拉速、结晶器水量变化与带走热量之间的关系分析

连铸机组织生产过程中，断面确定后，控制一冷传热过程主要措施有：

（1） 钢水过热度，

（2） 结晶器保护渣，

（3） 钢水氢含量，

（4） 一冷水量和温差控制，

（5） 改变连铸拉速。

过热度指中间包钢水温度与该钢种液相线温度差，它的控制由钢种，生产节奏，用户对夹杂物要求等因素而影响，一般过热度保持低于30℃。

合理的中间包温度对铸坯和钢材成品的质量关系极大，有的专家学者宣传过热度越低越好，但是要面对现实，我们必须现实考虑这个过热度指标，影响过热度主要因素：

（1） 钢水的可浇性：当钢水温度接近于液相线温度时候，钢水黏度急剧上升，塞棒控制系统由于阻力过大将失去控制，钢水进入浸入式水口也不能成为一个稳定直径的液态钢水流，从而影响连铸的正常生产和产品质量。

（2） 影响钢的洁净度：过低钢水温度说明了钢包的温度过低，造成钢包钢水黏度加大，影响非金属夹杂物的上浮。

（3） 钢包到中间包温降：钢包大小和中间包流数和浇铸拉速密切相关，合理尺寸的钢包对应相配合的中间包连铸过程，钢包到中间包温降稳定，保持在一个合理的范围内，否则需要高钢温来维持中间包合理的过热度。

（4） 中间包各点温度差：即使设计很好的中间包，不同位置上的钢温也是有差异的，这个差异值约为5℃~7℃，连铸过程必须考虑这个温度差。

（5） 测温仪表的温差：一般来说这个温差范围在±1~2℃。

（6） 铸坯低倍要求：主要指高碳钢和合金结构钢等品种钢，要求铸坯低倍碳偏析尽可能小，所以尽量避免疏松和缩孔的出现，要求具有合理低过热度浇铸，以保证铸坯和轧材的元素偏析指标。

综上所述，一般来说生产品种钢要求的过热度约为30℃，工艺装备水平高管理严格的企业可以将这个数值保持在20~30℃，但是如果浸入式水口絮流严重，可以适当增加过热度。看到资料介绍，如果生产含钛量较大的钢种，为了防止水口TiN絮流，中间包钢水过热度需要大大提升，甚至高于50℃。

钢厂工程技术人员对保护渣的研究按照其钢种，拉速，断面等阐述确定选用合适的保护渣，一般也具备有相应几种保护渣来适应众多钢种组织生产的要求。从钢厂组织生产角度上看保护渣的品种不能过多，一种保护渣覆盖较多看起来近似的钢种，这有利于组织生产，减少保护渣的库存量，当然要以质量为前提条件，不能过分减少保护渣种类。

一般浇铸过程选用保护渣厂家提供的保护渣即可，如果出现明显的质量问题，和厂家商量更换和调整保护渣。

在采用敞开浇铸的模式中，可以明显看到，在同样条件下（断面、钢种、一冷水量、同样铸机相同流数、拉速相同、弯月面位置相同）的一冷水温升要高一些，比如在浇铸150mm方坯时候，敞开浇铸一冷水温升比同样条件下的保护浇铸要高约0.5℃，说明了使用保护渣对一冷传热比敞开浇铸热阻大一点，具体数据对比性不够，今后来注意这个现象。

国内高拉速生产普碳钢小方坯钢企大多采用了保护渣，即在中间包到结晶器之间采用了快换水口机构和浸入式水口，同时使用保护渣，虽然这种模式成为保护浇铸，但是与优特钢的保护浇铸相比，还是有一定的差距，但是就是这个改进，也大大提高了铸坯的表面质量，稳定了连铸机的操作，钢水液面稳定，漏钢和铸坯质量事故显著减少。从环保的角度上看，彻底消除了使用色拉油燃烧造成的二噁英污染问题。从成本上看由于减少事故和质量缺陷，加上保护渣和浸入式成本降低，与使用色拉油的敞开浇铸成本基本一致。所以当前即使生产普碳钢大多数钢厂也是采用了保护浇铸的模式。

