鑄機(jī)二冷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則探討

譚杜

（陽(yáng)春新鋼鐵有限責(zé)任公司529600）

摘要：對(duì)于高效全鋼種小方坯連鑄機(jī)的實(shí)現(xiàn)，二冷設(shè)備和工藝至關(guān)重要。本文在實(shí)踐和模型計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)二冷設(shè)備設(shè)計(jì)的各個(gè)方面給出了指導(dǎo)性建議，包括冶金長(zhǎng)度、二冷區(qū)總長(zhǎng)以及二冷形式等。并提出采用相對(duì)柔和且均勻的冷卻是高效二冷工藝制定的核心思路，有針對(duì)性地給出了150×150mm小方坯，拉速大于3.0m/min后，采用全水噴嘴，不同鋼種比水量范圍為1.5~1.9 L/kg；除足輥外采用氣霧噴嘴，不同鋼種比水量為0.7~1.2L/kg。

關(guān)鍵詞：小方坯；高效連鑄；二冷；設(shè)計(jì)；設(shè)備、工藝；比水量

The study on second cooling design criteria aimed at high efficiency billet casting for full steel grades

Tandu

(Yangchun new iron and steel CO.,LTD,)

Abstract: Facilities and process parameters of the secondary cooling system is critical to realize high efficiency billet casting for full steel grades. Present authors give suggestions on the design of secondary cooling equipment, based on the industrial practice and model computation including metallurgical length, length of the secondary cooling zone and the type of secondary cooling. Relatively mild and uniform cooling was proposed as the most essential constituents of the high efficiency secondary cooling. During the casting of billets with cross section dimension of 150×150mm, specific water flow was in the range of 1.5~1.9 L/kg for diversified steel grades with casting speed exceeded 3.0m/min and use of full water spray nozzles, while the value would be in the scope of 0.7~1.2L/kg if aerosol spray nozzles were adopted out of the foot-roller region.

Key words: billet; high efficiency continuous casting; second cooling; design; equipment; technology; water ratio

1 前言

相比較于傳統(tǒng)連鑄，高效連鑄對(duì)二冷部分的設(shè)備參數(shù)提出了更高的要求，并且是硬性指標(biāo)。比如冶金長(zhǎng)度，如果不足則肯定無(wú)法實(shí)現(xiàn)高拉速，同時(shí)如果二冷區(qū)總冷卻長(zhǎng)度、二冷劃分不合理就無(wú)法實(shí)現(xiàn)鑄坯的均勻冷卻，隨著拉速的提高，鑄坯質(zhì)量會(huì)受影響，從而成為高拉速的限制環(huán)節(jié)。因此，二冷部分的設(shè)備設(shè)計(jì)是鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)高拉速的重要保障。

就工藝方面來(lái)說(shuō)，高拉速條件下，期望通過(guò)二冷水的強(qiáng)弱來(lái)控制、塑造鑄坯質(zhì)量的思想變的不太現(xiàn)實(shí)，更可靠的做法是通過(guò)保證在澆注過(guò)程中使鑄坯獲得均勻的冷卻（包括橫向以及沿拉坯方向），從而順利通過(guò)二冷，且不增加鑄坯質(zhì)量缺陷，尤其是對(duì)品種鋼。針對(duì)鑄坯凝固過(guò)程形成的自然缺陷，如果不能滿(mǎn)足后期軋材的要求，只有通過(guò)別的技術(shù)改善或者消除，比如輕壓下和重壓下技術(shù)^【1、2】等。

本文基于高效小方坯的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐^【3】和模型計(jì)算，探討了高效小方坯的二冷部分的設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝制定思路，期望能有利于工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

2 二冷設(shè)備設(shè)計(jì)因素

2.1最小冶金長(zhǎng)度確定

冶金長(zhǎng)度（定義：從彎月面到切割點(diǎn)的長(zhǎng)度）是限制拉速提高的硬性指標(biāo)，如果鑄坯到切割點(diǎn)還沒(méi)有完全凝固，即冶金長(zhǎng)度小于鑄坯的凝固末端，會(huì)導(dǎo)致切割漏鋼事故。

