不同热装方式下铸坯温度分布研究

葛建华 王明林 赵文博 张 慧

(1.钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京 100081； 2.西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055)

不同热装方式下铸坯温度分布研究

葛建华1王明林1赵文博2张 慧1

(1.钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京 100081； 2.西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055)

采用有限元软件对步进式加热炉内钢坯加热过程进行分析计算，建立铸坯加热温度场模型，计算不同热装条件下铸坯中心与表面的温度变化曲线。以铸坯1/4断面为研究对象，分析铸坯断面全流程温度分布，得到连铸坯表面温度、角部温度、心部温度的变化曲线。模拟分析不同热装方式装炉的铸坯在加热炉内的加热升温情况，提取铸坯表面和中心位置的加热曲线。模拟加热炉内加热过程，为降低铸坯断面温差、加热炉能耗以及提高生产效率提供依据。

热装方式 连铸坯 加热炉 温度分布 能耗

冶金企业是能源消耗大户，各工序几乎都有热量消耗，若能在上一道工序中保存余热供下一道工序使用，可以明显降低该工序的能源消耗[1]。随着连铸技术的发展成熟，充分利用连铸坯自身热能的热送热装技术已成为钢铁生产中节能降耗的重要手段之一[2]。铸坯从进入结晶器至出加热炉过程中温度变化、相变过程十分复杂，实际生产中无法时刻测量铸坯表面温度在各生产工序的变化情况。尤其对于Ti和Nb等微合金钢而言，直装、热装的应用会导致析出物的析出历程改变，给铸坯的组织、性能和表面质量等带来不利影响。铸坯的温控是实现连铸全流程智能化的重要因素之一；同时，合理的热装制度也有利于钢铁企业的节能降耗。近年来，越来越多的科技工作者开始采用数值模拟方法探究各类铸坯温度的变化过程，为铸坯的直装、热装工艺制定提供指导[3]。

1 铸坯加热过程数学模型

为了研究热装坯和冷装坯在加热炉内的升温过程，需得到铸坯进入加热炉时的温度分布情况。采用有限元数值模拟软件结合现场生产流程，对237 mm×1 600 mm断面的连铸坯进行加热过程数值模拟计算。建立钢水经过结晶器、二冷区、空冷区的温降过程模型，得到直装坯的温度场，可以提高数学模型的计算精度和准确度[4]。采用有限元数值模拟软件建立铸坯在加热炉内的加热模型，通过非稳态计算获得铸坯加热温度变化曲线。

1.1 连铸坯温度场数学模型

钢水的主要化学成分见表1。

表1 钢水的主要化学成分(质量分数)Table 1 Main chemical composition of the liquid steel (mass fraction) %

其他工艺参数如下：大包钢水温度为1 596 ℃；浇注温度为1 556～1 561 ℃，本文浇注温度取tP=1 559 ℃；连铸机恒拉速为1.2 m/min；板坯断尺寸为237 mm×1 600 mm。

铸坯1/4断面模型边界条件如下：

(1)结晶器换热采用综合换热系数，见式(1)[5]：

(1)

式中：u为拉坯速度，m/min；X为弯液面到结晶器底部的距离，cm；Fi为结晶器四面冷却水的流量，L/min；Δt为结晶器冷却水温差，℃；W为结晶器宽度或厚度，mm；Ts为钢的固相线温度，℃；取k=0.029 274 kJ/(m·>s·>℃)；c=0.752 4 kJ/(kg·℃)；ρ=7 000 kg/m3；ρw=1 000 kg/m3；CW=4.182 kJ/(kg·>℃)。

钢的液相线和固相线温度计算经验公式见式(2)、式(3)[6]：

Tl= 1 536-[90W(C)+6.2W(Si)+1.7W(Mn)+

28W(P)+40W(S)+2.6W(Cu)+

2.9W(Ni)+1.8W(Cr)+5.1W(Al)]

(2)

Ts=1 536-[415.3W(C)+12.3W(Si)+

6.8W(Mn)+124.5W(P)+183.9W(S)+

4.3W(Ni)+1.4W(Cr)+4.1W(Al)]

(3)

(2)二冷区宽面采用对流换热边界，见式(4)[4,7]：

h=A·Wn

(4)

式中：h为对流换热系数，kW/(m·℃)；W为水流密度，L/(m2·s)；n为常数，取0.5～1.0；A为常数，取120～420。

(3)二冷区窄面采用辐射换热边界，见式(5)[8]：

q=εσ[(Tb+273)4-(Ta+273)4]

(5)

