【技术】看懂这篇文章，学会冷却水用量计算！

admin2026-06-30 20:12:45【世界杯比赛回放视频】

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结晶器冷却水带走的热量简析

结晶器是整个连铸机的核心设备，虽然它在整个连铸机设备占据的重量很少，但起到的作用是相当关键的，钢水在结晶器内产生的初生坯壳，在铸坯或引锭杆的重力牵引固态坯壳下行而不断增加其厚度，以达到离开结晶器铜管后的铸坯具有安全固态坯壳，包裹着高温钢水悬挂在二冷室内接受辐射和水粒子传热，继续增加坯壳厚度直到坯壳内的钢水完全固化。钢水在结晶器内的行为直接影响到铸坯的表面和亚表面质量，影响到二冷是否能够正常进行，所以结晶器是连铸最为重要的设备，其铸坯表面和亚表面缺陷基本都产生于这个一冷过程，所以必须对其认真研究，了解钢水在结晶器内的冷却、结晶、初生坯壳的产生、传热等现象，从而主动了进行相应设计和正确组织生产，给与一冷过程于准确的工艺参数，生产完好的铸坯。

从一定意义上讲，整个的冶炼和连铸过程就是水与火的较量，设备冷却需要水这个冷媒将热量带走，从而保持在高温环境下设备处于良好的工作状态。结晶器则是利用水这个冷媒将铜管传递过来的热量带走，使其坯壳连续生成，传走热量，增加固态坯壳厚度。

1 结晶器冷却水带走的热量

高温钢水从中间包水口跌落到结晶器内，在结晶器内受到铜管四壁急剧冷却，产生了固态坯壳，结晶器内最为重要的过程就是初生坯壳的形成和生长，其过程的发生必然伴随着热量的传递，最终积累在铜管外壁的热量由高流速的一冷水带走，根据能量守恒定律，一冷水带走的热量就是结晶器内钢水温度降低形成固态坯壳所传递到铜管的显热和潜热，从结晶器冷却水量和温升就可以得知铜管内钢水反应的大致情况。

钢水从中间包跌落到结晶器内，在不到一米长度的铜管内首先产生初生坯壳，随着铸坯拉拔下行，与铜管紧密相贴固态坯壳外层将从内向外传导的热量传给保护渣和铜管，在铜管与水套之间的窄水缝中，高速运动的水流将铜管外壁热量带走，从而提高了结晶器冷却水的温度，根据结晶器冷却水的流量和进出水的温度差，就可以计算出单位时间内结晶器带走的热量。图1 反映的是结晶器一冷阀站，具有自动气动薄膜调节阀和流量计。

图1 一冷结晶器水量自动控制阀站

从总体的导热来看，铜管外壁面积是固定的，一冷水流量和温差通过电磁流量计和温度计能够量测得到。几乎所有正规的连铸机计算机控制页面都具有这些参数，图1 为原锡兴公司五流大圆连铸机结晶器冷却水控制阀站。

图2 中天电炉特钢生产5流连铸机控制页面

图3 东方特钢金松电炉三流铸机控制页面

连铸机生产过程中，坯壳传递的热量通过铜管壁传递到结晶器水中，也称为一冷水，提高了一冷水的温度，根据结晶器水流量和温升就可以计算出来单位时间或单位重量铸坯带走的热量。图2 和图3 的计算机控制页面就可以看到一冷和二冷控制参数。

1.1 一冷水带走的热量

150mm 方坯是生产最为普遍的铸坯规格，主要生产螺纹钢和建筑用线材盘元等，在我国使用150mm 方坯生产建筑用材是主要的铸坯断面，下面就根据150mm 方坯来计算一冷水带走的热量以及相关的计算。

一般生产普碳钢的150mm 方坯拉速约为3.5m/min ，属于较高拉速的范畴，现代连铸机设计制造的普碳钢铸机拉速都在3~3.5m/min 稳定生产，单流铸坯的年产量达到了25 万吨。

高拉速生产150mm 方坯，按照3.5m/min 拉速计算，一冷水量120m 3 /h ，进出水水温度差8.5℃ ，小时一冷水带走的总热能为：

Q= 120 * 8.5 * 4.18 = 4263 MJ = 4.263 GJ

我们总是可以从连铸机操作台计算机页面看到一冷主要的参数是：钢种、拉速，结晶器冷却水流量和进出水温度差，除了振动参数和过热度外，这些就是一冷控制主要内容。从现场计算机页面看到的流量和温升，就可以得知当前钢种拉速下的小时传热量，从而可以得出单位重量下一冷带走的热量。

