一种连铸高质量精准二次冷却工艺

摘要

本发明涉及一种连铸高质量精准二次冷却工艺，属于冶金连铸技术领域。技术方案是：钢种冷却强度采用分段台阶式变比水量控制；钢种冷却水量按铸坯原生拉速跟踪配水，且微合金高锰钢种的冷却强度与钢种内在属性Mn/S比负相关，实现了铸坯在所有拉速范围内的均匀冷却和较低热应力控制；本发明有效解决了连铸生产中诸多钢种尤其是无取向硅钢、铁素体不锈钢等铁素体软钢板坯宽度变化较大的生产难题，解决了钢种连铸过程中由于连铸机拉速变化导致的连铸机扇形段内铸坯表面温度大度波动的生产难题以及微合金高锰钢表面质量差的技术难题。铸坯表面温度基本恒定，极大提高了铸坯质量。

权利要求

1.一种连铸高质量精准二次冷却工艺，其特征在于：钢种冷却强度采用分段台阶式变2

比水量控制，具体为：比水量与拉速的分段函数关系为f=a*Vc+b*Vc+c ，式中Vc为铸坯原生拉速，a、b、c为取值系数；在钢种目标拉速范围内，Vc按步长0.1m/min进行分段函数控制，每一段内a、b、c取值不同；f为比水量，单位为L/kg；

钢种冷却水量按铸坯原生拉速跟踪配水，具体为：每个冷却回路内铸坯生成的“原生拉速Vc”是通过对铸坯生长时间进行跟踪而计算得到的，即将二冷区铸流等分成许多小段，分段个数与长度与二冷区冷却回路的个数与长度相对应，用一组缓冲器单元分别记录各铸坯段的生长时间，当铸流每移动一个段长的距离时，就对缓冲器各字节中的铸坯生长时间进行一次刷新，且铸坯生长时间序列前移一步，这样，每个冷却回路内铸坯生成的“原生拉速Vc”由下式计算：Vseg=L/t ；

其中，L为铸坯段的中点到结晶器液面的距离；t为铸坯生长时间；Vseg为段速度；铸坯的有效移动速度即“原生拉速”是如下加权平均值：其中，Vc为铸坯原生拉速；V为铸机实际拉速；

ω是加权常数，对于不同位置不同冷却强度的铸坯段，ω的取值不同，ω的取值范围

10‑100之间，ω的取值方法：结晶器足辊区，ω=100；第1、2扇形段，ω=65‑95；第3、4、5扇形段，ω=45‑85；第6、7、8扇形段，ω=25‑75；其余扇形段，ω=100；

微合金高锰钢种的冷却强度与钢种内在属性Mn/S比负相关。

2.根据权利要求1所述的一种连铸高质量精准二次冷却工艺，其特征在于：所述微合金高锰钢种的冷却强度与钢种内在属性Mn/S比负相关，钢种Mn/S比低，二次冷却强度大；钢种Mn/S比高，二次冷却强度小；钢种冷却强度与钢种Mn/S比的拟合关系式为：冷却强度= 

1.367 ‑ 0.003333* Mn/S比。

说明书

一种连铸高质量精准二次冷却工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及一种连铸高质量精准二次冷却工艺，尤其是涉及铁素体不锈钢、无取向硅钢、微合金高锰钢等高附加值品种钢连铸板坯精准二次冷却的工艺技术，属于冶金连
铸技术领域。

背景技术

[0002] 连铸过程实质上是一个散热过程。通常把钢水在结晶器中的冷却叫做一次冷却，夹着液芯的连铸坯被拉出结晶器后继续被喷水冷却，需要以适当的速率继续冷却，直到全
部凝固，这个过程叫二次冷却。二次冷却与铸机产量和铸坯质量密切相关，因此铸坯二次冷
却工艺至关重要。二冷分段控制指的都是二冷水量的分段控制，目的都是保证二冷水量的
均匀性，从而使冷却均匀，现有连铸二次冷却技术已较为成熟，例如：申请号 
201711130184.3、名称为“一种连铸机二次冷却方法及装置”的中国专利申请，申请号 
201711335379.1、名称为“二次冷却台的水量分布均匀的奥氏体不锈钢连铸方法”的中国专
利申请，申请号 201811112024.0、名称为“高拉速中薄板坯连铸机二次冷却方法”的中国专
利申请，以及申请号 201910276364.5、名称为“一种基于小方坯连铸模拟拉速的二次冷却
配水方法”的中国专利申请，等等。现有技术存在以下致命缺陷：

