连铸的基本理论

1、连续铸钢的基本原理连续铸钢的基本原理北京科技大学冶金与生态工程学院北京科技大学冶金与生态工程学院张炯明张炯液的凝固钢液的凝固钢液在结晶器、二冷区及空冷却完成凝固过程结晶器传热结晶器传热 q qh h（T TMSMST TCWCW）1/R1/RT T（T TMSMST TCWCW）（1 1）式中：式中：q q：热流，：热流，W/mW/m2 2; ;h h：总换热系数，：总换热系数，W/mW/m2 2; ; T TMSMS：结晶器内钢水温度，：结晶器内钢水温度，；T TCWCW：结晶器冷却水温度，：结晶器冷却水温度，；R RT T：总热阻，：总热阻，m m2 2/W/W热

2、流：热流： 总热阻总热阻R RT T可表示为：可表示为：R RT TR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4R R5 5R R6 6 （2 2）R R1 1：结晶器壁冷却水间的热阻，：结晶器壁冷却水间的热阻，m m2 2/W/W；R R2 2：通过结晶器铜板的热阻，：通过结晶器铜板的热阻， m m2 2/W /W ；R R3 3：通过气隙的热阻，：通过气隙的热阻， m m2 2/W /W ；R R4 4：通过保护渣膜的热阻，：通过保护渣膜的热阻， m m2 2/W /W ；R R5 5：通过坯壳的热阻，：通过坯壳的热阻， m m2 2/W /W ；R R6 6：钢水坯壳间的热阻，：钢水

3、坯壳间的热阻， m m2 2/W /W 。热流包括：热流包括： 钢水向坯壳的对流传热；钢水向坯壳的对流传热； 凝固坯壳的传导传热；凝固坯壳的传导传热； 保护渣膜传导传热；保护渣膜传导传热； 气隙间的传导和辐射传热；气隙间的传导和辐射传热； 结晶器铜板传导传热；结晶器铜板传导传热； 冷却水与铜板间对流传热。冷却水与铜板间对流传热。结晶器铜板冷却水之间的热阻结晶器铜板冷却水之间的热阻R R1 1 热阻热阻R R1 1主要为与结晶器铜板接触的冷却水边界主要为与结晶器铜板接触的冷却水边界层的热阻，可由下式算出：层的热阻，可由下式算出：R R1 11/h1/h1 1（3 3）式中式中h h1 1为结晶器

4、铜板与冷却水间的换热系数为结晶器铜板与冷却水间的换热系数（W/mW/m2 2），如将结晶器铜板与冷却水边），如将结晶器铜板与冷却水边界层之间的传热看作圆管内强制对流传热，界层之间的传热看作圆管内强制对流传热，h h1 1可由下式算出：可由下式算出：0 0. .4 49 91 11 1p p1 10 0. .8 81 11 11 11 11 11 11 1C Cu uD D0 0. .0 02 23 3D Dh hD D1 1：结晶器冷却水槽当量直径，：结晶器冷却水槽当量直径，cmcm；1 1：冷却水导热系数，：冷却水导热系数，W/cm; W/cm; u u1 1：冷却水流速，：冷却水流速，cm

5、/seccm/sec；1 1：冷却水密度，：冷却水密度，g/cmg/cm2 2；1 1：冷却水粘度，：冷却水粘度，g/cmg/cmsecsec；C CP1P1：冷却水比热，：冷却水比热，J/gJ/g。结晶器铜板热阻结晶器铜板热阻R R2 2 式中，式中，2 2：铜板厚度，：铜板厚度，cmcm； 2 2：铜板导热系数，：铜板导热系数，W/cmW/cm。R R2 22 2 /2 2（5 5）结晶器壁与保护渣膜之间气隙的热阻结晶器壁与保护渣膜之间气隙的热阻R R3 3 由于气隙空间小，因此可以忽略对流传热的存在，由于气隙空间小，因此可以忽略对流传热的存在，只考虑传导和辐射两种传热方式：只考虑传导和辐

6、射两种传热方式：R R3 31/(h1/(hc ch hr r) )（6 6）h hc c3 3/3 3（7 7）m mp p4 4m m4 4p pm mp pr rT TT T/ /1 10 00 0T T1 10 00 0T T1 1/ /1 1/ /4 4. .8 88 8h hh hc c：传导传热换热系数，：传导传热换热系数，W/mW/m2 2；h hr r：辐射传热换热系数，：辐射传热换热系数，W/mW/m2 2；3 3：传导传热导热系数，：传导传热导热系数，W/cmW/cm；3 3：气隙厚度，：气隙厚度，cmcm；p p：保护渣膜发射率；：保护渣膜发射率；m m：结晶器壁发射率

7、；：结晶器壁发射率；T Tp p：保护渣膜温度，：保护渣膜温度，K K；T Tm m：结晶器壁温度，：结晶器壁温度，K K。保护渣膜热阻保护渣膜热阻R R4 4 式中，式中，4 4：保护渣膜厚度，：保护渣膜厚度，cmcm； 4 4：保护渣膜导热系数，：保护渣膜导热系数，W/cmW/cm；R R4 44 4 /4 4（9 9）凝固坯壳传热热阻凝固坯壳传热热阻R R5 5 R R5 55 5 /5 5 （1010）式中，式中，5 5：凝固坯壳厚度，：凝固坯壳厚度，cmcm； 4 4：坯壳导热系数，：坯壳导热系数，W/cmW/cm；钢液与凝固坯壳间热阻钢液与凝固坯壳间热阻R R6 6 R R6 61