1 一冷水量与传热量之间的关系

当拉速一定的时候，就确定了坯壳的生长速率，也就是说离开结晶器铜管的固态坯壳的厚度、温度和中间钢水的温度为拉速的函数，在一定合理范围内与一冷水量大小无关。

当连铸过程的钢种、拉速、过热度、断面确定后，结晶器铜管的传热量也是确定的，一冷水带走的热量基本固定不变的。这就是说结晶器一冷水带走的热量是流量和温差的乘积关系，当一个参数发生变化，另一个参数也随之向相反方向变化，以达到总体热量不变的物理关系。

利用一冷自动控制流量的手段，方便地在计算机上面调节水量大小，观察一冷进出水温度差值，计算一冷过程带走的热量，从而得出一些有益的结论，图1是结晶器冷却水流量调节阀站，连铸职工非常方便地在计算机页面上根据工艺参数来设定需要的水量。

1.1 一冷水量变化与温差的改变

表1是拉速不变时65Mn钢种，断面为140*200矩形坯进行的一冷水量调节实验，从表中可见在一定的流量范围内，流量加大流速上升，温差下降；反之亦然。但是总体的传热量是基本不变的，说明在结晶器内生成的坯壳厚度是常数。图1为该铸机一冷水量自动调节阀站，正是由于一冷水量方便准确的调节，不仅仅达到了工艺要求，为生产适应不同钢种采用不同的一冷强度创造自动调节手段，减轻职工劳动强度，而且为实验提供便利的条件。

图1 原锡兴公司50吨电炉连铸机一冷水自动控制阀站

表1 一冷水量与传热之间关系

从表1 看出，当拉速和连铸断面确定的情况下，不管一冷水流量如何变化，其带走的热量总和基本不变的，即当增加结晶器流量时候，结晶器进出水温差随之减小，反之亦然。

这个测定必须注意调节流量后必须等待一段时间，待温度差这个参数稳定后方才记录和继续调节。从现场条件来看，我是等待了约5 分钟才开始记录参数的。

一冷水量的大小与水处理质量存在一定的关系，从大量的生产实践中看，若结晶器冷却水处理不良，必须加大流量，提高窄水缝内的流速，防止热量在结晶器铜管外壁积累，造成铜管特别是弯月面附近铜管变形损伤。图2 就是结晶器冷却水处理不当出现的弯月面下方铜管损坏照片。无论在高拉速普碳钢生产钢企还是生产优特钢的钢企，都见过铜管表面出现问题的情形，国内对结晶器和设备用水的处理不够重视，结果只能加大水的流量。

图2 铜管弯月面下结垢严重铜管变形

1.2 校准温度消除系统误差

准确知晓结晶器进出水温度差，需要去除系统性误差，才能正确反映当前的热量传递。比如某电炉厂连铸机上，当时生产轴承钢，操作则根据水温差来给定结晶器冷却水流量保持水温差相等，这种操作模式我并不反对，但是要根据准备浇铸时候结晶器冷却水温差的数据来修正，这样才能正确反映实际上的温度差。

图3 电炉厂5流连铸机控制页面

图4 台湾某钢厂连铸页面

图5 某电炉钢厂连铸机开浇前后水温差对比

从图4 页面可以看出第二流和第五流没有生产，但是水温差显示的是0.2℃ 的温差，说明该流的温差存在系统误差，实际中的温差应当减去这个误差值。

图5 是某电炉钢厂生产φ160mm 圆坯开浇前后计算机页面照片，可以看出来一流和三流有+0.3 ℃的温差，二流有+0.6℃ 的温差，所以在计算一冷水带走的热量中，必须考虑这个系统误差，若是根据结晶器进出水温升来调节结晶器水量，也是需要去掉这个系统误差，才能正确反映现场情况。

1.3 结晶器冷却水流量与流速之间的关系

表2 是针对150mm 方坯铜管，铜管壁厚度为13mm ，取两种窄水缝宽度来计算水的流速。

表2 结晶器水缝宽度与流速之间的关系

根据实验得出的经验来看，水的流速越高，热量在铜管壁上积累的可能性越小，如果水处理到位，一冷水流量可以适当小一点，比如台湾某钢厂生产150mm 方坯的一冷水量只有110~120m 3 /h ，其结晶器进出水温升达到10℃ 以上，由于他们的结晶器水处理较好，所以铜管壁不出现结垢现象，使用正常，过钢量达到2 万吨。

