液芯钢锭热状态计算的数值分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.03.004 北京钢铁学院学报 1982年第3期 液芯钢锭热状态计算的数值分析 工业热工教研室高仲龙 摘 要 液芯钢锭的加热和轧制可大幅度地改善均热炉的技术经济指标，对节约能耗有 极为显著的效果。通过棋拟实验得知，钢锭液芯率控制在6%左右可以实现液芯轧 制。通过理论计算得出不同模内、模外时间条件下沸腾钢锭的平均温度、凝固层厚 度、液芯率、热含量以及达到出轧标准所应补充的热量等有关热状态参数，在此基 础上找出实现液芯轧制所应遵守的条件，如传搁时间、在炉时间、最高炉温、热负 荷等的定量关系，并提出最佳传搁时间的看法。经过现场实验的验证，上述分析是 正确可信的。 一、问题的提出 提高装炉热锭温度可以全面改善均热炉的技术经济指标，综合国内外的试验和实践，其 效果列在表1中。 表1 提高热锭温度的技术经济效果 譬 热锭温度水平 均热炉产量提高 单位热耗降低 (%) (%) 其 他 一般热锭，每 7 8~10 对高碳钢有助于提高加 提高50℃ 热质量 液芯锭加热，凝 2 200 目前只适用于沸腾钢，氧 固后轧制 70~85 化烧损减少60% 3 液芯锭加热，液 ~300 90~95 目前只适用于沸腾钢， 芯锭轧制 碳、硫偏析度降低45%左右 由表1可见，液芯钢锭的加热和轧制可大幅度地改善均热炉的技术经济指标，对节约能 耗有极为显著的效果。 攀钢的热锭温度在逐年提高，80年已达837℃水平，具备液芯加热和轧制的优越条件， 为此进行实验摸索这一新工艺的特点和规律。 首先进行模拟实验找出液芯率、压下量与轧件凸度（即现场通称的鼓肚）的关系。用铅 模拟钢锭的凝固部分，用塑料模拟未凝固的钢锭液芯，模型与实物的比例是1：12。按现场规 程轧制不同液芯率的钢锭模型，实验结果是： (一)当液芯率≤6%时，不会产生鼓肚， 44

北 京 钥 铁 学 院 举 报 ， 年第 期 液芯钢锭热状态计算的数值分析 工 业 热工 教研 室 离仲 龙 摘 要 液芯钢锭的加 热和 轧制可 大幅度 地 改善均热炉的技术 经 济 指标 ， 对 节约 能耗有 极为显著的效果 。 通过 模拟 实验得知 ， 钢锭液芯率控 制在 左 右 可 以实现液芯轧 制 。 通过理 论计算得 出不 同模 内 、 模 外时间条件 下 沸腾钢锭 的平 均温度 、 凝 固层厚 度 、 液芯 率 、 热含量 以及 达 到出轧标 准所 应补 充 的热量 等有关 热状 态参 数 ， 在此墓 础上 找 出实现液芯轧 制所 应遵 守的条件 ， 如传 搁 时间 、 在 炉 时 间 、 最 高炉温 、 热负 荷等的定 关系 ， 并 提 出最佳传 搁 时 间的看 法 。 经 过 现场 实验 的验 证 ， 上述 分 析是 正 确可信 的 。 一 、 问题 的提 出 提高装炉热 锭温度可 以全 面改善均热炉 的技术经济指标 ， 综 合 国 内外 的试验和实践 ， 其 效果列 在表 中 。 表 提高热锭温度的技术经 济效果 热锭温度水平 序号 均热 炉产量 提高 单位热 耗 降低 一 般热锭 ， 每 提高 ℃ 对高碳钢有助 于提高加 热 质量 液芯锭加热 ， 固后 轧制 目前只适 用 于 沸腾钢 ， 氧 化烧损减少 液芯锭加热 ， 芯锭轧制 目前只 适 用 于 沸腾 钢 ， 碳 、 硫偏 析度降低 左右 · 一叫 由表 可 见 ， 液芯钢锭 的加热 和轧制可大幅度地改善均热炉 的 技术经济指标 ， 对节约能 耗有极为显著 的效果 。 攀钢 的热 锭温度在逐年提高 ， 年 已达 ℃ 水平 ， 具备液芯加热 和 轧制的 优越条件 ， 为此进行实验摸索这一新工 艺 的特点 和规律 。 首先进 行模 拟实验 找 出液 芯率 、 压 下量 与轧件 凸度 即现场通 称 的 鼓肚 的关 系 。 用铅 模拟钢 锭的握固部分 ， 用塑 料模 拟未凝 固的钢 锭液芯 ， 模型 与实物 的 比例 是 。 按现场 规 程轧制不 同液芯率 的钢 锭模型 ， 实 验 结果 是 一 当液 芯率 《 时 ， 不会产 生 鼓肚， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．03．004