8、/h1/h6 6 （1212） h h6 6为钢液与坯壳间对流换热系数为钢液与坯壳间对流换热系数(W/m(W/m2 2)，h h6 6可由平行平板紊流换热系数计算式算出：可由平行平板紊流换热系数计算式算出：0 0. .8 86 6p p6 66 66 66 66 66 66 6) )C Cu uD D0 0. .0 00 09 9( (4 4D Dh hD D6 6：传热处的结晶器高度，：传热处的结晶器高度，cm;cm;6 6：钢的导热系数，：钢的导热系数，cal/cmscal/cms；u u6 6：钢液流速，：钢液流速，cm/scm/s；6 6：钢液密度，：钢液密度，g/cmg/cm3 3；

9、C Cp6p6：钢的比热，：钢的比热，cal/g.cal/g. C C。保护渣膜与结晶器壁之保护渣膜与结晶器壁之间气隙的热阻间气隙的热阻R R3 3和坯壳和坯壳热阻热阻R R5 5最大，其次是保最大，其次是保护渣膜传热热阻护渣膜传热热阻R R4 4。由。由图中还可以看到，当结图中还可以看到，当结晶器冷却水流速低于晶器冷却水流速低于7m/min7m/min后，结晶器铜板后，结晶器铜板冷却水间的热阻冷却水间的热阻R R1 1会会显著增大。显著增大。气隙的传热气隙传热一般分为两部分：传导和辐射传热热流可以写成如下形式：图 表观导热系数为铸坯表面温度的函数T0铸坯表面温度Tm结晶器铜板温度由热平衡关系

10、式，且得：总传热量：钢和铜表面间辐射系数有：0+m1 = 0.5 (01 + m1), 实验室测定：0+m = 0.4，对氧化物表面 0+m要大些。冷却水流速与热流量间的关系冷却水流速与热流量间的关系减少铸坯纵裂纹的措施减少铸坯纵裂纹的措施 1 1、保护渣的作用、保护渣的作用 连铸中结晶器内钢水表面上有约连铸中结晶器内钢水表面上有约30mm30mm左右厚的保护渣层，其中左右厚的保护渣层，其中与钢水接触的为熔融保护渣层，中间为烧结层，最上为粉状保与钢水接触的为熔融保护渣层，中间为烧结层，最上为粉状保护渣层。熔融保护渣通过钢水弯月面与结晶器之间的间隙，流护渣层。熔融保护渣通过钢水弯月面与结晶器之间

11、的间隙，流入坯壳与结晶器壁之间起到润滑作用，这一保护渣薄膜对结晶入坯壳与结晶器壁之间起到润滑作用，这一保护渣薄膜对结晶器的传热有显著的作用。器的传热有显著的作用。坯壳与结晶器壁之间的保护渣膜实际上是由液渣层、玻璃相固坯壳与结晶器壁之间的保护渣膜实际上是由液渣层、玻璃相固相渣层和结晶相固相渣层组成的，其间热的传递主要以传导和相渣层和结晶相固相渣层组成的，其间热的传递主要以传导和辐射两种方式进行，热阻表示为：辐射两种方式进行，热阻表示为：玻璃相层玻璃相层结晶相层结晶相层熔融层熔融层铜板保护渣铜板保护渣传导传导辐射辐射传导传导总总RRRRRRR R1 1R R1 1R R1 1R R1 1R R1

12、1保护渣特性对结晶器传热的影响保护渣特性对结晶器传热的影响结晶器振动对传热的影响保护渣的耗量影响到渣膜厚度，对结晶器的传热有很大影响，可以通过控制振动方式，振动参数，频率对渣耗量进行控制。结晶器振动的负滑动时间对保护渣耗量的影响结晶器振动的负滑动时间对保护渣耗量的影响拉速及振动方式对保护渣耗量的影响拉速及振动方式对保护渣耗量的影响振动频率对结晶器传热的影响振动频率对结晶器传热的影响锥度影响锥度影响结晶器不同位置处的热流是变化的结晶器不同位置处的热流是变化的 局部热流局部热流 (local heat flux);(local heat flux); 平均热流。平均热流。结晶器每个面的平均热流由下

13、式得出：结晶器每个面的平均热流由下式得出：moutinwwwaFTTQcq)(式中式中, ,q qa a：结晶器平均热流，：结晶器平均热流，w/mw/m2 2； w w：冷却水密度，：冷却水密度，kg/mkg/m3 3；c cw w：冷却水比热，：冷却水比热，J/kg/J/kg/；Q Qw w：冷却水流量，：冷却水流量，m m3 3/s/s；T Tinin：冷却水入口温度，：冷却水入口温度，； T Toutout：冷却水出口温度，：冷却水出口温度，；F Fm m：结晶器铜板有效面积，：结晶器铜板有效面积，m m2 2平均热流也可以通过下式来计算平均热流也可以通过下式来计算Qa：弯月面处热流量；

14、：弯月面处热流量；Lm：结晶器有效长度（与铸坯接触）；：结晶器有效长度（与铸坯接触）； ：与传热有关的指数；：与传热有关的指数； ：弯月面热流与拉速有关的指数，：弯月面热流与拉速有关的指数，结晶器锥度对平均热流的影响325. 01268. 0alVSTKCTGlaKVhs国内某厂板坯连铸的换热系数计算公式国内某厂板坯连铸的换热系数计算公式结晶器平均热流量计算方法W 冷却水流量，kg/sC 冷却水比热容，J/kg/t 冷却水进出水温差，F 结晶器有效面积，m2q 结晶器平均热流量，J/m2/s / FtCWq图1-2 结晶器壁的热流随距弯月面距离的变化 图1-3 J. K. Brimacomb等

15、测量结晶器铜板弯液面附近温度结果连铸结晶器总括换热系数的研究连铸结晶器总括换热系数的研究将下列物理量无量纲化弯液面下方钢液的无量纲深度 无量纲凝固壳厚度s* 无量纲凝固壳外表面温度T* 无量纲等效凝固潜热H* 无量纲结晶器长度X* 结晶器周边单位长度传热量Q* ckuxh2khs*ssTTT0*scTHH*uckXX2*sTckxuqQ*连铸坯为元体示意图结晶器中的平均热流量可以表示为 0hTq 沿结晶器周边单位长度上的热流量( q ) 00XdxThq 12241616*0*2*2*20sdsBABHDHBDHBd*210* d)(1XsTXTckXuq )(1*21X0*dsdsdTXQ

