[科普中國(guó)]-二次冷卻區(qū)

簡(jiǎn)介

冷卻區(qū)設(shè)備改造、二次冷卻工藝以及二次冷卻水配水等方面進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：首先對(duì)現(xiàn)有連鑄工藝過程進(jìn)行分析，運(yùn)用固體傳熱理論，探討了影響鑄坯質(zhì)量和連鑄速度的主要因素，并在連鑄控制系統(tǒng)改造過程中對(duì)二次冷卻水的一次供水設(shè)備進(jìn)行了改造。其次，運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)和通訊技術(shù)，針對(duì)連鑄二次冷卻水控制系統(tǒng)存在的問題，建立了高效連鑄過程中自動(dòng)配水的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化。再次，利用集散分布控制理論，采用PLC，實(shí)現(xiàn)了連鑄的自動(dòng)配水功能。其中配水參數(shù)以處方的形式存儲(chǔ)在控制器中，在系統(tǒng)調(diào)用時(shí)無需通過網(wǎng)絡(luò)到上位機(jī)取值。最后，引入網(wǎng)絡(luò)概念，選用美國(guó)Honeywell公司的SCAN3000/S9100e集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連鑄二次冷卻配水的遠(yuǎn)程控制。上述成果為提高方坯的連鑄速度，降低事故率，使機(jī)械設(shè)備能高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)“降成本、提產(chǎn)量”的目標(biāo)奠定了很好的基礎(chǔ)。

圓坯連鑄機(jī)尤其是大圓坯連鑄機(jī)在我國(guó)的鋼鐵企業(yè)中具有舉足輕重的地位，用圓坯所生產(chǎn)的最終產(chǎn)品是優(yōu)質(zhì)無縫管。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，連鑄機(jī)的技術(shù)水平不斷進(jìn)步，對(duì)連鑄坯的要求也越來越高。而影響連鑄坯質(zhì)量的重要因素之一是合理的設(shè)計(jì)和布置二冷區(qū)，選擇合理的二冷區(qū)設(shè)計(jì)方案、控制二冷水的配水量、合理的布置二冷區(qū)設(shè)備等等都會(huì)對(duì)連鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)設(shè)計(jì)、制造的四流大圓坯連鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，分析和探討圓坯連鑄機(jī)二冷區(qū)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

圓坯連鑄機(jī)二冷區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與板坯連鑄機(jī)及方坯連鑄機(jī)不同，其二冷段的支承結(jié)構(gòu)也不一樣。由于圓坯出結(jié)晶器后所形成的坯殼強(qiáng)度相對(duì)來說比較大，而且圓坯的形狀使其散熱均勻，因此圓坯連鑄機(jī)的二冷分區(qū)、冷卻水量、冷卻水配置及噴水角度和噴水高度都有其自身獨(dú)特的配置原理和特點(diǎn)。

在連鑄設(shè)備中，通常我們把鑄坯(或鋼水)在結(jié)晶器內(nèi)通過結(jié)晶器閉環(huán)冷卻水所形成的熱交換過程叫一次冷卻，出結(jié)晶器后繼續(xù)對(duì)鑄坯進(jìn)行噴水(或噴汽水)直到鑄坯橫向斷面完全凝固的冷卻過程叫二次冷卻，鑄坯從出結(jié)晶器到完全凝固這段區(qū)域叫二次冷卻區(qū)1。

二冷區(qū)的傳熱鑄坯出結(jié)晶器后形成了一定厚度的坯殼，在二冷卻區(qū)內(nèi)鑄坯內(nèi)部的熱量繼續(xù)傳出，并在鑄坯表面完成熱量交換，鑄坯才能繼續(xù)凝固。鑄坯中心的熱量是通過坯殼傳到鑄坯表面的，而鑄坯表面的傳熱主要由以下幾個(gè)方式進(jìn)行：

