连铸坯热送系统数学模型及综合效益分析

连铸坯热送系统数学模型及综合效益分析

高仲龙蒋杨虎董补全温治张欣欣

(北京科技大学)

刘铁树解雯庄国伟

(宝山钢铁(集团)公司)

摘要概要地介绍了连铸坯热送系统的工艺、热送过程的数学模型以及连铸坯热送的综合效益。

关键词连铸坯热送数学模型

MATHEMATICAL MODEL OF HOT CHARGING OF

CONTINUOUS

CASTING SLAB AND ANALYSIS OF COMPREHENSIVE BENEFIT GAO Zhonglong JIANG Yanghu DONG Buquan

WEN Zhi ZHANG Xinxin

(University of Science and Technology Beijing)

LIU Tieshu XIE Wen ZHUANG Guowei

(Baoshan Iron and Steel Corp.)

ABSTRACT This paper briefly introduces the technology of hot charging of continuous casting slab,the mathematical model of hot charging process and the comprehensive benefit of hot charging of continuous casting slab.

KEY WORDS continuous casting slab,hot charging,mathematical model

1 前言

钢铁联合企业从钢到材的生产中有大量炉料余热。据统计，炉料余热占炉子余热总资源的40 %以上，炉料余热中也包括连铸坯的载热资源，应尽可能地加以利用。

连铸坯热送，从而实现热装炉，是连铸技术的一项重大突破，可以取得节能、降耗、高产等综合经济效益，而且对改革传统的钢铁工业结构具有深远的意义。

2 热送工艺

2.1热装

该工艺连铸坯的热装温度为400～700 ℃，在工艺流程上连铸和热轧可以各自独立地编制生产计划，可在连铸机和加热炉之间设置保温设备(如保温坑、保温车等)，保温设备在其间起着生产的缓冲和协调作用。

2.2直接热装

该工艺连铸坯装炉温度为700～1 000 ℃，连铸坯生产的序号与装炉序号要一致，这就要求连铸与热轧生产一体化。直接热装的综合经济效益比热装还好，但组织生产的难度较大，直接热装是热送工艺的进一步发展。

2.3直接轧制

该工艺连铸坯在1 100 ℃条件下不经加热炉，在输送过程中通过边角补热装置直送轧机轧制。直接轧制工艺对连铸与热轧一体化生产的要求更高，由于取消了加热炉这道工序，其综合经济效益最高，而实现的难度就更大。

生产中可根据当时的坯温条件组织不同的工艺，其优先顺序是：首先力争直接轧制，条件不够时则争取直接热装，条件再不够则采用热装，当然连热装条件都不够时只好冷装。

生产中采用哪种热送工艺取决于连铸坯的热状态，即连铸坯在任意时刻(任意地点)的温度场、凝固场、载热量等，为此要用数学模型来确定连铸坯在热送系统全部过程的热状态参数。再根据热送工艺特点合理地控制炉子的供热(能耗)和生产节奏(生产率)，以取得节能、降耗和高产的综合经济效益。

3 数学模型

3.1连铸坯凝固过程数学模型

计算不同连铸工艺条件下不同钢种连铸坯的温度分布，从而为后面的铸坯输送过程计算提供准确的初始条件。模型计算涉及的区域包括：结晶器、二冷区以及二冷区终了到切割点为止的空冷区。描述连铸坯凝固过程的导热方程为

(1)

式中ρ——密度；

c——比热容；

θ——温度；

t——时间；

λ——导热系数；

F——相变热源的分布特征函数；

x、y、z——空间坐标。

如连铸坯为矩形断面，式(1)可以表达为二维问题，相变潜热用等效热容方式处理后，导热方程(适用于连铸坯热送全过程)表达为

(2)

——等效比热容，

式中c

e

(3)

式中c

l

——液相比热容；

c

s

——固相比热容；

θl——液相线温度；

θs——固相线温度；L——凝固潜热；

f

s

——固相率。

计算的初始条件用钢液的浇注温度。边界条件在结晶器和二冷区的表面热流密度用牛顿冷却定律计算

q=h(θ-θ′)

(4)

式中q——表面热流密度；

h——对流换热系数；

θ(T)——连铸坯表面温度(绝对温度)；

θ′(T′)——冷却水温度(绝对温度)。

在空冷区连铸坯表面热流密度包括对空间的辐射换热和对流换热。

q=ε

s σ

o

(T4-T4

a

)+h

c

(θ-θ

a

)

(5)

式中ε

s

——连铸坯表面黑度；

σo——黑体辐射常数；

h

c

——连铸坯表面与周围空间的自然对流换热系数；

θa(T a)——周围介质的温度(绝对温度)。

3.2连铸坯辊道输送冷却过程数学模型

计算的初始条件为连铸坯在切割点处的温度场。边界条件分两种情况。

(1) 辊道上面加盖保温罩。连铸坯上表面热流密度包括与罩内表面的辐射换热以及罩内空气对连铸坯上表面的自然对流换热。

q=ε

sw σ

o

(T4-T4

w

) φ

sw

+h

c

(θ-θ

a

)

(6)

式中ε

sw

——连铸坯上表面对保温罩内壁辐射换