16、332323*2*ssHsssTdds 不同H*下的Q*与X*的关系00.70.800.811.2结晶器无量纲长度沿周边单位长度上结晶器无量纲传热量H*=0.1H*=0.2H*=0.3H*=0.4H*=0.5H*=0.6H*=0.7 不同H*下的s*与的关系00.511.522.500.811.2H*=0.1H*=0.2H*=0.3H*=0.4H*=0.5H*=0.6H*=0.7无量纲弯液面深度无量纲凝固壳厚度 H*0.28，Q*与X*的关系 宝钢现场连铸情况下的Q*与X* 关系Q*= 0.65(X*)0.3300.10.

17、0.60.700.811.2H*=0.28沿周边单位长度结晶器无量纲拔热量结 晶 器 无 量 纲 长 度 33. 0*65. 0XQ 33. 0165. 0XuWTckTFcXuckhsww取： =7000 (kg/m3)w=1000 (kg/m3)c=0.7524 (kJ/kg)cw=4.182 (kJ/kg)k=0.029274 (kJ/ms) 60061.6684532.52933. 01uXBTTFXuhsi 60054622.6414438.525325. 01uXBTTFXuhsi 65. 033. 0*XTckXuqs对H*=0.28 回归

18、得： 国内某厂换热系数计算公式 H*=0.28，s*与的关系y = 1.37x0. 70.800.811.2H*=0.28无量纲凝固壳厚度无量纲弯液面深度 102011. 072. 02uXhhs两种方法计算换热系数的结果020040060080010001200116000118000120000122000124000126000128000制造命令号换热系数(kcal/m2h)本文推出的换热系数由宝钢提供的公式计算的换热系数拉坯速度与凝固壳厚度之间的关系51015202500.511.5拉坯速度 (m/min)凝固壳厚度 (mm

19、)由换热系数公式计算的凝固壳厚度DKS中的凝固壳厚度1 1、拉速对结晶器平均热流的影响、拉速对结晶器平均热流的影响宽边平均热流随拉速的变化宽边平均热流随拉速的变化窄边平均热流随拉速的变化窄边平均热流随拉速的变化当拉速增加到大约当拉速增加到大约1.2m/min1.2m/min以以后，结晶器宽边平均热流不再后，结晶器宽边平均热流不再随拉速的增加而进一步提高。随拉速的增加而进一步提高。原因一：坯壳热阻随拉速增加而降低的幅度减小；坯壳热阻随拉速增加而降低的幅度减小；21.9t1/22.8 21.9(L/V)1/22.8平均热流与冷却水温差之间的关系平均热流与冷却水温差之间的关系当拉速由当拉速由1.2m

20、/min1.2m/min进一步提高时，进一步提高时，冷却水温差不但没有增加反而出现冷却水温差不但没有增加反而出现下降，其原因有可能是当拉速增加下降，其原因有可能是当拉速增加到到1.2m/min1.2m/min之后，结晶器铜板与冷之后，结晶器铜板与冷却水之间传热的机理发生了发生了转变，即有可能出现部却水之间传热的机理发生了发生了转变，即有可能出现部分分“ “ 核沸腾核沸腾”的状况，在与铜板表面接触的冷却水中出现部的状况，在与铜板表面接触的冷却水中出现部分蒸汽分蒸汽“ “ 核心核心”，降低了传热效率，冷却水温度不但不能提，降低了传热效率，冷却水温度不但不能提高，反而下降。高，反而下降。根据结晶器宽

21、边铜板水槽设计，冷却水流量为根据结晶器宽边铜板水槽设计，冷却水流量为3500l/min3500l/min时，时，流速大约在流速大约在6.3m/s6.3m/s左右，这一流速值可能偏低。今后宝钢板左右，这一流速值可能偏低。今后宝钢板坯连铸有可能提高拉速，根据本研究得出的结晶器平均热流坯连铸有可能提高拉速，根据本研究得出的结晶器平均热流随拉速变化的规律，当拉速由目前的随拉速变化的规律，当拉速由目前的m/min1.5m/min进一步增进一步增加时，结晶器的冷却能力不足。加时，结晶器的冷却能力不足。本研究结果与本研究结果与Suni等结果是一致的。等结果是一致的。J.P. Suni an

22、d H. Henein, Metallurgical and Materials Transactions, 27B(1996), 1045 Samarasekera等结晶器壁的热流随距弯月面距离的变化瞬时热流瞬时热流研究瞬时热流的方法 结晶器铜板测温示意图 结晶器壁温度测定及结晶器壁热流量的计算方法结晶器铜板及热电偶位置示意图 结晶器壁瞬时热流量计算1 基本假设条件(1) 结晶器铜板、冷却水及连铸坯之间的传热为稳态，即验证数学模型所用的结晶器铜板温度为某段时间内的平均值；(2) 根据现场观察，完全可忽略结晶器水缝冷却水的核态沸腾；(3) 假定水缝内冷却水为塞流，并忽略冷却水与冷却水箱背板之间

23、的传热；(4) 由于结晶器宽面铜板的宽度较大，在计算传热时完全可以转化为2维传热，结晶器窄面铜板仅有纵向一排热电偶，且在高度相同时，窄面铜板温差较小，计算铜板温度也可简化2维来处理；(5) 宝钢冷却水水缝的总长度为结晶器铜板长度的92.7%，因此，可认为结晶器铜板至下而上都有水缝； 2 基本传热方程及边界条件a 结晶器铜板内的传热微分方程为：b 水缝内冷却水的传热方程为： 0zTzxTxmm ),(wwwwwwwTzxThdzdTlCu 边界条件结晶器铜板的顶面：结晶器铜板的底面：结晶器铜板热面：yy0yy0结 晶 器 铜 板 热 面 ： )(zqxTm )(cuacusqqzq )(44cu