圖1給出了不同斷面鑄坯凝固末端隨著拉速的變化趨勢(shì)，二冷強(qiáng)度會(huì)影響凝固末端位置，所以同時(shí)給出了計(jì)算所用的比水量范圍。鑄機(jī)冶金長(zhǎng)度顯然要大于凝固末端，據(jù)此結(jié)合圖1可以得出不同斷面高拉速所需的最小冶金長(zhǎng)度。從圖1中可以看出：隨著拉速的提高，凝固末端后移，需要更長(zhǎng)的冶金長(zhǎng)度來(lái)保證安全生產(chǎn)。

圖1 不同斷面凝固末端隨拉速變化趨勢(shì)

Fig.1 The trend of solidification end with velocity and different section

圖1給出了計(jì)算對(duì)應(yīng)的二冷比水量，顯然比水量越大則凝固末端越小。反過(guò)來(lái)，如果冶金長(zhǎng)度已固定且成為提高拉速的限制環(huán)節(jié)，則可以在滿(mǎn)足鑄坯質(zhì)量前提下通過(guò)提高二冷強(qiáng)度的方式來(lái)加速鑄坯凝固。

2.2 二冷總長(zhǎng)確定

對(duì)于小方坯鑄機(jī)，二冷區(qū)并非像板坯一樣全部覆蓋，而是只有一段區(qū)間進(jìn)行了噴水冷卻，剩余為空冷，表面冷卻強(qiáng)度會(huì)顯著減低，對(duì)于高效連鑄，如果二冷總長(zhǎng)不足夠，出二冷后的鑄坯由于沒(méi)有水冷覆蓋，會(huì)出現(xiàn)較大的表面回溫。舉例如二冷總長(zhǎng)為10m情況下，鑄坯在出冷卻區(qū)后，拉速為1.6m/min的曲線，由于拉速低，鑄坯坯殼足夠厚，內(nèi)部的熱量不容易傳導(dǎo)到鑄坯表面，同時(shí)因拉速低，到達(dá)二冷結(jié)束地方鑄坯內(nèi)部的熱量已經(jīng)很少了，所以即使在沒(méi)有冷卻的條件下，依然不會(huì)有回溫的產(chǎn)生；而隨著拉速的提高，出二冷后鑄坯的回溫會(huì)逐漸加大，當(dāng)拉速為3.0m/min時(shí)，一方面出二冷后鑄坯內(nèi)部依然有較多的熱量，另一方面坯殼相對(duì)較薄，熱量能較快的傳導(dǎo)出來(lái)，所以鑄坯表面有較大回溫，此時(shí)容易導(dǎo)致裂紋等內(nèi)部質(zhì)量發(fā)生。

比如針對(duì)于150×150mm斷面，要實(shí)現(xiàn)4m/min的拉速，冶金長(zhǎng)度應(yīng)該大于24m，而要實(shí)現(xiàn)5m/min的拉速，冶金長(zhǎng)度應(yīng)大于31m！

圖2 不同拉速下的鑄坯回溫

Fig.2 The temperature-raising on deferent velocity

基于以上分析，根據(jù)斷面、不同拉速，給出二冷區(qū)總長(zhǎng)建議。當(dāng)然，從凝固原理上講，通過(guò)制定合適的二冷工藝，適當(dāng)提高二冷出口處的表面溫度，可以減小出二冷區(qū)后鑄坯的最大回溫，但從設(shè)備設(shè)計(jì)上講，必須能滿(mǎn)足不同冷卻工藝對(duì)二冷總長(zhǎng)的要求。

2.3 二冷區(qū)影響

在二冷總長(zhǎng)足夠的情況下，各個(gè)冷卻區(qū)的劃分會(huì)影響鑄坯質(zhì)量。一般而言，根據(jù)傳熱規(guī)律，冷卻區(qū)的劃分應(yīng)該從前到后，逐漸變長(zhǎng)。前面冷卻區(qū)太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致冷卻區(qū)內(nèi)回溫大，同時(shí)相同冷卻強(qiáng)度下（即出冷卻區(qū)的表面溫度相同），冷卻區(qū)內(nèi)最大回溫可達(dá)到≥80℃！可見(jiàn)冷卻區(qū)劃分的重要性；（2）在相同的冷卻區(qū)長(zhǎng)度條件下，強(qiáng)的冷卻會(huì)加劇冷卻區(qū)內(nèi)的最大回溫，這個(gè)結(jié)論和出二冷區(qū)后鑄坯回溫的結(jié)論是一致的，反過(guò)來(lái)可以通過(guò)改變冷卻強(qiáng)度的方式在一定程度上適應(yīng)不合適的冷卻區(qū)劃分。

