钢连铸过程中的传热

钢连铸过程中的传热

在钢的连铸 (CC) 过程中，仔细控制铸坯冷却和铸坯沿 CC 机器的生长非常重要。这些因素对铸钢产品中可能形成的裂纹和其他缺陷的形成起着重要作用。为确保铸钢产品无缺陷，铸坯将根据钢种、钢产品尺寸、铸造速度和 CC 机器设计的模式进行冷却。另一方面，液池长度的控制是优化铸造速度以提高生产率的关键因素。因此，传热在连铸机的运行中起着非常重要的作用，尤其是在铸造裂纹敏感钢种时。事实上，许多不同的现象同时控制着控制 CC 过程中传热的复杂事件序列。

中间包中钢水的温度通常比液相线温度高 30 摄氏度到 50 摄氏度。在连铸过程开始时，钢水在水冷结晶器中冷却，形成一个凝固壳，可以支撑结晶器出口处的液池。模具末端的典型温度为 1100 摄氏度，铸坯中心的温度为 1550 摄氏度。由于钢不会在固定温度下凝固，而是在一定的温度范围内，因此存在一个使钢凝固的糊状区域。既不完全固体也不完全液体。连铸中使用的钢种在 1350 至 1500 摄氏度的温度范围内是完全固态的，而凝固在 1450 至 1525 摄氏度的温度范围内开始。这在很大程度上取决于合金元素的含量钢铁。

凝固的 CC 钢产品中的热传递以复杂的方式发生，因为要提取的热量来自钢绞线的焓变，既来自温度降低又来自相变。前者称为显热变化，后者称为潜热。此外，相变不仅涉及固相之间的变化，还涉及合金凝固所产生的条件。例如，在液相线和固相线温度之间存在糊状区，这取决于钢的碳含量。此外，热阻随着钢壳厚度从弯月面到模具底部的增加而增加。该区域的传热是通过传导进行的。

连铸过程中的钢凝固在结晶器中开始，随后在二冷区并在空冷条件下结束。铸造技术要求从铸坯表面到水冷系统的传热非常有效。

在一次（钢水到结晶器）、二次（喷淋区）和三次（自由辐射）冷却阶段发生的传热是与钢水连铸有关的主要现象。这种传热系统的热行为预测或确定都很重要，因为它直接影响凝固，特别是在模具内形成固体壳的初始阶段。

连铸中的冷却和凝固主要发生在结晶器和二冷段。模具中发生的冷却必须足以将钢水冷却到在表面上形成足够厚度的固体层的程度，以便在钢壳离开模具时机械地支撑钢壳内的液态钢池。另一方面，二次冷却过程必须足以完成在模具中开始的凝固过程。由于过大的冷却速度容易在铸钢产品的弯曲区产生裂纹，过慢的冷却速度会导致过长的液池，因此冷却速度也是一个关键参数。

影响钢水CC过程传热的过程有：钢水区域的传导和对流、凝固壳内的传导、凝固壳外层与模具壁面之间的传热、内部的热传导。模具，通道壁和冷却水之间的模具中的热传递，二冷区内通过对流和辐射的热传递，凝固线和轧辊之间通过传导的热传递。此外，伴随凝固的相变相关的热效应对传热有显着影响。

结晶器和二冷区的传热控制对钢水的凝固起着至关重要的作用。热交换限制了铸造速度，本质上影响了实心壳的形成。

CC 模具中的热传递

CC 模具中的传热至关重要，并且受许多复杂现象的支配。数学和计算机建模通常用于加深对模具热条件的了解，并有助于正确的设计和操作实践。主要的横向传热可以认为是热能通过一系列热阻从模具中液态钢芯的高温源流到模具冷却系统的冷却水槽。下面给出传热的热阻。