24、cusscusTTVFSTBq )T-z)(T(x,wwmhzT 计算框图0.80.911.11.201000200030004000Casting time (s)Casting speed (m/min)80100120140160180200050010001500200025003000350040004500Casting time (s)Temperature ()4 stream outside radius 154 Stream outside radius 34 Stream outside radius 9铜板温度实测结果 结晶器纵向热流分布0500100

25、015002000250002004006008001000Distance below top of mold (mm)Heat Flux (Kw/m2)EastWestInside radiusOutside radius铜板温度的分布结晶器四面铜板的冷、热面温度分布05010015020025030035001002003004005006007008009001000Distance below top of mold (mm)Temperature ()East cold faceEast hot faceWest cold faceWest hot faceInside radiu

26、s cold faceInside radius hot faceOutside radius cold faceOutside radius hot face拉速对结晶器宽面热流影响05001000150020002500300001002003004005006007008009001000Distance below top mf mold (mm)Heat flux (KW/m2)Speed=1.4 Speed=0.9 Speed=1.1 工厂的实测数据 平均热流与局部热流间可用下式来描述经验公式保护渣的影响中碳亚包晶钢保护渣的要点在于合理地调配三个渣层中碳亚包晶钢保护渣的要点在于合理

27、地调配三个渣层的物性，即通过控制液渣层的粘度来保证润滑同时防的物性，即通过控制液渣层的粘度来保证润滑同时防止过低粘度造成过强传热，使保护渣具有较高的凝固止过低粘度造成过强传热，使保护渣具有较高的凝固温度以增加固相层比率来减缓传热，并通过增加结晶温度以增加固相层比率来减缓传热，并通过增加结晶相比率增加晶界热阻和减弱玻璃相的辐射传热，以抑相比率增加晶界热阻和减弱玻璃相的辐射传热，以抑制铸坯表面裂纹的产生。制铸坯表面裂纹的产生。 CaO Al2O3 SiO2 Na2O MgO F- Fe2O3 F.C 熔点 粘度 CaO/SiO2 37.9 5.6 28.6 6.4 3.3 7.5 1.2 4.5

28、1225 1.47 泊 1.32住友金属亚包晶钢连铸保护渣化学成分，住友金属亚包晶钢连铸保护渣化学成分，趋势：采用较高碱度的保护渣防止铸坯纵裂纹趋势：采用较高碱度的保护渣防止铸坯纵裂纹 保护渣性能保护渣性能 ：粘度：在粘度：在0.050.2Pa.S范围内。范围内。 V25或或 V13之间最好。之间最好。凝固温度：凝固温度：11501220之间。之间。结晶温度：结晶温度：10501150之间。之间。保护渣液渣层深度：保护渣液渣层深度： 512mm之间。之间。合理的浸入式水口参数设计：合理的浸入式水口参数设计：由水口流出的钢水冲向结晶器两侧由水口流出的钢水冲向结晶器两侧 短边，与已凝固的坯壳相遇后

29、分成短边，与已凝固的坯壳相遇后分成向上和向下的两个分流。向上和向下的两个分流。当向下的分流流速过高时会造成短当向下的分流流速过高时会造成短边处钢水凝固迟缓甚至使部分坯壳边处钢水凝固迟缓甚至使部分坯壳重新熔化，使短边坯壳厚薄不均匀，重新熔化，使短边坯壳厚薄不均匀，助长纵裂纹发生。助长纵裂纹发生。向上的分流过强会引起弯月面的过向上的分流过强会引起弯月面的过度波动。但是，如钢水向上的分流度波动。但是，如钢水向上的分流太弱，则会出现弯月面处热量不足太弱，则会出现弯月面处热量不足的情况，弯月面处初生坯壳增厚，的情况，弯月面处初生坯壳增厚，加重初生坯壳凝固的不均匀，在坯加重初生坯壳凝固的不均匀，在坯壳较薄

30、处产生微细纵裂纹。壳较薄处产生微细纵裂纹。碳含量的影响连铸的漏钢连铸漏钢与润滑及钢种有关，如高碳钢容易发生漏钢，湾月面附近连铸漏钢与润滑及钢种有关，如高碳钢容易发生漏钢，湾月面附近凝固壳具有较低的强度。漏钢分为敏感性漏钢和粘结性漏钢两大类，凝固壳具有较低的强度。漏钢分为敏感性漏钢和粘结性漏钢两大类，拉漏预报主要是针对粘结性漏钢进行预报。漏钢绝大多数是粘结漏拉漏预报主要是针对粘结性漏钢进行预报。漏钢绝大多数是粘结漏钢，发生的主要原因是拉速的突然变化，拉速突然变化造成熔渣层钢，发生的主要原因是拉速的突然变化，拉速突然变化造成熔渣层厚度及渣膜厚度、横向及纵向传热的变化，使的凝固壳厚度不均匀，厚度及渣

31、膜厚度、横向及纵向传热的变化，使的凝固壳厚度不均匀，后生成的坯壳过薄，强度不够。后生成的坯壳过薄，强度不够。漏钢和纵裂发生窗口示意图不同钢类所选用的保护渣不同钢类所选用的保护渣 粘度、突变温度和拉速之间的关系拉漏预报拉漏预报最为直接的方法是监测结晶器各面冷却水入、出口温差最为直接的方法是监测结晶器各面冷却水入、出口温差来进行预报。但在稳态浇注过程，冷却水温差与水流量来进行预报。但在稳态浇注过程，冷却水温差与水流量成反比，因而水流量的变化，水流速的漂移对此都有影成反比，因而水流量的变化，水流速的漂移对此都有影响，造成热流的不准确，很难用此数据反映拉漏情况。响，造成热流的不准确，很难用此数据反映拉

