连铸装备的技术创新和精细化生产技术交流会
连铸二次冷却的研究现状与未来展望
李聿军，杜辰伟，张家泉
（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京，100083）
摘要：二次冷却不但决定了初生坯壳出结晶器之后的传热与凝固，且大
大影响铸坯凝固过程中的相变及二次相的析出，这些都对铸坯内部质量及表面质量有着极其重要的影响，甚至会影响后续热装或冷装以及轧制工艺。在回顾二冷控制由人工经验到目前以目标温度和有效拉速控制法为主的综合控制法的基础上，总结了二冷冶金准则的制定，二冷控制方法演进过程、控制要点，以及国内外代表性的动态二冷控制模型。提出未来的动态二冷控制模型，应通过分析不同钢种的凝固特性，制定其相应冷却工艺及后续冷却历程，并结合其冷却或再加热过程中相变与析出行为制定进加热炉前的送坯工艺。
关键词：连铸；二次冷却；冶金准则；动态控制；研究进展
Research and Prospect on Secondary Cooling in Continuous Casting
LI Yun-jun?，DU Chen-wei， ZHANG Jia-quan
School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology
Beijing, Beijing 100083, China
?Corresponding author, E-mail:liyujun79@yeah.net
Abstract: Secondary cooling not only determines the early green shell mold of heat transfer and solidification, and greatly affect the phase transformation during the process of casting solidification and precipitation of quadratic phase, these are the internal quality of slab and surface quality has very important influence, even will affect the follow-up and rolling technology in hot or cold. In the review of secondary cooling control by artificial experience so far is given priority to with the target temperature and effective speed control method on the basis of the comprehensive control of secondary cooling set of metallurgical criteria are summarized, evolution process of secondary cooling control method, control points, as well as the domestic and foreign representative dynamic secondary cooling control model. Dynamic secondary cooling control model is proposed for the future, should be through the analysis of the solidification characteristics of different steel grade, make its corresponding cooling process and subsequent cooling process, and combined with its phase transition in the process of cooling or heating and develop into the furnace before send billet precipitation process.
.1.
Keywords: Continuous casting; Secondary cooling; Metallurgical principles; The dynamic control; The research progress
0引言