[0003] 对于确定的钢种，比水量（冷却强度）是相对固定的。这种工艺的缺点是低拉速时铸坯过冷，导致铸坯质量差和伤害连铸机设备；高拉速时铸坯冷却不足，导致铸坯超宽
（尺寸不符合要求）和铸坯鼓肚，引发铸坯裂纹缺陷和异常滞坯事故。此外由于铸坯拉速与
铸坯表面温度强烈相关，而恒定比水量与拉速无关，导致铸坯拉速变化时铸坯表面温度剧
烈变化，不满足连铸二冷工艺表面温度基本恒定的要求，也不能满足连铸二冷工艺设定的
恒定目标表面温度，导致各种铸坯表面及皮下裂纹缺陷。尤其是无取向硅钢、铁素体不锈钢
等铁素体软钢，这个问题更为突出。如何解决这个问题一直是铁素体软钢铸坯二次冷却工
艺的一个最大难题。

[0004] 连铸坯二次冷却水量一般是铸机拉速的函数关系，而连铸生产过程中，由于钢水供应、设备故障、过程异常等原因，导致铸机拉速经常变化（拉速波动），当拉速较大波动
时二冷配水量也随之急剧波动，从而造成了铸坯表面温度的大幅波动，严重影响铸坯的质
量。

[0005] 钢种的二次冷却工艺与钢种的成分等内在属性（Mn/S比）没有关系，只是根据钢种类别来确定钢种的比水量（冷却强度），尤其时微合金高锰钢导热率低，线收缩值大，且铸
坯凝固组织粗大，柱状晶异常发达，易产生热裂纹。此类钢种的二次冷却工艺若不考虑具体
钢种的成分等内在属性（Mn/S比），针对不同钢种成分精准配水，将导致各种铸坯表面质量
问题。

发明内容

[0006] 本发明目的是提供一种连铸高质量精准二次冷却工艺，解决连铸生产中诸多钢种尤其是无取向硅钢、铁素体不锈钢等铁素体软钢板坯宽度变化较大的生产难题，解决钢种
连铸过程中由于连铸机拉速变化导致的连铸机扇形段内铸坯表面温度大度波动的生产难
题以及微合金高锰钢表面质量差的技术难题，变免出现连铸设备故障，铸坯表面温度基本
恒定，满足连铸二冷模型设定的恒定目标表面温度要求，提高铸坯质量。

[0007] 本发明的技术方案是：一种连铸高质量精准二次冷却工艺，钢种冷却强度采用分段台阶式变比水量控制；钢种冷却水量按铸坯原生拉速跟踪配水，且微合金高锰钢种的冷
却强度与钢种内在属性Mn/S比负相关，实现了铸坯在所有拉速范围内的均匀冷却和较低热
应力控制，提升铸坯质量；所述原生拉速Vc是通过对铸坯生长时间的铸流跟踪而计算得到
的，段速度Vseg由公式Vseg=L/t 计算，其中L为铸坯段的中点到结晶器液面的距离；t为铸坯
生长时间；原生拉速Vc由公式 来计算，其中V为铸机实际拉
速，ω是加权常数，对于不同位置不同冷却强度的铸坯段，ω的取值不同，ω的取值范围
10%‑100%之间。

[0008] 所述钢种冷却强度采用分段台阶式比水量控制，比水量与拉速的分段函数关系为2
f=a*Vc+b*Vc+c ，式中Vc为铸坯原生拉速，a、b、c为取值系数，系数a、b、c因不同铸机、不同
钢种、不同断面的不同而有差异，具体可通过仿真计算和研究确定；在钢种目标拉速范围
内，Vc按步长0.1m/min进行分段函数控制，每一段内a、b、c取值可能不同。