32、漏情况。即使在水流量相同情况下，不同的断面宽度，保护渣，即使在水流量相同情况下，不同的断面宽度，保护渣，铜板厚度，其结晶器冷却水温差，热流都要发生变化，铜板厚度，其结晶器冷却水温差，热流都要发生变化，对这些情况需要很复杂的标定曲线，实际上难以实施。对这些情况需要很复杂的标定曲线，实际上难以实施。最为可行的方法是实际监测结晶器的热流量，通过历史最为可行的方法是实际监测结晶器的热流量，通过历史数据，找出与拉速有关的合适凝固壳的最小热流值，即数据，找出与拉速有关的合适凝固壳的最小热流值，即最小热流判定标准。最小热流判定标准。结晶器需要的最小热流量：结晶器需要的最小热流量：F：是校正系数，与钢种，结晶

33、器面积有关的参数：是校正系数，与钢种，结晶器面积有关的参数 采用上述公式计算的最小热流量采用上述公式计算的最小热流量英国哥伦比亚大学的mimara提出粘结漏钢的机理如右图，结晶器钢水液面波动能够造成粘结现象，易发生漏钢。由于钢水液面的升高（b，c），由于出生凝固坯壳和渣圈之间表面张力的作用，在凝固壳上出现一凹曹，随后当渣圈向下运动时，凹曹渣圈继续与凝固坯壳出现的凹曹相接触，使得凝固坯壳与结晶器渣圈相接触（c、d、e），下个周期结晶器又向上运动，使的凝固坯壳凹曹处受拉，发生撕裂，此处的凹曹是最热和最弱的点。因此为了防止拉漏，mimara提出采用低熔点保护渣和一定的熔渣层厚度。粘结漏钢机理示意图粘

34、结漏钢机理示意图EMI提出另一种理论，如果渣圈很大，当湾月面钢水上升时，使得渣圈能够与凝固坯壳相接触，阻碍了保护渣的流入，同时渣圈在浮力的作用下上浮，使得液态钢水直接与结晶器壁接触，此时形成的坯壳很不均匀，很容易具有裂纹，严重时导致漏钢。粘结漏钢机理示意图粘结漏钢机理示意图摩擦力监测摩擦力增大意味着结晶器壁与铸坯间润滑变差，过大的摩摩擦力增大意味着结晶器壁与铸坯间润滑变差，过大的摩擦力，会使铸坯的表面质量变差，严重时发生漏钢。影响擦力，会使铸坯的表面质量变差，严重时发生漏钢。影响摩擦力的因素很多，归纳起来，如下图。摩擦力的因素很多，归纳起来，如下图。摩擦力监测摩擦力监测 常用的摩擦力监测的方法

35、是采用加速度传感器监测常用的摩擦力监测的方法是采用加速度传感器监测系统，该系统主要是由压电传感器贴到结晶器壁。由这系统，该系统主要是由压电传感器贴到结晶器壁。由这个传感器可以传递由机械振动引起的不连续的静电脉冲，个传感器可以传递由机械振动引起的不连续的静电脉冲，这一信号与结晶器振动的摩擦力有关，经过处理器处理这一信号与结晶器振动的摩擦力有关，经过处理器处理所收集到的数据，要求出摩擦因子，摩擦因子的范围从所收集到的数据，要求出摩擦因子，摩擦因子的范围从0 0100100。 该系统对由于保护渣成分变化（该系统对由于保护渣成分变化（Al2O3Al2O3成分变化）成分变化）引起的摩擦力变化所带来的漏钢

36、有较好的预报效果。而引起的摩擦力变化所带来的漏钢有较好的预报效果。而对于快速粘结该方法不能较好的预报，及时发出报警。对于快速粘结该方法不能较好的预报，及时发出报警。日本新日铁公司粘结漏钢预报成功率可达到日本新日铁公司粘结漏钢预报成功率可达到6060。NucorNucor钢厂的薄板坯连铸的漏钢预报也采用该方法。钢厂的薄板坯连铸的漏钢预报也采用该方法。粘结漏钢和热流的变化早在粘结漏钢和热流的变化早在19541954年就为年就为 Savage Savage 和和PritchardPritchard所发现。由于计算机微处所发现。由于计算机微处理器的发展，直到理器的发展，直到19701970年，通过分析

37、、收集某年，通过分析、收集某位置铜板温度，拉漏预报才得以应用。铸坯与位置铜板温度，拉漏预报才得以应用。铸坯与结晶器壁粘结，较薄的凝固壳被撕裂（结晶器壁粘结，较薄的凝固壳被撕裂（1 1），钢），钢液很快填充到被撕裂处（液很快填充到被撕裂处（2 2），由于结晶器向上），由于结晶器向上运动，使得刚被填充的强度较低的凝固坯壳再运动，使得刚被填充的强度较低的凝固坯壳再次因受拉力而撕裂（次因受拉力而撕裂（3 3），随后又有钢水填充到），随后又有钢水填充到撕裂处（撕裂处（4 4），这一过程反复进行，与振动频率），这一过程反复进行，与振动频率有关，在出结晶器时，由于新填充的坯壳较薄，有关，在出结晶器时，由于新

38、填充的坯壳较薄，在静压力作用下，发生漏钢（在静压力作用下，发生漏钢（5 5）。）。LTV 钢厂两排热电偶拉漏预报温度曲线热流传感器热流传感器川奇制钢将热流传感器安装在川奇制钢将热流传感器安装在结晶器铜板的冷面，对热流进结晶器铜板的冷面，对热流进行测量，这样铜板不需要钻孔。行测量，这样铜板不需要钻孔。热流传感器内部前板、后板上热流传感器内部前板、后板上设有两个测量温度点，其关键设有两个测量温度点，其关键是热流传感器和铜板冷面间不是热流传感器和铜板冷面间不能有接触热阻，要求其材质完能有接触热阻，要求其材质完全相同。全相同。热流传感器的长、宽大致在520mm范围内，其布置与热电偶相似。川奇报道高度上