• 通过凝固壳的热传递
• 从钢壳表面（表皮）到内衬铜表面的热量传递
• 通过铜模进行热传递
• 从外铜内衬表面到模具冷却水的热传递

在模具区域中，热传递由以下控制。 （图一）

• 液体过热到壳表面的对流
• 固化（糊状区的潜热释放）
• 通过实心壳传导
• 外壳与模具接口的尺寸和性能
• 通过铜模传导
• 模具冷却水对流

图1模具区传热机理

从钢壳表面到内衬铜表面的热传递是最复杂的，是模具中的控制步骤。它主要涉及两种传热机制，即（i）传导和（ii）辐射。该传热步骤的显着特征是凝固钢的收缩（这是钢种和 CC 机器操作条件的函数），以及由此导致在钢壳和模具表面之间形成气隙的趋势。

气隙的形成是复杂的，并且可能在横向和纵向上都发生变化。因此，它对传热机制以及热通量的大小有不同的影响。例如，随着气隙的形成，热传递主要从传导向辐射进行，从而导致热通量减少。一般来说，这个传热步骤代表了所有四个步骤中最大的热阻，尤其是通过铜衬里和从后者到模具冷却水的热传递。

模具中的整个散热模式取决于间隙形成的动态。通常，随着钢壳凝固并远离模具表面收缩，间隙宽度往往会随着与弯月面距离的增加而增加。此外，由于壳厚度随着距弯月面的距离而增加，它往往会承受铁静压力的相反膨胀作用以减小间隙。

在靠近模具表面的钢冷却到固相线温度以下后，间隙开始形成。由于三个因素，实际间隙尺寸的确定是困难的，即 (i) 结晶器的摆动运动，(ii) 与铸造速度相关的结晶器内铸钢产品的运动，以及 (iii) 铸模的随机运动。在垂直于铸造方向的平面上铸钢产品。模具粉末以及间隙中的气体的存在是附加因素，这使得热传递更加复杂。结果，难以准确确定间隙中的热阻。离开模具后，用喷水和空气冷却板坯表面。然后从冷却铸坯表面带走的热通量与铸坯表面的温差和冷却介质温度成正比。模具中的传热区域可分为三个区域（i）钢水与模具壁直接接触的区域，（ii）出现凝固钢层的中间区域，以及（iii）区域随着气隙的发展。气隙的发展导致凝固的铸坯壳和模具壁之间的温度梯度非常高。间隙参数的变化对结晶过程的进程有显着影响，并且构成了铸造过程稳定进程的潜在干扰源。因此，为了评估所考虑的系统的稳定性，了解间隙几何形状对模具热运行的影响至关重要。

模具润滑的影响使铜内表面的热传递更加复杂。影响该模具表面传热的另一个因素是模具锥度，它倾向于增加传热，因为它反对形成间隙的效果。

一般来说，沿模具长度的局部热通量在钢水弯月面或刚好低于钢水弯月面时达到最大值，并沿模具长度减小。整个结晶器的平均热通量随着拉速的增加而增加。

通过铜衬里的热传递是通过传导。它取决于铜的热导率及其厚度；厚度越大，铜内衬的热面温度越高。从外铜内衬表面到模具冷却水的热传递是通过强制对流来完成的。尽管冷却水的整体温度（通常约为 40 摄氏度）在给定水压下通常低于其饱和温度，但如果该表面的局部温度足够高，则在模具外表面的局部区域仍然可能沸腾水蒸气气泡在表面成核，传递到较冷的大量冷却水中，并凝结。这种效应增加了热传递。核沸腾会导致铜结晶器（冷面和热面）的温度场循环，并可能导致铸钢产品质量下降。可以通过增加冷却系统中的水速或提高水压来抑制沸腾。钢坯模具中更容易发生初沸，由于其壁厚较薄，其冷面温度高于板坯模具。冷面温度的典型值是钢坯模具为 150 摄氏度，板坯模具为 100 摄氏度。

模具中的热传递控制是通过强制对流冷却水系统完成的，该系统通常设计为适应凝固过程产生的高热传递率。一般来说，冷却水从模具底部进入，垂直通过位于模具外壁和钢制密封夹套之间的一系列平行水通道，然后从模具顶部排出。主要控制参数如下。