式中：ε为辐射系数，取0.8；σ为玻尔兹曼常数，取5.67×10-8W/(m·℃)；Ta为喷水冷却区环境温度，40 ℃；Tb为铸坯表面温度。

(4)空冷区宽面和窄面采用辐射换热，公式同式(5)。

建立铸坯1/4断面二维非稳态传热模型，倒角与铸坯宽面呈30°，倒角斜边55 mm[9]。

钢液流经结晶器用时40 s，凝固形成坯壳。铸坯在二冷区快速冷却，经1 200 s到达火焰切割处切割，切割后在辊道上运输至加热炉前，用时约1 000 s。到达加热炉前辊道上的铸坯根据生产计划进行调度，或下线堆垛缓冷，或直接进入加热炉加热。直接进入加热炉加热的铸坯初始温度场为经过结晶器、二冷区、空冷区后到达加热炉前辊道的铸坯的温度场，如图1所示。此时铸坯中心温度为1 010 ℃，角部温度为650 ℃，表面中心温度为850 ℃，等温线呈椭圆环状分布，温度由内向外逐渐降低，角部温度与铸坯中心温差约360 ℃，断面温差较大。

图1 铸坯经过空冷区后的温度云图Fig.1 Temperature contour of section in casting slab out of air cooling zone

下线的铸坯经堆垛区堆垛缓冷，待温度达到温装或冷装标准时送入加热炉加热。下文分别模拟经堆垛后平均温度为30、400、500、600 ℃的铸坯在加热炉中的加热情况，以及不下线直接进加热炉的铸坯的加热情况。

1.2 加热炉加热制度模型

铸坯到达加热炉前辊道后，一般采用三种生产制度进行生产。其一是直装，从连铸机出来的铸坯不经过下线处理，直接送至加热炉进行加热，或者进行边角补热后直接热轧，这种方式可以最大化地利用铸坯的热量；其二是温装，即从连铸机生产的铸坯经过下线堆垛，待铸坯温度冷却到500 ℃左右时送至加热炉进行加热，待温度达到设定值后进行热轧；其三是冷装，即铸坯下线堆垛至常温后送至加热炉，经过加热炉加热到目标温度后进行轧制，此方法所需能耗最大。铸坯在加热炉达到出炉温度的标准是铸坯最高温度和最低温度的差值≤20 ℃，且铸坯整体温度达到目标温度[10]。

加热炉炉膛分预热段、一加热段、二加热段和均热段。各段对应的长度和温度见表2。

表2 加热炉结构分布Table 2 Structure distribution of heating furnace

利用有限元数值模拟方法模拟铸坯在加热炉内的加热过程，基本假设如下[11]：

(1)铸坯内部没有内热源，同一时刻铸坯各节点的热物性参数相同；

(2)加热炉内温度分布稳定，炉膛各段介质温度分布均匀，忽略炉长方向各段之间的辐射换热；

(3)忽略铸坯表面氧化铁皮对传热的影响；

(4)加热炉内相邻两块铸坯之间有一定的间隙，铸坯上下受热条件相同，铸坯左右两侧受热条件相同；

(5)忽略板坯加热过程中相变热，忽略板坯长度方向的热传导。

铸坯断面在不停的运动中，随时间的变化其温度分布不断变化。根据单元体的能量平衡原理，在直角坐标系下建立的控制微分方程为[12- 13]：

(6)

式中：CP为铸坯的质量热容，J/(kg·℃)；λ为铸坯的导热系数，W/(m·℃)；T为铸坯的温度，℃；ρ为铸坯的密度，kg/m3；x、y为钢坯宽度和厚度方向的坐标。

铸坯加热时，铸坯入炉温度可认为是初始温度，即铸坯断面初始温度为：

T(x,y,t)>|t=0=T入炉(x,y)

(7)

铸坯在加热炉内的边界条件主要分为两种，对流、辐射边界和绝热边界。铸坯外表面与炉气接触，是对流及辐射边界；铸坯对称面是绝热边界。由于加热炉中温度高达1 200 ℃左右，辐射传热量占总传热量的90%以上，而加热炉内炉气的对流换热系数很难确定，边界条件常通过辐射换热量乘以系数加以补偿处理[14- 16]。边界条件如式(8)、式(9)所示：

(8)

(9)