39、每100200mm设置2-3个热流传感器，结晶器周边上，传感器安装在冷却水通道之间。 粘结漏钢的监测和坯壳愈合粘结漏钢的监测和坯壳愈合热电偶安装热电偶安装 在连铸过程中，二次冷却的好坏与否对铸坯质量起着很重要在连铸过程中，二次冷却的好坏与否对铸坯质量起着很重要的作用，控制的好，可以有效的防止各种表面缺陷的发生，该项的作用，控制的好，可以有效的防止各种表面缺陷的发生，该项目研究内容之一就是以此为出发点，通过建立连铸坯凝固传热模目研究内容之一就是以此为出发点，通过建立连铸坯凝固传热模型，再与现场生产实际结合，确定出合适的换热系数，从而找出型，再与现场生产实际结合，确定出合适的换热系数，从而找出合适

40、的配水参数，优化二冷区的冷却制度，并在此基础上开发出合适的配水参数，优化二冷区的冷却制度，并在此基础上开发出一套相应的软件来实现自动控制，适应于各钢厂的生产实际。一套相应的软件来实现自动控制，适应于各钢厂的生产实际。主要有以下几方面主要有以下几方面 二冷区各段如果冷却不均匀，使得铸坯表面温度呈现周期性二冷区各段如果冷却不均匀，使得铸坯表面温度呈现周期性回升，而引起坯壳膨胀，产生中间裂纹和皮下裂纹。回升，而引起坯壳膨胀，产生中间裂纹和皮下裂纹。 由于二冷不当，矫直时铸坯表面温度低于由于二冷不当，矫直时铸坯表面温度低于900度，正好位于度，正好位于脆性区，在矫直力作用下形成表面裂纹。脆性区，在矫直

41、力作用下形成表面裂纹。 如果冷却太弱，表面温度过高，在钢水静压力作用下，凝固如果冷却太弱，表面温度过高，在钢水静压力作用下，凝固壳会发生蠕变而产生鼓肚。壳会发生蠕变而产生鼓肚。 二冷区内铸坯四个面的非对称性冷却，造成某两个面比另外二冷区内铸坯四个面的非对称性冷却，造成某两个面比另外两个面冷却的更快。加重了铸坯菱变（脱方）。两个面冷却的更快。加重了铸坯菱变（脱方）。 二冷冷却强度对铸坯中心偏析也有影响。资料表明冷却强度二冷冷却强度对铸坯中心偏析也有影响。资料表明冷却强度为一定值（为一定值（0.42L/kg）时，中心偏析最小。）时，中心偏析最小。 上述都说明二次冷却对铸坯质量起着很关键的作用。上述

42、都说明二次冷却对铸坯质量起着很关键的作用。 铸坯表面温度铸坯表面温度:分三种情况分三种情况 T300时，热流随表面温度的增加而增加时，热流随表面温度的增加而增加 300 T800 时，热流几乎与表面温度无关，甚至呈下降趋势时，热流几乎与表面温度无关，甚至呈下降趋势 对于连铸坯，其温度范围在对于连铸坯，其温度范围在1100 1200 之间，所以我们应通过改善喷雾水滴状况来提之间，所以我们应通过改善喷雾水滴状况来提高传热效率。高传热效率。水流密度水流密度:水流密度增大水流密度增大,传热系数增大。传热系数增大。水滴速度水滴速度:决定于喷水压力和喷嘴直径决定于喷水压力和喷嘴直径,通常水滴速度增加通常水

43、滴速度增加,传热系数增大。传热系数增大。水滴雾化程度水滴雾化程度:其标志是水滴直径其标志是水滴直径,水滴尺寸越小水滴尺寸越小,雾化就越好雾化就越好,越有利于传热效率。越有利于传热效率。喷嘴使用状况喷嘴使用状况:合理的选择喷嘴合理的选择喷嘴,合理的安装位置和定期的检修。合理的安装位置和定期的检修。二冷水的控制方式二冷水的控制方式人工配水人工配水比例控制比例控制参数控制：国内连铸机通常采用此种配水方式。参数控制：国内连铸机通常采用此种配水方式。目标表面温度动态控制目标表面温度动态控制 国内的二次冷却方法大部分是比例控制配水，参数控制和目标表面温度国内的二次冷却方法大部分是比例控制配水，参数控制和目

44、标表面温度法属于动态控制，都考虑了通过二冷各段配水使得铸坯表面温度和目标表面法属于动态控制，都考虑了通过二冷各段配水使得铸坯表面温度和目标表面温度相符合，其中目标表面温度法考虑的因素更多，要综合考虑在线生产的温度相符合，其中目标表面温度法考虑的因素更多，要综合考虑在线生产的钢种、断面尺寸、拉速等因素。钢种、断面尺寸、拉速等因素。比例配水：二冷水分配要于铸坯的凝固相适应S)TsTl(dtdsLmf在凝固前沿建立热平衡方程积分上式，得凝固壳厚度S：tL)TsTl(Smfm这些热量全部为冷却水带走，有如下热平衡方程：)twTs(htL)TsTl(mfmVH1t1Qt1hHn1:3H1:2H1:1H1

45、Qn:3Q:2Q:1QiiH12H12QH11H11Q参数配水：CBVAVQ2（A、B、C三参数）静态控制静态控制(预设定控制预设定控制): Q QaV aV 2 2bVbVc c式中，式中，Q Q：冷却水量，：冷却水量，l/minl/min； V V：拉速，：拉速，m/minm/min； a a、b b、c c：常数。：常数。常数常数a、b、c通常由铸坯凝固通常由铸坯凝固传热模型离线算出。传热模型离线算出。静态控制的不足：静态控制的不足：二冷静态和动态控制二冷静态和动态控制 二冷动态控制二冷动态控制采用数学模型对铸坯凝固过程的温度进行计算，与目标温度比较进行调水。与目标温度比较进行调水。1、

