供稿|刘 项/LIU Xiang

二次冷却系统布局设计是否合理严重影响着铸坯质量，因而铸坯二次冷却技术的发展和应用已经成为连铸厂家关注的热点。

大规格园坯的冷却方式选择

铸坯二次冷却目前有水喷雾冷却和气水喷雾冷却两种方式。

水喷雾冷却

采用压力喷嘴，利用冷却水的压力和喷嘴的特殊喷射结构使水旋转，并通过喷孔的射流效应，使水雾化，雾化颗粒度为 200～600 μm。为了保证足够的水压力，需要大水量；为了克服喷嘴堵塞现象，喷嘴口直径应大于 1.8 mm。水喷雾冷却适用于大比水量的小规格方、园坯的连铸机。图1 为水喷雾冷却效果图，图中亮点为大颗粒水滴。

气水喷雾冷却

利用压缩空气和水从不同方向进入喷嘴里或喷嘴外汇合，利用压缩空气的能力将水撞击、旋转、混和、雾化，形成极小的水滴，水滴直径能够达到 30～50 μm。此方式可以增大水流量的调控范围，单个喷嘴最小水流量能够稳定达到 0.5 L/min。图2 为气水喷雾冷却效果图，图中亮点是照相机镜头上的水滴，喷嘴下的水雾的颗粒度很小。

图1 水喷雾冷却效果

图2 气水喷雾冷却效果

对于大规格园坯，采用气水喷雾冷却是必要的，它能够更好地适应大规格铸坯的低比水量要求。φ400 mm 园坯的比水量最小达 0.2 L/kg。气水喷雾冷却的高雾化性、高冲击力和广角流股更适合实现大规格园坯低拉速下的水流密度均匀性；水利用率高，减少了单位面积内的冷却负荷，使冷却更均匀。

大规格园坯二次冷却新型设计

由于大规格铸坯拉速低，单位长度内的铸坯热容量大，水流密度不均衡造成的周期性温度回升现象远甚与小规格铸坯，所以二次冷却系统设计要求尽量使铸坯表面提高水雾覆盖率。

铸坯圆周的水雾均匀性设计

理论上，一个喷淋环上设置 2 个喷嘴就能够使水雾覆盖园坯的整个圆周，但水雾密度必然是靠近喷嘴的近点大，远点小。推荐每个喷淋环设置 4 个喷嘴，采用 120°的喷射角，避免喷淋环过小，产生喷嘴空心区，而影响冷却均匀性。 需要综合考虑喷嘴特性来完成喷淋环设计，并满足铸机二次冷却系统对不同规格园坯的兼容。

图1 气雾冷却喷淋环的喷嘴布置

铸坯纵向的水雾均匀性设计

要求每两个喷淋环间的水雾能够覆盖铸坯纵向的比率大于 80%，这需要结合铸机扇形段结构实现。由于支撑辊、导向板结构的存在，因而要做到铸坯纵向 100% 水雾覆盖是不可能的。喷淋环按 22.5°角交错布置，能够大大减少扇形段其他机构对水雾的遮挡而造成的冷却不均，图2 所示的气雾冷却喷淋环布置方式使水雾区覆盖了铸坯纵向表面的 81.4%。

图2 二冷室气雾冷却喷淋环布置示意图

避免铸坯缺陷的二次冷却控制方法

减少和避免铸坯缺陷的二次冷却控制方法：

(1) 实现沿铸坯纵向较小的温度梯度变化，也就是控制水雾密度和强度的分布，实现对温降速度的控制。据有关文献，铸坯温降速度应小于 200℃/m。对于冶金长度为 35 m 的园坯连铸机，其二冷区的温降速度完全可以控制在 50℃/m 以内，对于二冷区以后的温降速度可以控制在 20℃/m 以内。铸坯表面冷却速度过快，会使局部处于高张应力状态，使得已形成的裂纹变大，并且会产生新裂纹。

(2) 控制矫直温度大于 900℃，避开铸坯的低延展性温度区间，避免出现铸坯矫直裂纹。采用新型二冷喷淋环布局设计，在 φ270、φ310、φ350、φ400 mm 圆坯生产实践中，铸坯表面温降平缓，冷却均匀性很好，在铸坯二冷区后的表面温降很小，低于 20℃/m；矫直辊位于距铸坯弯月面 12114 mm 处，此处铸坯表面温度为 957 ℃～1017 ℃，满足了对铸坯的矫直温度要求。

(3) 控制好铸坯表面温度，避免铸坯坯壳出现鼓肚。一般铸坯表面温度限制在 1100 ℃以下。应该指出的是，园坯特有的结构具有比方坯、板坯好得多的抗鼓肚特性。

(4) 表面温度回升控制在 100℃/m 以内。铸坯表面的回温现象严重时，会使局部产生较大张应力而造成横裂等缺陷。尤其是在水冷和空冷的交变区域，铸坯表面回温效应最严重，合理控制水冷末端铸坯温度，能够减少回温效应。

(5) 气水雾化喷嘴的喷射均匀性控制：在水流密度一定的条件下，单位面积内的水滴颗粒数越多，冷却水覆盖铸坯表面的均匀性越高。对于气水雾化喷嘴，水雾颗粒度直接影响着均匀性。如图3，设瞬间喷到铸坯上的水量一定，如果水颗粒度很大，就会形成“干”壁型冷却；如果颗粒度很小，水滴在铸坯上覆盖的很均匀，不待水滴炸裂、凝聚和脱离就已经完全蒸发了，实现均匀冷却，也就是控制韦伯准数小于 30。如水滴颗粒度大与铸坯表面处于脆性区温度两条件同时存在，就会因“干”壁型效应造成冷却不均，产生铸坯表面龟裂，且无方向性。

喷嘴堵塞的解决技术

水垢是指硬水软化所析出的碳酸钙，反应条件是受热 40℃ 以上。如果采取裸露式喷淋环，如图4，喷淋环直接受铸坯炙烤。由于大规格园坯的比水量低，喷淋环中水的滞留时间相对较长，水温较高，造成多炉连浇后，喷嘴易被白色块状碳酸钙堵塞。

为了降低喷淋环温度，抑制碳酸钙的析出，设计了喷淋环隔热结构，如图5，喷淋环安装在隔热盒内部，有效降低了水温，能够避免碳酸钙堵塞喷嘴。

喷嘴连接漏水的解决技术

图3 气水雾化喷射冷却均匀性控制

图4 裸露式喷淋环照片

图5 喷淋环安装在隔热盒内部照

传统的方坯、园坯气水雾化喷嘴采用板式连接，由于连接螺栓长时间受热，连接强度会有所降低。喷头与喷嘴底座的连接螺纹会因积垢而固化，当需要更换喷头时，拆装喷头的扭矩会使螺栓变形，喷嘴常常出现渗水和漏气现象，严重影响喷嘴雾化效果。为此，喷嘴底座可与喷嘴连接板集成在一起，变成焊接式喷嘴结构，喷头仍采用螺纹连接，便于拆装的内部结构使得更换、清洗喷嘴更方便快捷。