[0009] 所述微合金高锰钢种的冷却强度与钢种内在属性Mn/S比负相关，钢种Mn/S比低，二次冷却强度大；钢种Mn/S比高，二次冷却强度小。钢种冷却强度与钢种Mn/S比的拟合关系
式为：冷却强度= 1.367 ‑ 0.003333* Mn/S比。

[0010] 本发明钢种冷却强度采用分段台阶式比水量控制，从根本上解决了无取向硅钢、铁素体不锈钢等铁素体软钢在连铸浇铸过程中铸坯宽度变化较大导致后工序无法按原计
划（合同）轧制的技术难题。钢种冷却水量按铸坯“原生拉速”跟踪配水，巧妙解决了连铸浇
铸过程中由于连铸机拉速变化导致的连铸机扇形段内铸坯表面温度大度波动的技术难题，
有效提升铸坯的冷却效率和铸坯的表面质量。微合金高锰钢种的冷却强度与钢种Mn/S比负
相关，将钢种的内在属性（Mn/S比）与该钢种的二次冷却工艺建立函数关系，纠正了以往钢
种二次冷却工艺与该钢种内在属性（Mn/S比）无关的技术偏见。从根本上实现了连铸钢种的
精确二冷控制，有效解决了微合金钢种铸坯表面裂纹难控制的技术难题。

[0011] 本发明的有益效果是：通过实施本发明的二次冷却新工艺，有效解决了连铸生产中诸多钢种尤其是无取向硅钢、铁素体不锈钢等铁素体软钢板坯宽度变化较大的生产难
题。解决了钢种连铸过程中由于连铸机拉速变化导致的连铸机扇形段内铸坯表面温度大度
波动的生产难题以及微合金高锰钢表面质量差的技术难题。并且成功解决了在低拉速时铸
坯过冷，导致铸坯质量差和伤害连铸机设备；高拉速时铸坯冷却不足，导致铸坯超宽和铸坯
鼓肚，引发铸坯裂纹缺陷和异常滞坯事故。而且铸坯表面温度基本恒定，满足了连铸二冷模
型设定的恒定目标表面温度要求，极大提高了铸坯质量。

附图说明

[0012] 图 1 为本发明铸坯“生长”时间跟踪示意图；

[0013] 图 2 为本发明钢种Mn/S比与冷却强度负相关示意图；

[0014] 图 3 为本发明铁素体不锈钢二冷比水量与拉速的关系图。

[0015] 具体实施方式：

[0016] 以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

[0017] 一种连铸高质量精准二次冷却工艺，包括以下步骤：1）钢种冷却强度采用分段台阶式变比水量控制；2）按铸坯“原生拉速”跟踪配水；3）钢种冷却强度与钢种Mn/S比负相关。

[0018] 所述步骤1）钢种冷却强度采用分段台阶式变比水量控制，具体如下：

[0019] 在本发明中，钢种冷却强度‑比水量不仅与钢种有关（现有工艺），而且与铸坯拉速密切相关（发明工艺）：比水量与拉速的关系见式1，其中，Vc在钢种目标拉速范围内为分段
函数，系数a、b、c另外取值：

[0020] f=a*Vc2+b*Vc+c      ‑‑‑‑式1

[0021] 上式中Vc为铸坯“原生拉速”,在钢种目标拉速范围内，Vc按步长0.1m/min进行分段函数控制，每一段内a、b、c取值可能不同；a、b、c为取值系数，系数a、b、c因不同铸机、不同钢
种、不同断面的不同而有差异，具体可通过仿真计算和研究确定。在确定了钢种的热物理性
能，在最常用的过热度下，通过建立凝固传热数学模型和确定边界条件，进行反复的数值仿
真及优化计算，获得在每一拉速下合适的比水量。模拟和优化计算的标准是满足铸坯二次
冷却的冶金准则的要求，特别是在不同拉速下二冷区铸坯表面温度的变化规律要符合其目
标表面温度曲线的要求。将仿真优化计算获得的二冷比水量与拉速的对应数据进行多项式
回归，可得到二冷各段水量与拉速的变化关系，即可确定合理的a、b、c系数值。