国内很多钢厂由于结晶器水处理程度上的不同，生产150mm 方坯时候的水流量差别很大，最小的只有90m 3 /h ，作者看过的最大一冷水量为175m 3 /h ，从节约能源的角度上看，130m 3 /h 的流量足以。水缝宽度4mm 情况下其流速达到了12.33m/s ，如果使用3.5mm 水缝，其水缝里面的流速达到了14.13m/s ，完全能够将铜管壁表面的热量带走，当然这是结晶器冷却水处理系统正常良好的情况下。

一般来说拉速越高，结晶器冷却水带走的热量越多，这是因为结晶器内固态坯壳厚度是时间的函数关系，铸坯在结晶器铜管内下行的时间越短，离开结晶器时候的固态坯壳厚度就越薄，坯壳传导传热量越大。计算表明，当铸坯离开弯月面150mm~300mm 的区域时候，铜管就完全能够将坯壳的传导热量接受过来，高流速的一冷水将其带走，坯壳薄传热量大，一冷水带走的热量就高，所以高拉速的连铸机生产普碳钢时候，其一冷水量往往达到了140m 3 /h ，甚至更高。我的意见是在高拉速生产普碳钢情况下使用3.5mm 的窄水缝，在流量不变的情况下加速冷媒运动速率，使其达到较高的流速，迅速带走铜管壁的热量，避免积累形成损坏弯月面附近的铜管。

图6 非常著名的饱和沸腾曲线

图6 是物体表面/ 冷却水界面传热沸腾曲线，这个实验第一次是一个德国牙医做的。曲线的横坐标为沸腾温差，或称为加热面的过热度；纵坐标为热流密度。该图表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括四个不同换热规律阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾。

连铸正常的一冷过程中的铜管/冷媒界面温差必须在烧毁点以下。如果水缝冷却水的流速过低，这个烧毁点的数值偏小，比如Δt为30℃，这个传热效率实在太低，完全不能适应固态坯壳和铜管传热的需要，假设夏天结晶器冷却水的温度为37℃，按照这个温差铜管外壁只能具有不到70℃的温度，要提高冷却水与铜管壁之间的换热效率，就必须提高这个温度。此时唯一的办法就是提高水缝的流速，将其生成的气泡立即带走，从而提高烧毁点的温度，也就是提高了温度差Δt，见图7。图7中铜管的烧毁点大约为250℃，我们使用过程中肯定不能超过这个温度，而且是要大大低于这个温度的，铜管的热流密度也不可能达到10MW/m2 ，应该还是在直线段范围内，铜管和冷媒界面之间的热交换热流密度应该在4MW/m2 以下。

图7 连铸结晶器铜管/冷却水界面的热传递

我们假设铜管表面的温度达到了90℃ ，即没有沸腾的温度，此时铜管/ 冷媒界面的交换热效率非常高，铜管表面不会产生热量的积累，高流速的水流将铜管表面温度始终保持在一定的范围内，从而达到铜管正常工作，又能将结晶器内的热量传递出来。

图8 铜管、保护渣、坯壳温度示意图

图8显示了固态坯壳、保护渣层、铜管的温度情况，保护渣作用巨大，其冷面和热面温差巨大，虽然保护渣的导热系数很低，但是其厚度薄，温度驱动力大，所以仍然能够将固态坯壳传递过来的热量接受下来，接着传递给铜管，由铜管再将热量传递给结晶器冷却水。

2 铜管传递热量过程

铜管与保护渣层接触的界面传递热量，假设铜管热面为180℃ 温度，冷面为80℃ ，铜管冷热面温差Δt=100℃ ，铜的导热系数w=380w/m.k 。150mm 方坯铜管厚度约为h=13mm ，能够传递的最大热流密度：

q=W/h*Δt=380/0.013*100=2.923MW/m 2

上一篇文章阐述了铜管平均热流密度约为2MW/m 2 ，从这个数据来看，铜管的冷热面的温差应该更大，不然难以在铜管上部达到很大的热流密度。如果铜管的热面温度能够达到200℃ ，就能够提高20% 的传热量，看来要提高铜管的传热量只有提高铜管冷却水流速，降低铜管的厚度方能达到这个目的。