(二)液芯率为6~8%时，在I孔轧制的后几道出现小鼓肚， (三)液芯率>8%时，在I孔轧制的第一道次产生较大鼓肚，影响轧制过程的顾利进 行。 由是可知，只有遵守液芯率≤6%的条件才能实现液芯轧制。这样一来，如何确定液芯 率的大小就成为液芯轧制所必须解决的问题了。液芯率实测的难度很大，主要通过计算方法 加以估计。为此结合攀钢液芯锭轧制的需要，进行了液芯钢锭热状态的计算，并在计算的菇 础上进行数值分析，从中找出一些规律，供液芯钢锭轧制实验和生产时参考。 二、数值分析 根据钢锭凝固和冷却的数学模型【11对攀钢8.5吨沸腾钢锭冷却过程进行计算机数值求 解，由计算得到钢锭冷凝过程中任意点温度随时间的变化，即得出温度场。根据温度场可以 钢所 定应 模内冷却时 原补 的 轧量 (千卡) 0 7×10 30 60 140分的△I1 6×103 模内冷却时阀x% 5×103 20 1×105 3×01 2% 10 100 2×105 1×105 -1×10 -?×10 -3×102 -4×105 -5×109 -G×105 7×105 1020300前07市8动90100-8×103 模外冷却时间T外（分钟） 图1不同模内和模外冷却时间条件下钢锭的液芯和达 到出轧温度所应补充给钢锭的热量 45

二 液芯率为 时 ， 在 孔 轧制 的后 几道 出现小鼓肚 ， 三 液芯 率 时 ， 在 孔 轧 制的 第一 道 次产生较大鼓肚 ， 影响轧制过程的顺利进 行 。 由是可知 ， 只有遵守液芯率 的 条件才能实现液芯 轧制 。 这样一来 ， 如何确定液芯 率 的 大小就 成为液芯 轧制所 必须解决的 问题 了 。 液芯 率实测 的 难度很大 ， 主要通过 计算方法 加 以估计 。 为此 结 合攀钢液 芯锭 轧制 的需要 ， 进 行 了液芯钢 锭热状态 的 计算 ， 并在计算的基 础 上进 行数值 分 析 ， 从 中找 出一 些 规律 ， 供液 芯钢 锭 轧制 实验 和生产时参考 。 二 、 数 值 分 析 根据钢 锭凝 固和 冷却 的数学模型 ‘ 对攀钢 吨 沸腾钢 锭 冷却过程进 行 计算机数值求 解 ， 由计算得 到钢 锭 冷凝过程 中任意点 温 度随 时 间的 变化 ， 即得 出温度场 。 根 据温度场可 以 锭撅热到钢出应们充朴阶 铸次坦渭︶八均军挺 又 ‘ 又 ， ‘ 欠 又 劝， 欠 ， “民八甘 又 ， 淤碱片 一 对 ， 一 竺 一 ‘ 又 ‘ 一 又 ‘ 一 又 乡 护二护气护弓广喻一护弓厂喻一责，扩峨护瑞 一 “ “ ’ 。 ’ 模 外冷却 时间丫 外 分 钟 图 不到 同出谈轧温内和度所模 应外冷补 却充给时钢间锭条件的下热钢量 锭 的液 芯和 达