[0022] 连铸钢种二次冷却强度采用分段台阶式变比水量控制，纠正了以往二冷工艺钢种比水量基本恒定，而与连铸机拉速基本无关的技术偏见。从根本上解决了无取向硅钢、铁素
体不锈钢等铁素体软钢在连铸浇铸过程中铸坯宽度变化较大导致后工序无法按原计划（合
同）轧制的技术难题。

[0023] 所述步骤2）按铸坯“原生拉速Vc”跟踪配水，具体如下：

[0024] 每个冷却回路内铸坯生成的“原生拉速Vc”是通过对铸坯生长时间进行如附图1所示的跟踪而计算得到的。图中将二冷区铸流等分成许多小段，分段个数与长度与二冷区冷
却回路的个数与长度相对应，用一组缓冲器单元分别记录各铸坯段的生长时间，当铸流每
移动一个段长的距离时，就对缓冲器各字节中的铸坯生长时间进行一次刷新，且铸坯生长
时间序列前移一步。

[0025] 这样，每个冷却回路内铸坯生成的“原生拉速Vc”就可用下式计算：

[0026] Vseg=L/t             ‑‑‑‑式2

[0027] 其中，L为铸坯段的中点到结晶器液面的距离；t为铸坯生长时间；Vseg为段速度；铸坯的有效移动速度即“原生拉速”拉速是如下加权平均值

[0028]      ‑‑‑‑式3

[0029] 其中，Vc‑为铸坯原生拉速；V‑为铸机实际拉速。

[0030] ω是加权常数，对于不同位置不同冷却强度的铸坯段，ω的取值不同，ω的取值范围10‑100之间，ω的取值方法：结晶器足辊区，ω=100；第1、2扇形段，ω=65‑95；第3、4、5扇
形段，ω=45‑85；第6、7、8扇形段，ω=25‑75；其余扇形段，ω=100。

[0031] 连铸二次冷却采用铸坯“原生拉速Vc”跟踪配水，从而保证连铸机扇形段内每一块铸坯的二冷水量（冷却强度）与该块铸坯生成时的拉速相对应。巧妙解决了连铸浇铸过程中
由于连铸机拉速变化导致的连铸机扇形段内铸坯表面温度大度波动（现有控制方式在当拉
速较大波动时二冷配水量也随之急剧波动，从而造成了铸坯表面温度的大幅波动，严重影
响铸坯的质量）的技术难题，有效提升铸坯的冷却效率和铸坯的表面质量。

[0032] 所述步骤3）钢种冷却强度与钢种Mn/S比负相关，具体如下：

[0033] 现场试验和研究表明：微合金高锰钢Mn/S对钢的高温塑性的影响有4个温度区域：

[0034] ①1350℃～1400℃，Mn/S越高，塑性越差；

[0035] ②1000℃～1350℃，Mn/S对塑性无影响；

[0036] ③800℃～1000℃，Mn/S越高，塑性越好；

[0037] ④600℃～800℃，Mn/S越高，塑性越差

[0038] 由上可知， Mn/S高的钢种就不能用强冷却，因为强冷却的矫直区温度都在700℃以下，Mn/S越高，钢种塑性越差，更容易产生各种铸坯裂纹缺陷。因此，钢种冷却强度与钢种
Mn/S比负相关，即钢种Mn/S比低，二次冷却强度大；钢种Mn/S比高，二次冷却强度小。钢种冷
却强度与钢种Mn/S比的拟合关系式为：冷却强度= 1.367 ‑ 0.003333 *Mn/S比。

[0039] 微合金高锰钢钢种连铸二次冷却强度与该钢种Mn/S比相关，将钢种的内在属性（Mn/S比）与该钢种的二次冷却工艺建立函数关系，纠正了以往钢种二次冷却工艺与该钢种
内在属性（Mn/S比）无关的技术偏见。从根本上实现了连铸钢种的精确二冷控制，有效解决
了微合金钢种铸坯表面裂纹难控制的技术难题。