• 在所需水温、压力和水质下的水量。
• 水的流速均匀地流过模具内衬周边的通道。

通常，采用加压再循环闭环系统。水流的速度应足以吸收钢绞线的热量，而不会过度增加整体水温。温度大幅升高会导致传热效率降低和模具温度升高。出于同样的原因，模具的进水温度也不应过高。还需要适当的模具水压。较高的水压往往会抑制沸腾，但过高的水压可能会导致机械模具变形。

水质是模具内衬上结垢的一个重要因素。水垢沉积可能是一个严重的问题，因为它会在模具冷却水界面产生额外的热阻，从而提高模具壁温度，从而导致不利影响，例如产生蒸汽和降低铜衬里的强度。水垢形成的种类和数量主要取决于冷却水的温度和流速、模具的冷面温度以及水处理的类型。

为了达到适当的流速，冷却系统的设计使得速度足够高，以在模具冷却水界面产生有效的传热系数。流速过低会在该界面处产生较高的热阻，这可能会导致沸腾及其不利影响。一般来说，冷却水流速越高，模具温度越低。冷却系统的设计还应保持模具周围所需的流速分布均匀，并使直接水冷的面面积最大化。合理的水路几何设计，结合集箱和集水板，可以实现均匀的流量分布。

监测模具冷却系统的运行参数可以对铸造过程进行评估。例如，在冷却水流量恒定的情况下，从模具表面带走的热量与入口和出口水温 (delta T) 之间的差异直接相关。因此，过大的 delta T 表示一个或多个模具面的异常低流速，而过小的 delta T 表示一个或多个模具面的异常大的积垢。不对称的浇注流、模具变形或钢绞线未对准会导致相对面的不等 delta T。

CC机二冷段传热

在模具下方，通过钢壳与来自喷嘴的冷却介质、水或水空气混合物的直接接触发生热传递。这部分的冷却通常称为二次冷却。在这个二次冷却部分，由于空气雾化水喷雾的高压、辐射以及与支撑辊和导辊的接触，热量被提取。在该区域中，传热的特征在于组合传热系数。在这里，热量以所有三种传递模式（传导、对流和辐射）传递。而且辊子，尤其是内部冷却的支撑辊也会从铸坯中散发出大量的热量。

在二次冷却区域，从铸钢表面带走的热通量可以表示为

q =K (Ts – Tw) + qR

式中q为总热通量，K为传热系数，Ts为表面温度，Tw为冷却水温度，qR为辐射热通量。

影响二次冷却的主要变量是表面温度。理论术语“莱顿弗罗斯特温度”对 CC 机器的运行和设计具有非常实际的影响。喷雾冷却效率很大程度上取决于表面温度。冷却后的表面可以形成稳定的蒸汽层。稳定的蒸汽层保护表面不与冷却剂直接接触，冷却强度低。蒸汽层的稳定性与表面温度有关。当温度降低，蒸汽层坍塌时，冷却会立即增加。

相关铸件和二冷条件下的实际表面温度和“莱顿弗罗斯特温度”会显着改变冷却强度。莱顿弗罗斯特温度是一个理论术语，它对连铸有非常实际的影响。没有现有的理论方法来预测莱顿弗罗斯特温度。只能通过测量获得。

与高温区的强度相比，低温区的冷却强度可以高出十倍。这两个温度区域之间的边界是莱顿弗罗斯特温度。 

喷淋水系统的主要传热作用如下。

• 在CC操作的约束条件下，即钢种、浇注速度等条件下获得完全凝固所需的适量水。
• 能够调节从模具下方到切断操作的钢绞线热条件，即钢绞线表面温度和钢绞线中的热梯度
• 辅助功能，例如控制卷筒的冷却。