① 鑄坯表面向空氣中的輻射傳熱；

② 空氣與鑄坯之間的對(duì)流傳熱；

③支承輥與鑄坯之間的接觸傳熱；

④水滴的蒸發(fā)傳熱。

從以上傳熱方式來看，鑄坯表面向空氣中的輻射傳熱和空氣與鑄坯之間的對(duì)流傳熱一般來說是不能改變和控制的。由于圓坯連鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，二冷區(qū)內(nèi)支承輥布置的相對(duì)距離很大，而且支承輥的數(shù)量也很少，因此支承輥與鑄坯之間的接觸傳熱量相當(dāng)少。

由此來看．影響鑄坯表面?zhèn)鳠嶙畲蟮囊蛩厥撬蔚恼舭l(fā)傳熱。因此，要提高二冷區(qū)的冷卻效率，就必須充分掌握噴霧水滴與高溫鑄坯之間的熱交換過程，配置合理的二冷系統(tǒng)，而且還要考慮對(duì)鑄坯表面質(zhì)量的影響2。

二冷區(qū)對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響鑄坯從結(jié)晶器出來形成一個(gè)薄的外殼，其中心仍為高溫鋼水，形成一個(gè)很長(zhǎng)的液相穴。為了使鑄坯繼續(xù)凝固，在連鑄機(jī)上設(shè)置了二次冷卻噴淋區(qū)。在二冷區(qū)設(shè)有噴水冷卻系統(tǒng)和按弧線排列的導(dǎo)輥系統(tǒng)，對(duì)鑄坯起支承和導(dǎo)向作用。由于圓坯的坯殼強(qiáng)度比較大，所產(chǎn)生的鼓肚變形很小，所以在圓坯連鑄機(jī)上所設(shè)置的導(dǎo)輥數(shù)量很少，而且相互布置得間距也比較大。通常對(duì)于圓坯連鑄機(jī)和方坯連鑄機(jī)，在二冷區(qū)內(nèi)不設(shè)驅(qū)動(dòng)輥，驅(qū)動(dòng)輥設(shè)置在二冷卻區(qū)外的拉矯機(jī)上。

二冷區(qū)噴水冷卻對(duì)鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量都有很大影響。冷卻強(qiáng)度增大，可加速鑄坯的凝固。但冷卻強(qiáng)度是與鋼的裂紋敏感性密切相關(guān)的，受鑄坯質(zhì)量的約束。二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度對(duì)鑄坯質(zhì)量主要有以下幾個(gè)方面的影響：

①鑄坯表面冷卻不均勻易導(dǎo)致坯殼溫度回升，從而使鑄坯產(chǎn)生中間裂紋或皮下裂紋。

② 如冷卻強(qiáng)度太大，當(dāng)鑄坯進(jìn)人拉矯區(qū)時(shí)表面溫度若低于900℃鑄坯就很容易產(chǎn)生橫裂紋。

③如冷卻強(qiáng)度不夠，鑄坯帶液心矯直，鑄坯在固一液界面上易產(chǎn)生矯直裂紋。另外，鑄坯冷卻強(qiáng)度不足還容易使鑄坯在進(jìn)人切割機(jī)時(shí)未完全凝固，從而造成切漏事故。

④ 在二冷區(qū)內(nèi)鑄坯表面溫度過高或表面溫度不均勻，易產(chǎn)生鼓肚變形及中心偏析。

⑤二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度過太，會(huì)促使柱狀晶發(fā)達(dá)，易使鑄坯形成穿晶結(jié)構(gòu)，從而使鑄坯中心疏松和偏析加重。