式中：k1、k2为系数；σgws为导来辐射系数，W/m2·K4，取σgws为=4.85。

设定加热炉炉膛温度为1 250 ℃，铸坯加热目标温度为1 200 ℃。计算铸坯采用三种不同装炉方式加热到目标温度耗用时长以及铸坯表面和心部温度的变化曲线。

2 不同热装方式铸坯加热过程分析

图2为铸坯1/4断面关键点位置分布，“1”为铸坯1/4断面中心，“7”为宽面中心，“6”为宽面1/4，“5”为角部上端点，“4”为角部中心，“3”为角部下端点，“2”为窄面中心。分析7个关键点在加热炉内的温度变化曲线，以得到铸坯加热温度变化规律，为加热炉加热制度的制定和完善提供依据。冷装铸坯要求铸坯入炉温度为室温～400 ℃，此处模拟30 ℃铸坯在加热炉内升温过程。热装铸坯温度为400～700 ℃，本文模拟400、500、600 ℃铸坯入炉加热过程。直装铸坯温度为700～900 ℃。

图2 铸坯1/4断面7个关键点示意图Fig.2 Seven key points at a quarter billet cross section

2.1 铸坯加热过程断面温度云图

图3(a)、3(b)～3(d)和3(e)分别为30 ℃铸坯、温装铸坯和直装铸坯加热3 600 s的断面温度云图。

图3 不同热装方式铸坯加热3 600 s的 断面温度云图Fig.3 Section temperature contour of casting slab under different heat loading conditions after being heated for 3 600 s

采取相同的温度标尺，经过相同的加热时间，冷装坯升温最为剧烈，中心温度上升620 ℃，表面中心温度上升740 ℃，表面1/4位置上升770 ℃，角部温度上升920 ℃，断面温差为300 ℃；400 ℃温装铸坯加热3 600 s温度迅速上升，中心温度上升430 ℃，表面中心温度上升490 ℃，表面1/4位置上升550 ℃，角部温度上升640 ℃，断面温差为210 ℃；500 ℃温装铸坯加热3 600 s温度迅速上升，中心温度上升390 ℃，表面中心温度上升450 ℃，表面1/4位置上升480 ℃，角部温度上升570 ℃，断面温差为180 ℃；600 ℃温装铸坯加热3 600 s，中心温度上升320 ℃，表面中心温度上升380 ℃，表面1/4位置上升410 ℃，角部温度上升500 ℃，断面温差为180 ℃。可见冷装坯和温装坯在加热开始阶段温度上升较为明显，而冷装坯升温速率明显大于温装坯；铸坯断面温差则是冷装坯最大，最小为600 ℃温装坯。从整体温度分布看，冷装坯和温装坯不同温度区域呈椭圆环状分布，从铸坯角部到铸坯中心温度上升。若将30 ℃冷装坯继续加热，将会得到和温装坯大致相同的温度场，即若要达到相同的温度状态，冷装坯将需加热更长时间。

直装坯加热3 600 s断面温度较入炉时有较大变化，最低温度区域位于X正方向铸坯1/4位置处，围绕最低温度区域呈椭圆环状分布，中心温度上升90 ℃，表面中心温度上升260 ℃，表面1/4位置上升250 ℃，角部温度上升500 ℃，断面温差为60 ℃。直装坯的加热升温过程与冷装和温装坯的规律不同，与其加热初始温度分布密切相关。直装坯入炉时中心温度高，内部热量向外传导，中心温度降低；而炉膛温度高于铸坯温度，因此铸坯表面温度迅速上升并向铸坯内部传递热量，铸坯温度由表面向中心逐渐上升。铸坯中心1/4位置温度上升的速率低于铸坯中心和表面的升温速率，因此成为温度最低区域。随着加热时间的延长，直装坯的断面温度分布趋势与冷装、温装坯的温度分布趋势一致。

2.2 铸坯加热过程关键点升温曲线

图4(a)、4(b)～4(d)和4(e)分别为冷装坯、温装坯和直装坯在加热炉内关键节点的升温曲线，图中平行X轴的直线为Y=1 200，为铸坯出炉的目标温度。

整体来看，冷装与温装铸坯的温度上升过程趋势相似，几个关键节点温度的高低关系基本相同，即角部温度>窄面温度>中心温度。升温速率：角部位置>窄面位置>中心位置。继续加热，几个节点处温差逐渐减小，到达加热终点时温度基本相同。不同装炉方式铸坯各关键节点的初始温度相同，但升温速率不同。冷装和温装方式下，窄面中心、角部下端点、角部中点、角部上端点的升温速率明显高于宽面中心点和宽面1/4点的升温速率， 断面中心升温速率最慢。铸坯表面与中心的温差短时间内迅速增大，表面热量迅速向中心传递，铸坯中心温度上升。由于铸坯的热传导系数低于加热炉炉膛与铸坯表面的换热系数，因此中心温度的上升速率小于铸坯表面温度的上升速率。