铜管热面温度能否继续提高，如果能够达到250 ℃，即使铜管外壁温度不变，其传热量大大提高，其热流密度可达5MW/m 2 ，这样就能够应付弯月面处的传热要求。

图9 坯壳厚度与热流密度之间的关系

图10 铜管冷热面温差与热流密度的关系

图9 可以看出是坯壳随着厚度的增加，固态坯壳的传热过程的热流密度急剧下降，就是双曲线的关系，这个图形非常形象勾画出来。图10 是13mm 厚度铜管的在不同温度下的热流密度，如果铜管的温差能够达到150℃ ，其热流密度就能够达到近4MW/m 2 。

铜管的再结晶温度可以达到近300℃ ，考虑到安全性使用铜管，其铜管热面可以在250℃ 温度下正常工作。如果铜管热面能够达到较高的温度，形成的传热驱动力将大大升高，所能够传递的热量将大为增加。当然热量的传递受到保护渣和气隙的影响，也不必无限拔高铜管的热流密度，保持在一个合理的水平上即可。如果达到更高的拉速，比如5m/min 以上的拉速，甚至达到与轧钢相适应的咬入速度6~7m/min 以上，就必须对保护渣和铜管做出进一步的优化，使之能够传递强大的热量，同时又要保持铜管在较高温度下的机械性能，达到正常生产的目的。

降低厚度又涉及到铜管的强度问题，13mm 厚度是长期以来实践优化的结果，即使再减薄铜管厚度，也仅仅是1~2mm 的勾当了，油水并不很大，看来只能是降低铜管冷面温度来提高Δt ，窄水缝流速提高也是高拉速生产的必然，也可以通过开槽等增加铜管冷面与一冷水接触面积来快速交换热流。

根据一冷水量和温升就可以知晓铜管的平均传热的热流密度，通过计算也能够得知铜管在什么位置上达到这个平均的热流密度，这将在其它的文章来阐述这个问题。

3 拉速和一冷水温关系

上面已经提到拉速提高造成结晶器内的固态坯壳减薄，固态坯壳的传导传热的热流密度与固态坯壳的厚度呈反比关系，所以固态坯壳的传热能力提高，透过保护渣层的热量和铜管的导热量也随之增加，结果是结晶器冷却水温度提高。所以说高拉速状态下的结晶器冷却水量也随之增大。

我在现场观察三炼钢快速更换中间包，生产的是150mm方坯，钢种为45Mn，正常生产的拉速为2.2m/min，结晶器水量为116.7m3/h，回水温度为34.1℃，进水温度为27.1℃，温差为7℃，一冷水小时带走的热量为3415兆焦。生产到后期钢水温度降低下来，中间包钢水温度只有1512℃，这个钢种的液相线温度为1495℃，过热度只有17℃，必须提高拉速，加快生产节奏，防止中间包冻结，后来最高拉速达到了2.5米。有效记录是2.4m/min时的参数，回水温度为24.7℃，回水温度为27.3℃，温差为7.4℃，一冷水小时带走的热量为3610兆焦。当时的150方坯的铜管长度为850mm，计算得到对应的铜管和固态坯壳热流密度为1.79兆焦和2.08兆焦；拉速提高后对应的热流密度分别为1.89兆焦和2.2兆焦。水温升函数关系为：Δt=2V+2.6 。

2010年3月6日我在锡兴公司二炼钢140*200mm矩形坯进行改变拉速的实验，钢种为50钢，一冷条件不变，结晶器水量为100.5m 3 /h ，当时我自己操作来改变连铸拉速，等到状态稳定后，记录回水温度和水温差。

表3 改变拉速结晶器水温变化及热流变化

此结晶器铜管长度为900mm ，铜管表面积为0.65m 2 ，一冷过程中固态坯壳的平均表面积为0.561m 2 ，铜管外表面平均热流密度和坯壳平均热流密度见上表。我们注意到以下几点现象：

l 随着拉速的提高，水温差增加，由于一冷水流量不变，一冷水带走的热量增加，说明了结晶器内的铸坯固态坯壳厚度随着拉速增加是减小的，造成了坯壳导热能力增加，所以一冷水温升高。表中的固态坯壳和铜管的平均热流密度都是随之拉速增加而增加的。

l 拉速升高同时也造成了液态保护渣层厚度的减小，涂抹到铜管内壁的保护渣量减小，造成坯壳外面的固态保护渣层厚度减小，相对来说热阻减小，所以传热量增加，导致一冷水温升高。

l 从下图来看，拉速和一冷水温差基本呈现出线性关系，水温升Δt=3.3333V+3.4333 。

l 随着拉速的增加，单位总量的铸坯带走的热量也随之下降。虽然结晶器单位时间内传热量增加，但是对于拉速增加来说，单位重量铸坯传热量是下降的。我们可以根据这个特定的钢种和断面来找出拉速增加水温升增加以及单位重量铸坯传热量之间的函数关系。