有必要控制钢绞线中的温度水平和热梯度，以避免出现表面和内部缺陷，例如形状不当和裂纹。在高温下，钢壳的强度性能对壳承受 CC 操作施加的外力和内力的能力起着至关重要的作用。主要力是由液芯的铁静压力和撤出操作的牵引力所施加的力。尤其是接近固相线温度的钢的延展性低，壳易产生裂纹。控制温度梯度很重要，因为可能会引起超过钢强度的热应变，从而导致裂纹。过度的热应变是由于过冷或过冷引起的热提取率的变化。后一种情况是由于再加热而发生的，这种情况是当喷雾冷却不正确终止时引起的，钢绞线通过从内部传热再加热，温度升高，然后通过辐射传热衰减到环境中。在这些条件下，可能会导致过度的应变和裂缝。可以通过扩展和改变喷水冷却操作来减少这种影响，以提供与辐射冷却区域的平滑过渡。

因此，在二次冷却系统的设计中，要建立满足产品完整性和质量的铸流热条件。例如，指定沿线的表面温度。它们通常在 700 摄氏度到 1200 摄氏度的范围内。基于此信息，沿线的冷却速率由传热方程确定。这些计算中的重要参数包括喷水的对流传热系数和水通量（每单位表面接触面积的水量）。选择喷嘴的类型、喷嘴相对于铸坯表面的位置、喷嘴的数量和水压，以提供所需的水通量和整个二次冷却扇区的分布。沿着具有重叠图案的钢绞线的每一层通常使用多个喷嘴。

通常沿钢绞线建立一系列冷却区，每个冷却区都具有相同的喷嘴配置和传热特性。由于所需的冷却速率沿铸流长度方向降低，其连续区域的水通量降低。

在操作过程中，水通量的变化是为了补偿铸造条件的变化，如铸造速度、铸坯表面温度、冷却水温度和钢种。

二冷区主要存在辐射、传导和对流三种基本传热形式。

辐射是二冷室上部区域的主要传热形式，由下式描述。

Q =KEA (Ts?-Ta?) （Ts 和 Ta 值的 4 次方）

其中K是公认的Stefan-Boltzmann常数，E是发射率常数，（通常为0.8），A是表面积，Ts和Ta分别是钢表面和环境温度。

当产品通过轧辊时，由于相关的接触，热量以传导的形式通过外壳传递，也通过轧辊的厚度传递。这种形式的传热由傅里叶定律描述。

Q=kA (Ti-To)/delta X

对于通过钢壳的传导传热，k 是壳的热导率，而 A 和 delta X 分别是传递热量的钢壳的横截面积和厚度。 Ti 和 To 分别是壳的内表面和外表面温度。这种形式的热传递也通过密封辊发生。

对流是一种传热机制，它通过快速移动从喷嘴喷出的水滴或水雾，穿透靠近钢材表面的蒸汽层，然后蒸发。这种对流机制在数学上由牛顿冷却定律通过以下方程描述。

q=hA (Ts-Tw)

其中传热系数“h”（一个常数）通过实验确定选定的水通量、喷嘴类型、喷水压力（如果使用气雾，则为气压），最后是钢表面温度。 A是表面积。 Ts和Tw分别为钢材表面温度和喷水温度。

具体而言，二次冷却传热起到以下作用。

• 提高和控制凝固速度，部分连铸机在该区域实现完全凝固
• 通过喷水强度调节来调节钢绞线温度
• CC 机器安全壳冷却

二次冷却系统的作用是控制铸坯从模具出口到完全凝固的热状态。为确保 CC 钢产品无缺陷，铸坯将根据钢种、铸坯尺寸、铸造速度和 CC 机器设计的模式进行冷却。通常，要避免大的温度波动以及高的冷却或再加热速率。表面再加热会在靠近凝固前沿的区域产生热应力，根据再加热量和钢种，这通常会导致中间面开裂或热开裂。同样重要的是，在弯曲或矫直区域的铸坯表面温度在待铸造钢的低延展性范围之外。否则，有表面开裂的风险。

二次冷却段以外的热传递

从二冷段末端到截止段，钢绞线在空气中主要通过对流和辐射进行冷却。