對(duì)于許多鋼種來說，鑄坯在700—900℃溫度區(qū)間是最危險(xiǎn)的區(qū)間。因?yàn)樵谶@一溫度區(qū)間內(nèi)鐵素體發(fā)生從 至y結(jié)構(gòu)的晶型轉(zhuǎn)變(Ac3點(diǎn))，這一轉(zhuǎn)變使得體積突然發(fā)生變化，并在晶界上有AIN和Nb沉淀物析出，使鑄坯的延展性降低，加劇了鑄坯矯直時(shí)表面橫向裂紋的形成和擴(kuò)展。因此，必須避免在交替冷卻鑄坯以及在鑄坯回?zé)釙r(shí)重復(fù)通過Ac3點(diǎn)的溫度。二次冷卻不能太強(qiáng)烈，以避免局部過冷，同時(shí)也應(yīng)確保鑄坯在高于900℃時(shí)披矯直3。

二冷區(qū)的布置與控制在二冷區(qū)內(nèi)對(duì)鑄坯冷卻溫度的控制效果將直接影響到鑄坯的質(zhì)量。因此，對(duì)不同規(guī)格的連鑄坯，必須對(duì)冷卻水的分區(qū)、噴霧角度、噴嘴距離和水壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。噴嘴必須適當(dāng)放置，以使被冷卻的鑄坯在同一平面上周圍獲得均勻或幾乎均勻的表面溫度。

合理地布置冷卻子區(qū)域，沿鑄坯順序排列，控制各子區(qū)域的冷卻強(qiáng)度，以確保噴霧密度和冷卻效果與拉速及液相芯長(zhǎng)度相一致。

在太多數(shù)情況下，對(duì)于一個(gè)新設(shè)計(jì)的連鑄機(jī)，最初選擇的噴霧參數(shù)只是理論參考值。必須在鑄坯試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行修正和調(diào)整，以確定最合理的冷卻參數(shù)。

對(duì)于圓坯連鑄機(jī)，二冷區(qū)的布置與控制

主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面來考慮。

(1)噴淋區(qū)域

圓坯連鑄機(jī)二冷區(qū)一般分3個(gè)子冷卻區(qū)。足輥段為一區(qū)，在這一區(qū)設(shè)有3個(gè)噴淋環(huán)，這一區(qū)的冷卻強(qiáng)度相對(duì)其它區(qū)要強(qiáng)一些。

扇形1段為二區(qū)，這一區(qū)噴淋環(huán)的數(shù)量由扇形段的支承導(dǎo)輥數(shù)量來確定，一般噴淋環(huán)布置在兩支承導(dǎo)輥中間。

扇形2段和扇形3段為三區(qū)，噴淋環(huán)布置在扇形段2和扇形段3輥?zhàn)又g及每段自身輥?zhàn)又g。在這一區(qū)隨著鑄坯表面溫度的降低，冷卻強(qiáng)度相對(duì)要弱一些。

(2)噴淋環(huán)和噴嘴的布置

二冷區(qū)的噴淋環(huán)一般都布置在各支承導(dǎo)輥之間，在噴淋環(huán)上一般安裝有4個(gè)噴嘴，相鄰兩噴淋環(huán)上的噴嘴應(yīng)錯(cuò)開45。

二冷段的足輥區(qū)(一區(qū))因?yàn)檩佔(zhàn)娱g距太近，一般采用扁平噴嘴。其它區(qū)由于輥?zhàn)娱g距較大，一般采用圓錐噴嘴或矩形噴嘴，使水能噴射在鑄坯上的面積更大，使冷卻更均勻。

(3)噴嘴水流密度和水量的分配

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)新的連鑄機(jī)時(shí)，噴水流量和噴淋水分配的設(shè)計(jì)常常由計(jì)算機(jī)程序來算出。但通常計(jì)算機(jī)程序的一些基本數(shù)據(jù)也是以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，因此使用類比法、參照同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)尤為重要1。

總結(jié)設(shè)計(jì)合理的二冷區(qū)不但可以提高連鑄機(jī)的生產(chǎn)率，而且對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。對(duì)于新設(shè)計(jì)的連鑄機(jī)必須充分考慮這一點(diǎn)，而且應(yīng)參考相類似設(shè)備的參數(shù)來確定，并應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)以獲得最佳的配比參數(shù)1。