连续浇注的钢水通过结晶器里的快速冷却形成一个较薄且有足够强度的坯壳。在随后的二冷区内继续完成钢液从液态到固态的转变，这期间会经历多种复杂的物理化学变化，既要发生凝固过程中的传热、流动、传质、溶质分配，组织转变以及合金元素的碳氮化物的析出，又要受到热和机械的变形。因而诸多铸坯质量与二冷区内的冷却息息相关，如铸坯的内部质量（中间裂纹，中心裂纹）、表面质量（微合金钢的表面横裂纹与角部横裂纹）、凝固组织、相变与二次相析出行为、铸坯鼓肚（高温蠕变）等。控制铸坯在二冷区内合理的均匀冷却成为保证铸坯质量的重要环节。
连铸二次冷却的控制经历了由最初的凭借人工经验控制到最近的基于铸坯温度场在线模拟的动态二冷控制，很好的控制了实际生产中非稳态浇注情况下的铸坯表面温度波动，保证了其不同浇注状况下（如头尾坯、换中包等）的铸坯质量。
本文回顾了国内外众多冶金工作者对连铸二冷冶金准则的制定、二次冷却控制的研究历程，对现有动态二冷控制模型进行了总结，并提出了未来二冷控制的研究方向。
1二冷冶金准则
关于二冷区的冶金准则，目前国内普遍采用的是：
铸坯沿拉坯方向上，冷却速度≤200℃/m；各冷却区出口回温≤100℃/m；矫直点温度≥900℃。[1]
在1977年J.K.Brimacombe[2] 做了对连铸坯裂纹形成的全面总结，指出许多铸坯内部缺陷的形成（如中间裂纹、中心线裂纹）都与不良的二次冷却有关。也有学者指出，不良的二次冷却也会加剧中心偏析的产生[3] 。
为防止铸坯在二冷区冷却时产生表面或内部缺陷，早期的冶金学者分别从不同角度提出了二冷区的冶金准则[4] 。
1）二冷区铸坯冷却和回温产生的热应力是否导致内裂纹或中间裂纹为判据
1976年，Brimacombe[4] 指出，连铸机二冷区设计应满足以下两个方面：即减少内裂纹和保持较高的凝固速率。并由此提出了二冷区回温不能超过100℃的准则。其依据是：H.Vom Ende 和G.Vogt[10] 在讨论设计弧形结晶器连铸机时指出，矫直变形应不超过0.3-0.5%，有时即使超过0.2%也会出现裂纹。而内裂的倾向也与碳含量有关，碳含量在0.17-0.24%之间或高于0.6%，更容易发生内裂纹。G.Van Drunen和Brimacombe等[11] 在随后研究了内裂（或热撕裂hot-tear）的形成，认为其在凝固组织为柱状晶时容易产生而在等轴晶区不易发生。并详细解释了二冷区内过度回温导致铸坯内裂纹的形成过程。在二冷区的末端或相邻冷却区的交汇处，铸坯表面产生回温，回温大小主要取决于铸机二冷区的设计及喷嘴布置。回温导致表面已凝固坯壳的膨胀，表面坯壳的温度比内部低，强度比凝固前沿大。回温膨胀在凝固前沿处产生了双轴拉伸应变，当此应变超过钢在高温下的临界应变值时，在凝固前沿的低塑性区（枝晶间的钢液残留）便产生了热撕裂。当然，关于内裂
.2.
纹的形成还跟其他因素（如铸机设备等）有关，Halliday[12] 也做了相关说明。研究结果表明，对于含碳量0.4%的普碳钢，高温区（1340℃）进行塑性变形断裂的临界应变（以延伸率表示）为0.2-0.3%。因此，Brimacombe基于上述观点指出若按照一般钢种的这种特性，钢的高温热膨胀大概为0.2%/（100℃)，因此建议为避免内裂纹，回温不超过100℃，保守起见则不超过50℃。之后关于铸机设计及二冷控制的研究多基于此准则。
此后，比利时的A.Palmaers[5] 对连铸坯的机械应力和热应力进行了计算。通过与实验对比，确定拉伸应变0.2%作为不产生内裂纹的临界应变，并提出了将应变判据转换为冷却判据的观点。分析认为，在二冷区末端出现热应力的情况下，确定产生的最大变形和表面温度回升与坯壳厚度之比之间的严格关系。这个比值以―热应力系数‖表示。并确定了三种代表性钢种（含硫≤0.015%钢、含碳0.1~0.2%钢、含硫0.025%钢）的热应力系数与最大拉伸变形（临界拉伸应变0.2%）的关系分别为80、45和30℃/cm，如图1所示。例如：临界热应力系数为80℃/cm，如果坯壳厚度为3cm，则不产生内裂纹可允许的回温为240℃。这是铸坯纵向(垂直于拉坯方向)不同坯壳厚度所受的回温与热应力的关系。以此作为设计方坯连铸二冷区回温的准则，更为合理。
图 1 三种钢最大拉伸应变与热应力系数的关系
早期的连铸机二冷区布置的非常短，因此二冷区的出口处会有一个很大的回温。而现在的连铸机设计时都会加长二冷区，且划分为多个冷却区，避免了出口处过大的回温，故一般均能满足此二冷准则。同时，早期的铸机设计都是单点矫直，为了防止矫直裂纹，采用全凝固矫直，而现代铸机通过增加半径和优化辊列布置，均可实现带液芯矫直。多点矫直或连续矫直的设计也大大减小了矫直应变，发生内裂纹的概率也随之降低。
2）碳氮化物的析出行为对角部横裂纹的影响
T.Nozaki[7] 针对C含量为0.18%，Al含量0.039%的过包晶钢，观察对比了不同冷却制度下AlN的析出行为以及对铸坯角横裂的影响，得到了AlN析出与冷速之间的关系。分
.3.