1.2 单位重量铸坯一冷过程带走的热量

以3.5m/min 的拉速生产150 方坯，也就是小时每流的产量为36.6 吨，相当于每千克铸坯通过一冷过程带走的热量为：

根据一冷水量和温升，以及铸坯断面和拉速，就可以得到每千克铸坯在离开铜管的瞬间，一冷水带走的热量，也就是这个时刻铸坯传出的热量。

1.3 铜管的热流密度

拉速为3.5m/min 以下的小方坯连铸机结晶器铜管长度一般为900mm ，根据几家铜管厂实际生产数据来看，其铜管壁厚度约为13mm ，设定铜管内的铸坯平均尺寸为153mm 方坯，设定弯月面位于铜管下口100mm 位置上，有效一冷传热长度就是800mm ，传热面积可以计算出来：

铜管外壁传热表面积= （0.153+0.013*2 ）*4 * 0.8 = 0.5728m 2

图4 铜管断面照片

铜管在空间上是半径为R9 一段方管，这里以R9 米为例，900mm 长度的铜管是指垂直距离，弧形的方管要略大一点，按照垂直长度900mm 计算，其数值误差不到1‰ ，可以忽略不计。

按照铜管外壁表面积计算，单位时间单位面积铜管传递的热量热流密度为：

Q= 4263/3600/0.5728 = 2.067MJ/m 2 .S = 2.067MW/m 2

如果按照铜管内壁外壁计算这个数值就要达到2.4MW/m 2 ，计算一冷水带走热量用外壁面积，这里就不做详细计算，仅仅是一个粗略计算，使得大家有一个传热的认识过程，至少量纲上不出现误差。

2 结晶器传出的热量做了哪些事情

我们知道了每千克铸坯在铜管内传出117KJ 热量，这个热量传出后对铸坯产生了什么样的影响，或者说有哪些因素导致了热量的传出，下面就来粗略计算。

一冷过程结束后，进入到结晶器内的钢水在铜管壁上传热生成了固态坯壳，随着铸坯下行逐渐增加其固态坯壳的厚度，传递的热量主要来源于：

1 固态坯壳温度降低，这包含两个部分，一是过热的钢水降低到液相线温度，比如过热度为30℃ ，二是液相线温度到固态坯壳的平均温度，这两个部分散发的热量。

2 固态坯壳的潜热散发的热量。

3 液态钢水的温度降散发的热量。

4 融化保护渣需要的热量，由于液态保护渣仍然在铜管壁上得到冷却形成固态或熔融态渣层，其热量绝大多数还是通过铜管传递到一冷水中，所以这里就不再计算融化保护渣的热量。

计算固态坯壳形成而传递出去的热量。

先计算固态坯壳在横截面的比例。铸坯离开铜管后，根据简单的凝固公式计算，生成的固态坯壳厚度为：

H= 20*(0.8/3.5)^0.5 = 9.56mm

固态坯壳的比例为：

B= (153^2-(153-2*9.56)^2)/153^2 = 0.2343

这就是说在一千克的铸坯中，固态坯壳的重量为0.2343kg ，而液态钢水重量为1-0.2343=0.7657kg 。

假设钢水在中间包的过热度为30℃ ，使用软件计算，Q235 钢种温度的钢水液相线温度1513℃ ，其钢水时期导热系数为0.83J/m.K ，固态坯壳的导热系数为0.67J/m.K 。T=1545℃ ，钢水密度为6.96g/cm3 ，T=1535℃ 时刻钢水密度为6.97g/cm3 。高温钢水的比热为0.83J/g.K ，高温固态坯壳的比热为0.67J/g.K 。钢水转化为固态坯壳的潜热为306KJ/Kg 。

图5 Q235钢温度相图

图6 Q235温度与密度之间的关系

图7 Q235钢种比热和温度之间的关系

l 固态坯壳30℃ 过热度消失传出的热量=30*0.2343*0.83=7.029KJ

l 固态坯壳从液相线到固态坯壳平均温度时候传出的热量= （1513-1280 ）*0.2343*0.67=36.57KJ ，注意这里假设离开铜管铸坯表面温度为1100℃ ，固态坯壳的平均温度= （固相线温度1460-1100 ）/2=1280℃ 。这里的导热系数为0.67W/m.k ，从图8 来看可以在一定的阶段采用线性关系来确定导热系数，但是为了方便计算直接选取温度范围内的中间值。