视研究课题的需要进一步算出钢锭各种热状态参数，例如： (一)钢锭的平均温度， (二)找出熔点所处位置，进而求出凝固层厚度， (三)根据凝固层厚度求出钢锭的凝固率和液芯率， (四)根据液芯率及钢锭温度算出钢锭所含有的热量， (五)已知钢锭出炉应达到的温度，即可求出钢锭距出炉要求还应补充的热量，等等。 为了便于分析，将计算结果绘于图1和图2。 、1500 1400 1300 1200 300 4 1100 70 60 低内冷却时回青0分钟酸心 1000 900 德内冷却时间0分钟的炉 30 100 " 800 700002030000080901001i0 模外冷却时间外（分钟） 图2不同模内和模外冷却时间条件下钢锭的平均温度和漿固层厚度 分析图1和图2可知： (一)传搁时间（即模内外冷却时间之和）为120~130分钟时，钢锭基本凝固（即V液 =0),因此，出轧钢锭的在炉时间与传搁时间之和为120~130分钟时钢锭才有可能接近全 凝或有少量液芯，这是因为钢锭在炉内冷凝比在炉外慢，这种钢锭要在出炉运送和轧制过程 中完成冷凝，即所谓液芯钢锭的轧制。 如传搁时间与在炉时间之和小于120~130分钟，则钢锭液芯率必然很大，出轧会产生鼓 肚。 如传搁时间与在炉时间之和大于120~130分钟，钢锭已无液芯，属一般轧制。 (二)传搁时间小于90~110分钟（此时钢锭表面温度为860~1030℃），装炉钢锭本身 热量已超出钢锭出轧所应具有的热量，这是因为锭温高，更主要的是液芯凝固时将釋放大量潜 46

视研 究课题 的需要进一 步算出钢锭各种热状态 参数 ， 例如 一 钢锭的平 均温度， 二 找 出熔点所处位 置 ， 进 而求出凝 固层厚度 ， … 三 根据凝 固层厚度求出钢锭的凝 固率和液芯率 ， ， 四 根 据液芯 率及钢 锭 温度 算出钢 锭所 含有的热量 ， 五 巳知钢锭 出炉应 达到的温度 ， 即可求出钢 锭距 出炉要求还应 补充的热量 ， 等等 。 为 了便 于分析 ， 将计算结果绘于图 和 图 。 省降泌角闯劝命升︵即︶ 瓤 几甘 舞 以侧对贾卜层﹄ 摸外冷却时间 外 分钟 图 不 同模 内和 模 外冷却 时 间条件下钢锭 的平 均温度和凝 固层 厚度 分析图 和 图 可知 一 传搁 时 间 即模 内外冷却时 间之 和 为 分钟时 ， 钢 锭基 本凝 固 即 液 二 ， 因此 ， 出轧钢 锭的在 炉时 间与传 搁 时 间之 和为 分钟时钢锭才有可能接近 全 凝 或有少 液芯 ， 这是 因为 钢 锭在 炉 内冷凝 比在炉外 慢 ， 这种钢 锭要 在 出炉运送 和 轧制过程 中完成 冷凝 ， 即所谓 液芯钢 锭 的 轧制 。 如传搁 时 间与在 炉时 间之 和小 于 分钟 ， 则 钢锭液芯 率必然很大 ， 出轧会产生 鼓 肚 。 如 传搁 时 间与在炉 时 间之 和大于 分钟 ， 钢锭 巳无 液芯 ， 属一 般轧制 。 二 传搁 时间小于 分钟 此 时钢 锭表面 温度为 ℃ ， 装 炉钢 锭本身 热里 巳超 出钢 锭出轧所应具有 的热量 ， 这是 因为锭温高 ， 更主要的是液芯凝 固时将释放大量 潜