图4 不同热装方式铸坯加热关键点的升温曲线Fig.4 Heating curves of the key points of casting slab under different heat loading conditions

图4(e)所示为直装坯加热过程的升温趋势。可见加热初期，断面中心温度下降，其他关键点温度迅速升高，窄面中心、角部位置升温速率高于宽面中心、宽面1/4位置升温速率。将图4(e)局部放大如图4(f)所示，加热192 s后，断面中心温度与宽面中心温度同为974 ℃。加热400 s时断面中心温度降到最低为968 ℃。加热1 008 s时断面中心温度与角部下端点温度相同为996 ℃，宽面中心温度约1 030 ℃，其余位置温度较低。加热1 160 s时，断面中心温度与角部中心温度同为1 004 ℃，宽面中心温度为1 050 ℃，窄面中心温度986 ℃。加热1 200 s时，断面中心温度与角部上端点温度同为1 006 ℃，窄面中心991 ℃，其余关键点位置温度较低。加热1 472 s时，断面中心温度与窄面中心温度同为1 020 ℃，低于其他位置处温度。断面中心升温速率较小，继续加热断面中心温度会低于其他关键位置温度，而窄面中心和角部位置温度会大于宽面温度。继续加热至1 520 s时，角部下端点与宽面1/4位置温度同为1 047 ℃；加热至2 040 s时，角部下端点温度与宽面中心温度相等。加热至1 704 s时，角部中心温度与宽面1/4温度同为1 054 ℃；加热到2 384 s时，角部中心温度与宽面中心温度同为1 095 ℃。加热1 768 s时，角部上端点温度与宽面1/4温度相同为1 056 ℃；加热到2 408 s时，角部上端点温度与宽面中心温度相同为1 096 ℃。加热到2 024 s时，窄面中心温度与宽面1/4位置温度同为1 065 ℃；加热至2 672 s时，窄面中心温度与宽面中心温度同为1 104 ℃。

直装坯各关键点的升温曲线不同于冷装和温装坯，直装坯加热初期各区域温度高低不一，升温速率各不相同才会产生各区域温度在加热过程中产生交点的情况；对于冷装和温装坯，加热初期各区域温度相同，但铸坯各位置升温速率不同，各位置温度的高低趋势在加热过程中不改变。

3 结论

(1)冷装和温装铸坯在加热炉加热过程中温度分布趋势相似，即以断面中心低温区域为中心，向角部高温区域温度呈椭圆环状分布。

(2)直装坯加热过程温度场变化趋势与冷装、温装坯不同，在加热初期，直装坯中心区域为高温区域，角部为低温区域，温度场呈椭圆环状分布。

(3)直装坯加热后中心温度上升速率小于角部温度上升速率，一度呈现以X正方向铸坯1/4位置为低温区域，呈椭圆环状温度向外逐渐升高。继续加热，低温区域转移至断面中心，与冷装和温装坯温度分布趋势相似。

(4)冷装和温装坯关键位置处升温趋势相似，而在加热初期直装坯各关键位置温度上升趋势较为复杂，加热一段时间后，冷装、温装坯温度分布相似。

(5)提高加热炉预热段温度及铸坯入炉温度，缩短铸坯在高温区内的停留时间，可以缩小铸坯断面温差，提高加热效率，从而降低能耗。

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收修改稿日期：2016- 09- 18

StudyonTemperatureDistributioninContinuousCastingSlabunderDifferentHotChargingBehaviors

Ge Jianhua1Wang Minglin1Zhao Wenbo2Zhang Hui1

(1. National Engineering Research Center of Continuous Casting Technology, Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081,China; 2. College of Metallurgy, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an Shanxi 710055, China)

Finite element software was used to analyze the heating process of the billet in the walking beam reheating furnace.The model of the slab heating temperature field was established,and the temperature variation curves of the center and the surface of the slab under different heat loading conditions were calculated.Taking the 1/4 section slab as the research object,the temperature distribution in the whole slab section was analyzed,and the variation curves of surface temperature,corner temperature and core temperature were obtained.The heating condition of casting billet with different hot charging modes in heating furnace was simulated and analyzed,and the heating curve of the surface and center of the slab was extracted. The simulation of furnace heating process provided a basis for reducing the temperature difference between the strand section,furnace energy consumption and improving productivity.

hot charging mode，continuous casting slab，heating furnace，temperature distribution，energy consumption

葛建华，男，主要研究方向为连铸坯热送热装方式及铸坯热量损失，电话：15201461577，Email：gthustb@163.com