图8 温度与导热系数之间的关系

l 固态坯壳传出的潜热=306*0.2343=71.6958KJ

l 液态钢水降低10℃ 传出的热量=10*0.83*0.7657=7.657J

综合上述的计算，每千克铸坯传出的热量总和为116KJ ，与对应的一冷水带走的热量接近。说明计算还是有一定的参考意义的。

3 钢厂实例

以200 方坯的20 钢为例，计算有关参数。

先计算固态坯壳在横截面的比例。铸坯离开铜管后，根据凝固公式计算，生成的固态坯壳厚度为：

H= 20*(0.8/1.2)^0.5 = 16.33mm

固态坯壳的比例为：

B= (203^2-(203-2*16.33)^2)/203^2 = 0.2959

这就是说在一千克的铸坯中，固态坯壳的重量为0.2959kg ，而液态钢水重量为1-0.2959= 0.70411 kg

l 固态坯壳30℃ 过热度消失传出的热量=30*0.2959*0.83 = 10.6952KJ

l 固态坯壳从液相线到固态坯壳平均温度时候传出的热量= （1513-1280 ）*0.2959 *0.67 = 46.19 KJ 。

l 固态坯壳传出的潜热= 306*0.2959 = 90.5454KJ

l 液态钢水降低10℃ 传出的热量= 10*0.83*0.7041 = 5.844KJ

综合上述的计算，每千克铸坯传出的热量总和为153.27KJ ，与对应的一冷水带走的热量157.31KJ 是相当的，误差不大。

有些钢厂拉速、一冷水流量和温度差参数反映不够准确，这种方法计算出来往往有较大的误差，一个主要的参数是铜管内固态坯壳的表面温度如何确定，为了凑合计算，改变某些参数，给出看起来差不多的结果，比如铸坯离开结晶器铜管后的温度为1000℃ ，有的甚至更低。通过长期观察一冷色温，作为评价一冷工作的标准，即离开铜管的铸坯四周温度形成颜色要基本一致，这样的铸坯在一冷过程就得到了良好的冷却，反之亦然。检测离开铜管的温度难度很大，水汽阻碍了仪器测量的精度。我是在快速更换中间包过程中来看这个色温的，观察发现离开铜管的铸坯表面温度较高，不会低于1000 ℃的。

在正常生产中也进行过有益的尝试，中间包还剩下最后约300~400mm 的余钢，关闭最边上一流的二冷水，由于没有水汽的干扰就能够量测的很准，看到的铸坯表面温度是非常高的，基本上都在1200℃ 以上。

对于高拉速生产普碳钢的小方坯来说，离开时铜管时刻的表面温度很高，必须使用大量的足辊水来打击和冷却铸坯表面，这样才能保持散热和传热的平衡。

对于较低拉速生产优特钢铸机，足辊段喷嘴就不必那样强度，但是相对于其它段来说也是需要较强的冷却，否则将出现冷却不足造成铸坯表面质量问题。

这种传热计算虽然粗糙，但是比较简单，容易理解和接受，其实有限元计算的原理是一样的，同样也是要确定比热，铸坯表面温度，铸坯固态坯壳的平均温度，钢水温度，结晶前沿温度等，这些往往都具有待定系数，选择的范围也是很大的，计算的准确性不见得高，从软件计算出来的参数来看，比如比热和导热系数在一定的温度范围内基本上就是一个常数，所以为了方便计算直接采用较为简单的方式进行运算，这样做比较直观。

不同温度条件下的比热不同，而且随着初生坯壳的生成，在铸坯下行时候不断增加其厚度，厚度增加的函数关系这里采用的是凝固系数的方法，在结晶器内给定的凝固系数K=20 ，这是根据多次的漏钢试样测试验证的，也不见得非常准确，但是这个描述过程在大的范围内基本准确。

铜管内的固态坯壳的温度场恰恰难以描述，假设的固态坯壳表面温度过低，传热量将增加，和一冷水传热量好像对应，但是与实际生产过程中的一冷色温相差较大，这么合理解释，有待新的方法出现。

这个计算是粗糙的，实际生产控制上也难以做到十分精确，就目前来看，使用软压下软件进行控制，其计算的精度还是有待提高的。这里仅仅做一个大致计算，对工程技术人员要了解一冷传热过程，控制连铸机正常生产和产品质量还是有参考作用的。

唐工水平有限，是从现场工程师的眼光来看待一冷过程的，不对之处请大家给予指正。

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