46、确定各控制点铸坯表面、确定各控制点铸坯表面 目标温度目标温度Taim； 2、根据、根据QaV2bVc确确 定各区水量；定各区水量；3、根据铸坯传热凝固模型、根据铸坯传热凝固模型 计算出各控制点铸坯表计算出各控制点铸坯表 面温度面温度Tr；4、根据、根据TaimTr，修正水量。，修正水量。动态控制的效果：动态控制的效果：某厂采用静态控制拉速改变时铸坯表面温度的变化 连铸坯凝固传热模型及相关边界条件连铸坯凝固传热模型及相关边界条件 在连铸坯中取一微原体，根据能量守恒方程，很方便的建立连铸坯凝固传热方程：S)yTk(y)xTk(xTcfHcS=0，T=T0初始条件：边界条件：0yTkxTk0 x0y

47、中心线上：铸坯表面上：widethicknessyqxTknarrowwidexqxTk结晶器：wideoutletinletwwwwideF)TT(cQqnarrowoutletinletwwwnarrowF)TT(cQq二冷区：)TT(hqwswidewide)TT(hqwsnarrownarrow)TT()TT(qws4w4s空冷区：数学模型的关键所在：数学模型的关键所在：1、在线测量连铸坯的表面温度，利用所测的铸坯表面温度在线测量连铸坯的表面温度，利用所测的铸坯表面温度 的数据，确定连铸坯与冷却水之间的换热系数。首先给的数据，确定连铸坯与冷却水之间的换热系数。首先给 定各段的换热系数的

48、数值，然后不断调整各段换热系数定各段的换热系数的数值，然后不断调整各段换热系数 的数值，使数模计算结果尽量与测量值接近。最终，根的数值，使数模计算结果尽量与测量值接近。最终，根 据不同二冷冷却水量所对应换热系数的值，采用最小二据不同二冷冷却水量所对应换热系数的值，采用最小二 乘法，找出换热系数的计算公式。乘法，找出换热系数的计算公式。2、根据高温力学模拟拉伸实验结果，给定各扇形段连铸坯、根据高温力学模拟拉伸实验结果，给定各扇形段连铸坯 的目标温度，不断调整二冷区的冷却水量使给定点的模的目标温度，不断调整二冷区的冷却水量使给定点的模 型计算温度与目标温度为最小，从而找到各冷却区的冷型计算温度与目

49、标温度为最小，从而找到各冷却区的冷 却水量。却水量。3、凝固潜热的处理，一些界面的开发，计算结果（表面温、凝固潜热的处理，一些界面的开发，计算结果（表面温 度、中心温度、凝固壳厚度）的图形显示。度、中心温度、凝固壳厚度）的图形显示。二冷对防止纵裂的作用二冷对防止纵裂的作用 均匀缓和冷却：均匀缓和冷却： 减小水量；减小水量； 采用气水喷雾采用气水喷雾 冷却；冷却； 喷嘴合理布置；喷嘴合理布置； 铸坯表面均匀、热应力小；铸坯表面均匀、热应力小； 二冷区铸坯表面温度不在脆性温度区内。二冷区铸坯表面温度不在脆性温度区内。喷水冷却喷水冷却 喷水冷却的优缺点：喷水冷却的优缺点： 喷水覆盖区冷却强喷水覆盖区

50、冷却强 度大；度大； 喷嘴节流部分喷嘴节流部分( (颈缩颈缩) ) 直径小，容易堵塞；直径小，容易堵塞； 流量调节范围不大流量调节范围不大 (Q(QKPKP1/21/2) )； 冷却不均匀冷却不均匀( (内弧辊内弧辊 积水、外弧冷却效果差积水、外弧冷却效果差) )； 覆盖面积小。覆盖面积小。气水喷雾冷却气水喷雾冷却 喷嘴直径大，不易堵；喷嘴直径大，不易堵； 通过改变气水比，可通过改变气水比，可 有效地扩大水流量调有效地扩大水流量调 节范围；节范围； 水的雾化程度高，水水的雾化程度高，水 滴小，冲击力大，冷滴小，冲击力大，冷 却效率高；却效率高； 覆盖面大、冷却均匀，覆盖面大、冷却均匀， 单位水

51、耗量低单位水耗量低 噪音大。噪音大。可采用较强的冷却，从低温侧避开钢的可采用较强的冷却，从低温侧避开钢的脆性温度区。脆性温度区。住友金属鹿住友金属鹿岛厂结果岛厂结果 在连铸过程中，中间包内钢水的流动是钢水去除夹杂粒子的重要途径之一。发挥中间包的精炼作用，提高钢的洁净度已成为冶金工作者的十分关心和重视的课题。中间包将在连铸中发挥越来越大的精炼作用，中间包冶金将促进高纯净连铸坯的生产，推动超纯净钢的开发。Sarbjit认为坝堰组合可以增加平均停留时间，中间包内设置坝、堰的系统研究基本上反应了坝、堰的优点。中间包冶金中间包冶金钢水的流动钢水的流动研究中间包内钢液的流动分两种方法或两种方法相结合。研究

52、中间包内钢液的流动分两种方法或两种方法相结合。水模实验和数值模拟水模实验和数值模拟右图为一水摸实验装置，测定中间包内钢水的平均停留时间几何相似：准数相等：Re数相等Fr数相同原理： 国内某厂水模中间包尺寸描述流体流动的主要指标是中间包内描述流体流动的主要指标是中间包内流体的平均停留时间流体的平均停留时间niiiniiiittCttCtt11).().(.%mintVP死区体积分数活塞区体积Vp%1tVd全混区体积Vm%1minttVVVdpm05101520253011111311111213121113131311211321112213221123132312211421122214221