3 高效二冷制度設(shè)計(jì)思路

圖3是在國(guó)內(nèi)某鋼廠實(shí)驗(yàn)結(jié)果，斷面為150×150mm，拉速為3.7m/min，鋼種為HRB335，其中二冷采用高壓全水冷卻，總管壓力為1.6MPa，比水量為1.7L/kg。

圖3為凝固組織統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從中可以看出，高拉速下的鑄坯凝固組織和低拉速基本相同：從表面的激冷層到枝晶組織，再到中心等軸晶組織，依然有約40%的等軸晶率，甚至于等軸晶率還略大于低拉速，這是因?yàn)楦呃�速條件下，二冷區(qū)只能覆蓋一定的坯殼厚度，在出二冷后，凝固前沿的冷卻速率急劇降低，會(huì)形成中心等軸晶區(qū)。并且隨著拉速的提高，中心等軸晶區(qū)有加大趨勢(shì)。但是高拉速時(shí)，采用較大的比水量，如果出二冷后鑄坯回溫較大或者冷卻區(qū)內(nèi)水量過(guò)渡不理想，很容易導(dǎo)致內(nèi)部缺陷。

圖3 某鋼廠150×150mm小方坯3.7m/min拉速下的凝固組織

Fig.3 The microstructure of 150mm billet in 3.7m/min velocity

   基于此，提出高效連鑄二冷的兩種工藝思路：

第一種：從足輥開(kāi)始所有冷卻區(qū)都采用較強(qiáng)的冷卻，能提高冷卻效率，如圖4中方案1和方案2所示。缺點(diǎn)是出冷卻區(qū)的鑄坯表面溫度會(huì)比較低，在二冷總長(zhǎng)不夠的情況下（如方案1），表面回溫會(huì)很大，會(huì)惡化鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。而在二冷總長(zhǎng)足夠的情況下（如方案2所示），這種冷卻工藝是一個(gè)可選的方式，同時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)噴嘴的實(shí)際冷卻效果做適當(dāng)調(diào)整以避免內(nèi)部質(zhì)量惡化。這種方式也僅適合普碳鋼；

第二種：采用較為柔和的冷卻方式，如圖4中方案3所示，通過(guò)盡可能保持冷卻均勻的方式使鑄坯通過(guò)二冷，也避免了出二冷后的鑄坯回溫過(guò)大，從而最大限度地降低產(chǎn)生鑄坯質(zhì)量缺陷的二冷因素。這種方式不僅適合品種鋼，也適合普碳鋼。

圖4 不同高效冷卻工藝溫度曲線

Fig.4 The temperature curve of deferent cooling process

所以，針對(duì)高效全鋼種小方坯，期望通過(guò)二冷水的強(qiáng)弱來(lái)控制、塑造鑄坯質(zhì)量的思想變的不太現(xiàn)實(shí)，采用相對(duì)柔和且均勻的冷卻是制定工藝的核心思想。通過(guò)實(shí)踐和模型計(jì)算，對(duì)于150×150mm小方坯，拉速大于3.0m/min后，采用全水噴嘴，不同鋼種比水量建議為1.5~1.9 L/kg；除足輥外采用氣霧噴嘴，不同鋼種比水量建議為0.7~1.2L/kg。針對(duì)鑄坯凝固過(guò)程形成的自然缺陷，如果不能滿(mǎn)足后期軋材的要求，只有通過(guò)別的技術(shù)方式改善或者消除，比如輕壓下和重壓下技術(shù)等。

4 結(jié)論

1）本文通過(guò)實(shí)踐和計(jì)算，給出了高效全鋼種小方坯連鑄機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)，包括冶金長(zhǎng)度、二冷總長(zhǎng)以及二冷形式等；

2）通過(guò)實(shí)踐和計(jì)算，提出了高效全鋼種小方坯二冷工藝思想是采用相對(duì)柔和且均勻的冷卻，并據(jù)此有針對(duì)性的給出了比水量范圍。

參考文獻(xiàn)：

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