热。理论上讲，这种钢锭依靠自身热量均热（内部向表面传热，使表面温度提高）即可达到出 轧要求。所以钢锭装炉后只供给小热负荷用来支付炉膛热损失，维持炉温不降低，给液芯锭 提供适宜的均热条件即可。 这种钢锭均热终了时必然是表面温度低于内部，恰与一般钢锭相反。由于钢锭表面温度 低，有条件在出炉前短时间的增大热负荷，提高炉温，以提高表面温度，用来补偿出炉后运 送和轧制过程中的表面温降，使钢锭断面温度有较好的均匀性。这种钢锭由于内部温度高， 所以出钢时炉温比普烧法低20~40℃，钢锭仍能满足轧制要求。 上述的供热制度即所谓逆L烧钢法，参看图3，这种制度的燃料量随时间变化呈」形， 如同大写的英文字母L的反写，故得名。 若传搁时间过短（例如小于70~80分钟），为了保证出炉时钢锭液芯率不过大，必须增 加钢锭的在炉时间（例如大于50分钟），反而降低了炉子的产量。延长的那一部分在炉时间 可以不供热，或者是延长小热负荷的供热时间，不供热就是在小热负荷之前增加一段炉内网 钢时间，其温热制度曲线如图4所示。 气量B 炉 t 一焖钢 在炉时间T 在炉时间t 图3液芯钢锭加热 图4液芯钢锭加热有焖钢阶 的温热制度 段的温热制度 (三)综上分析，传搁时间过长、过短对炉子的工作都不利，因此存在一个最佳传搁时 间，对攀钢8.5吨沸腾钢锭来说。参考计算数值这个时间是70~80分钟，这时钢锭的凝固率 为18%左右，达到全凝约需50分钟，所以在炉时间为50分钟左右恰好接近于凝固，可实现液 芯轧制。 如传搁时间短于60分钟，则在炉时间必须大于60分钟方可出炉轧制，否则将轧出鼓肚。 如传搁时间长于90分钟，则钢锭本身所含热量距钢锭出轧标准没有剩余或剩余很少，所 以炉子要向钢锭补充部分热量，使燃耗增多，在炉时间也要增长（例如大于60分钟）。 三、现场实验的验证 1981年底在攀钢初轧厂进行了液芯钢锭加热和轧制的生产性实验，实验共做了36炉，为 了获得较完整的数据，作了如下三种情况的实验： (一)钢锭装炉时有液芯，但液芯率不大，出炉时已全凝，即属液芯加热，全凝轧制影 (二)钢锭装炉时有液芯，出炉轧制时仍有少量液芯，在轧制过程中完成凝固，而且轧 47

今 热 。 理论 上讲 ， 这种 钢 锭依 靠 自身热量 均热 内部向表面 传热 ， 使表面温度提高 即可 达到出 轧要求 。 所 以 钢锭装炉后 只供给小热 负荷 用来 支付炉膛热 损失 ， 维持炉温不 降低 ， 给液芯锭 提供适宜 的均热 条件即可 。 这种钢 锭 均热 终了时必 然是 表面 温度低于 内部 ， 恰 与一 般钢锭相反 。 由于 钢 锭表面 温度 低 ， 有条件在 出炉前短 时 间的增大热 负荷 ， 提高炉温 ， 以提高表面 温度 ， 用来补偿 出炉后 运 送 和 轧制过程 中的表面 温降 ， 使钢 锭断面 温度 有较好 的 均匀性 。 这种钢 锭 由于 内部温度高 ， 所 以 出钢 时炉温比普烧法低 ℃ ， 钢 锭仍能 满足 轧制要求 。 上述 的供热 制 度即所谓逆 烧钢祛 ， 参看 图 ， 这种 制度的燃 料量 随 时间变化呈 形 ， 如 同大写 的英文 字母 的反 写 ， 故得 名 。 若传搁 时间过短 例如小于 分钟 ， 为 了保证 出炉时钢锭 液芯 率 不过大 ， 必须 增 加钢锭 的在 炉时 间 例如大 于 分钟 ， 反而降低 了炉 子 的产量 。 延 长 的那一 部分在炉 时 间 可 以 不供热 ， 或者是 延长小热负荷 的供热 时 间 ， 一 不供热就 是在小热 负荷之 前增加一段 炉 内炯 钢 时 间 ， 其温热 制 度 曲线如 图 所示 。 气煤 炉退 扩 气煤 通护 一 炯钢 在炉时间 ， 在炉时间 ， 图 液 芯钢锭加 热 液段芯的钢温 锭热加制度热有炯钢 阶 的温 热制度 图 三 综 上分析 ， 传搁 时 间过 长 、 过短 对炉子 的工 作都 不利 ， 因此存在一个最佳传搁 时 ， 间 ， 对攀 钢 吨 沸腾钢 锭来说 。 参考计算数值 这个时 间是 分钟 ， 这时钢 锭 的凝 固率 为 左右 ， 达 到全凝 约需 分钟 ， 所 以 在 炉时 间为 分钟左右恰好 接近 于 凝 固 ， 可实现液 芯轧制 。 如 传搁 时 间短 于 分钟 ， 则在炉 时 间必 须 大 于 分钟方可 出炉轧制 ， 否则将 轧 出鼓肚 。 如传搁 时 间长于 分钟 ， 则钢 锭本 身所 含热 量 距 钢 锭 出轧标准没 有剩 余 或剩 余很 少 ， 所 以炉 子要 向钢 锭 补充 部分热量 ， 使 燃 耗 增 多 ， 在 炉时间也要 增 长 例 如 大 于 分钟 。 三 、 现 场 实验 的验 证 年底 在 攀 钢 初轧厂进 行 了液 芯 钢锭加热 和轧 制 的生产性 实 验 ， 实 验共做 了 炉 ， 为 了获得 较完 整 的数据 ， 作 了如 下三种情 况 的实验 一 钢 锭装炉时有液芯 ， 但液芯 率 不大 ， 出炉 时 已全凝 ， 即属液芯 加热 ， 全凝轧制 ， 二 钢锭装炉时有液芯 ， 出炉轧制 时仍有少量 液芯 ， 在 轧制 过程 中完成凝 固 ， 而且轧