53、2231423文件号死区比率 (%)Case1Case2 三挡墙综合作用对死区比率的影响1423 所对应的平均停留时间最长，为所对应的平均停留时间最长，为6.46 min，死区比率最低为，死区比率最低为6.13%。14231423为为A A挡挡墙距中心线距离为墙距中心线距离为400mm400mm、且设有小孔过滤器，、且设有小孔过滤器，A A、B B挡墙的距离为挡墙的距离为50mm50mm，C C挡墙高度挡墙高度为为200mm200mm。13221322、14221422及及12231223的平均停留时间也较长，分别为的平均停留时间也较长，分别为6.28min6.28min、6.22min6.2

54、2min、6.33min6.33min。死区比率也不大，分别为死区比率也不大，分别为9.6%9.6%、8.768.76、8.01%8.01%。 液面高度对中间包效果的影响液面高度对中间包效果的影响液位对停留时间的影响44.555.56250270290310330350370390410液位(mm)停留时间(min)液位对死区体积51015202530250300350400450液位(mm)死区体积(%) 液位对中间包停留时间的影响液位对中间包死区体积的影响在在A A、B B二挡墙同时存在的情况下，中间包液位从二挡墙同时存在的情况下，中间包液位从300mm-400mm300mm-400mm，

55、停留时间随液位升高而增加，由，停留时间随液位升高而增加，由4.594.59增加到增加到5.64min5.64min；死区体积所占的比率也随液位升高；死区体积所占的比率也随液位升高而增加，由而增加，由10.810.8增加到增加到25.8725.87。单流浇注情况下中间包的冶金效果单流浇注情况下中间包的冶金效果33.544.555.566.5单流 300单流 350单流 400双流 300实验工况平均停留时间 (min) 单流浇注时，中间包内流体平均停留时间 单流浇注时，中间包内流体死区比率单流浇注时，中间包内流体的平均停留时间明单流浇注时，中间包内流体的平均停留时间明显增加，同样的液面高度，单流

56、水口浇注比双显增加，同样的液面高度，单流水口浇注比双流水口浇注中间包内流体的平均停留时间增加流水口浇注中间包内流体的平均停留时间增加了了1.5min1.5min，但中间包内流体的死区比率也有所，但中间包内流体的死区比率也有所增加，增加了增加，增加了1515。10203040506070单流 300单流 350单流 400双流 300数值模拟数值模拟由于中间包流体流动具有紊流特性，因此，描述中间包内钢水流动的数学模型采用连续性方程和NS方程及K湍流模型，预测中间包流体流动。 数学模型数学模型(1) 质量守恒方程： (2) 动量守恒方程： (3) 湍动能方程： (4) 湍动能耗散方程： 0jjxu

57、iijeijiejijjigxuxxuxxpxuu)()()(Gxkxxkuiktiii)()(kcGkcxxxuitiii221)()(边界条件(1) (1) 在上表面的自由液面上，把该边界处理为光在上表面的自由液面上，把该边界处理为光滑壁面，因此，应满足如下条件：滑壁面，因此，应满足如下条件： (2) (2) 在在y-zy-z对称面上满足，对称面法线方向上对称面上满足，对称面法线方向上v v、w w、k k、 的微商为零。因此，边界条件为：的微商为零。因此，边界条件为： (3) (3) 在中间包出口截面上，各物理量沿该截面的在中间包出口截面上，各物理量沿该截面的法线方向导数为零：法线方向导

58、数为零： (4) (4) 固体壁面上的边界条件的处理固体壁面上的边界条件的处理uzvzkzzw 0vxwxkxxu 0uzvzwzkzz 0uuukyuBkyBkEypppp*ln()lnln111tpppppyckEykyu()ln()/1 41 2(5) 入口入口根据连铸坯的断面及拉速推算出单位时间内中间包的通钢量，通钢量除以大包长水口的面积便可确定中间包的入口速度W0。wbacastsllvw 0)(004. 0202020zyxwvuk ck2/ 网格划分及数值求解网格划分及数值求解网格的长、宽、高之比越接近于网格的长、宽、高之比越接近于1 1，也就是说微原体越接近，也就是说微原体越接

59、近正方体，计算时越容易收敛，收敛时所用的迭代次数也越少。正方体，计算时越容易收敛，收敛时所用的迭代次数也越少。对于国内某厂连铸的中间包来说，由于其形状较复杂，因此对于国内某厂连铸的中间包来说，由于其形状较复杂，因此将此中间包划分为好多块，总计将此中间包划分为好多块，总计109109块，每块同时计算，最块，每块同时计算，最终组成整体中间包。如下图所示。终组成整体中间包。如下图所示。 计算区域的计算网格计算区域的计算网格 入口、出口处的的计算网格 计算框图计算框图 计算收敛曲线图计算收敛曲线图 中间包的几何模型中间包的几何模型 国内某厂国内某厂连铸目前双坝、堰中间包的流动特点连铸目前双坝、堰中间包

60、的流动特点中间包流场的计算结果中间包流场的计算结果这些截面钢水流动有类同之处，即钢水经过一道坝向斜上方流动，之后再经过堰向斜下方流动，在堰的右边形成一回流区，而在靠近左部包壁产生一相对小些的回流区。越向中间包前部（拉坯方向），整个流场的平均速度值越大。有些XOZ截面中间包左部钢液顶面的向上速度相对大些，这有可能造成中间包上部的覆盖剂的卷入。其中钢包入口处，中间包内钢水XOZ截面的流场，可以看出，Y1.45m流场图中，长水口下方钢水的流动速度很大，方向几乎是垂直向下的，在长水口的右方有一回流区，回流区的速度较其它图中的偏大，且这一截面的流体的平均速度较其它图中的要大些，Y1.6m XOZ截面存在