[0040] 本发明专利的二冷分段控制是指钢种冷却强度即比水量的分台阶控制。连铸坯的二次冷却强度，一般用比水量来表示。比水量的定义是:单位时间内消耗的冷却水量与通过
冶金锯片二次冷却区的铸坯质量的比值，单位为L/kg。也可以用单位时间、单位铸坯表面接
2
受的冷却水量，即水流密度来量度，单位为L/m。传统的二次冷却强度根据不同钢种的经验
确定比水量大小。如下表（表1）：

[0041] 表1：

[0042]

[0043] 即对于确定的钢种，比水量（冷却强度）是固定的，不同钢种比水量（冷却强度）不同。本发明是突破现有技术的限制（改变现有技术的偏见），对于确定的钢种，冷却强度（比
水量）是变化的，采用分段台阶式变比水量控制，并指出了确定的函数关系。这是本发明的
创新点。

[0044] 在实施例中，按照本发明提供的二次冷却新工艺，某厂生产铁素体不锈钢，钢种目标拉速范围为1.10‑1.30m/min；铸坯冷却强度采用分段台阶式变比水量控制，比水量与拉
速的分段函数关系为：

[0045] f=a*Vc2+b*Vc+c      ‑‑‑‑式1

[0046] 上式中Vc为铸坯“原生拉速”,在钢种目标拉速范围内，在钢种目标拉速范围为1.10‑1.30m/min；Vc按步长0.1m/min进行分段函数控制，1.10≦Vc<1.20时a=0，b=3.4，c=‑
3.09；1.20≦Vc<1.30时a=0，b=0.2，c=0.75。

[0047] 在钢种目标拉速范围之外，Vc<1.10时a=0，b=0.458，c=0.175；Vc≧1.30时a=0，b=3.2，c=‑3.15。如附图3所示即为我厂生产不锈钢时二冷比水量与拉速的关系，采用该分段
台阶式变比水量控制，铸坯宽度变化均在5mm标准范围内。

[0048] 钢种冷却水量是通过对铸坯生长时间进行如附图1所示的跟踪而计算得到的。图中将二冷区铸流等分成7个小段，长度与7个二冷区冷却回路的长度相对应，用一组缓冲器
单元分别记录各铸坯段的生长时间，当铸流每移动一个段长的距离时，就对缓冲器各字节
中的铸坯生长时间进行一次刷新，且铸坯生长时间序列前移一步。

[0049] 这样，每个冷却回路内铸坯生成的“原生拉速”就可用下式计算：

[0050] Vseg=L/t             ‑‑‑‑式2

[0051] 其中，L为铸坯段的中点到结晶器液面的距离；t为铸坯生长时间；Vseg为段速度；铸坯的有效移动速度即“原生拉速”拉速是如下加权平均值

[0052]      ‑‑‑‑式3

[0053] 其中，V为铸机实际拉速，ω是加权常数，对于不同位置不同冷却强度的铸坯段，ω的取值不同，对于梅钢2号板坯连铸机ω的取值如下表（表2）。

[0054] 表2 加权常数ω的取值

[0055]

[0056] 微合金高锰钢种的冷却强度与钢种Mn/S比负相关，即钢种Mn/S比越低，二次冷却强度越大；钢种Mn/S比越高，二次冷却强度越小。钢种冷却强度与钢种Mn/S比的拟合关系式
为：冷却强度= 1.367 ‑ 0.003333* Mn/S比。2号连铸机生产钢种的冷却强度与钢种Mn/S比
的关系如附图2所示。Mn/S比＜30的低碳钢，冷却强度1.0‑1.2l/kg；Mn/S比＜100的中、高碳
钢，冷却强度0.6‑0.8l/kg；Mn/S比＜200的微合金钢，冷却强度0.4‑0.7l/kg；Mn/S比＜300
的高速钢、磨具钢，冷却强度0.1‑0.3l/kg。