图11 拉速与水温之间的关系

知晓了拉速、流量和水温差之间的关系，如果需要使用一冷参数参与连铸机自动控制，就可以定量给出该铸机的模型，从而实现自动操作。

我认为从目前的生产来看，使用人工来判断也是比较好的手段，一般的操作台内都配置有职工监控和记录，根据工艺要求给出确定的一冷水量，同时来观察一冷进出水温升状况。了解一冷参数对于冶炼工程技术人员和技术骨干也是非常重要的，既然知晓连铸坯的表面质量和一冷过程休戚相关，就有必要了解结晶、传热过程，主动掌握这些知识对稳定生产高质量钢和高拉速生产普碳钢都很有必要。

我来计算看看铸坯在铜管内下行，何时铜管达到平均的热流密度？高温状态下的固态坯壳导热系数取33W/(m.k) ，温差取200℃ ，，h=33*200/1840=3.59mm ，（这里计算是按照热流密度q=W/h* ΔT 反算得到h 厚度的，1840KJ/m 2 是指根据一冷水带走的热量计算出来的平均铜管的热流密度。）这样计算下来坯壳厚度为3.59mm 。再使用凝固模型来计算铸坯下行的距离，在铜管上部高温阶段上取凝固系数18 ，L=3.59^2*3/18^2=0.1193m ，计算出来铸坯下降120mm 后，坯壳传递过来的热量就达到了平均的热流密度。如果按照凝固系数为20 计算，其下降量为97mm 就达到了铜管能够传递这个能量了。

如果固态坯壳温差为300℃ ，计算出来的达到平均热流密度的坯壳厚度就为5.38mm 厚度，铸坯下行距离就为217mm 。如果是360℃ 温差，计算表明坯壳厚度为6.46mm ，下行了313mm距离 。

这个计算基本是正确的，从铜管结垢的照片非常能够说明问题，见图12 。就是弯月面下面100mm 多的地方热流密度最大，如果一冷水质量出现问题，结垢现象在弯月面下面呈现出倒三角形状。

图12 铜管结垢严重导致弯月面下部凹陷

计算这个数值的意义在于我们可以从一冷水量和进出水温差来得出一冷过程带走的热量具体数值，只要流量计和温度计是准确的，这个数值是可以相信的。物理意义是固态坯壳平均的热流密度。实际上肯定是弯月面附近的热流密度高于这个数值。

图13 冷却水处理不当造成的铜管结垢

这是某钢厂150mm 方坯铜管表面发黑照片，一冷水量145m 3 /h ，原来使用120m 3 /h 就可以了，不知道为什么会出现这种情况。

图14 达到过钢量后试验结晶器小水量出现的铜管外壁发黑

图14是某钢厂铜管达到预定的过钢量，有意识减少一冷水量，观察铜管外壁情况，结果发现过小的水量造成铜管马上发黑，一冷水无法及时将内部传来的热量带走，造成热量在冷面上积累，在较短的时间内产生氧化亚铜呈现黑色。

图15 一冷不当造成150mm方坯表面渣沟照片

图16 一冷不当造成的圆坯表面凹陷

图15 和图16 表现的是一冷水处理不当，造成铜管外表面结构严重，一冷传热不良，铸坯表面出现凹陷和纵裂。

一冷水量究竟要达到什么样的水平才能满足结晶器铜管冷却的需要，同时又不至于过分强调流量和压力造成能源的浪费，一冷结晶器冷却用水的流量主要与水缝大小、流速、水处理水平、水缝通道结构、铸坯拉速和铸坯尺寸相关，现场要根据积累的经验，给出最佳的流量和压力，以保证产品质量为前提，不必追求过高的流量和压力，还是以150mm 方坯为例，水缝为4mm 条件下，以高拉速生产普碳钢时候，其水量120~140m 3 /h ；生产优特钢拉速为2m/min 情况下，一冷水量设定为100~120m 3 /h 即可。

唐工水平有限，只有这个水平，不对之处大家批判。仅仅是一个现场工程师，讲述现场的东西多一些，望大家理解。

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