制过程不出现鼓肚，即典型的液芯轧制， (三)钢锭装炉时有液芯，出炉轧制时液芯率仍很大，轧制过程中有明显的鼓肚，给轧 制造成困难，这种过头的液芯轧制在工艺上是不允许的，很易轧废。 综合上述三类情况，实验数据的规律列在表2中。 表2 8.5吨沸腾钢锭液芯加热和轧制的实验规律 工艺特点 传掏时间（分）在炉时间（分） 钢锭从浇完到出均 热炉的总时间（分） 烧钢方法 液芯加热全凝轧制 >80 >50 >140 普烧法或高烧法 低烧法或逆L烧钢法， 液芯加热液芯轧成 70~80 50 120~130 炉温控制在1290~1300℃ 以下 液芯加热，轧制 时液芯过大，出 1400℃) 现鼓肚 或在炉时间过短 由表2可见，实验结果与计算数值分析的推论是吻合的，说明计算是可信的。 参考文献 1.钢锭凝固和冷却过程的计算北京钢铁学院学报1980年第四期 2.液芯轧制总结报告北京钢铁学院1981年12月 3.钢锭液芯轧制研究攀枝花钢铁公司北京钢铁学院.1981年12月.. 48

制过程不 出现鼓肚 ， 即典型 的液芯轧制 ， 三 钢锭装炉时有液芯 ， 出炉轧制 时液芯率仍很大 ， 轧制 过程 中有明显 的 鼓肚 ， 给轧 制造成困难 ， 这种过头 的液芯轧制 在工艺 上是 不 允许 的 ， 很 易轧 废 。 综 合 上述三 类情 况 ， 实验数据 的规律列在表 中 。 表 吨沸腾钢锭液芯加热 和轧制 的实验规律 工艺特点 传搁 时间 分 钢锭从浇完到 热护的 总时 间絮 烧 · ” 法 液芯加热 全凝轧制 普烧法或高烧法 守 液芯加热液芯轧成 “ 炉 时间 二 ‘ … 一牙一 一 … 低 烧法或逆 烧钢 法 ， 炉温控制 在 ℃ 以 下 液芯 加 热 ， 轧 制 时 液 芯过 大 ， 出 现鼓肚 …一 炉温过高 ℃ 或在炉时间过 短 由表 可 见 ， 实验 结果 与计算数值 分析的推论是 吻合 的 ， 说 明计 算是可 信 的 。 参 考 文 献 钢 键凝 固和 冷却过程 的计算 北京钢铁学院学 报 年 第 四 期 液 芯轧制 总结报告 北京钢铁学院 年 月 钢锭液芯轧制 研究 攀枝花钢铁公司 北京钢铁学院 年 嵘月