连铸冷却水制度详解
系统解析连铸二冷配水原理、比水量与水量分配、喷嘴选型、水质控制、钢种冷却策略、动态配水模型与智能化冷却技术
连铸冷却水制度概述
连铸冷却水制度是连铸生产中的核心工艺参数之一，直接决定铸坯的凝固组织、表面质量与内部质量。连铸冷却分为一次冷却（结晶器）和二次冷却（二冷区）。钢水在结晶器内形成初生坯壳后，进入二冷区继续凝固，二冷区的水量分配与控制决定了铸坯表面温度的均匀性和回温幅度，是裂纹、偏析、鼓肚等缺陷形成的关键控制环节。研究表明，连铸坯内部裂纹、表面裂纹、鼓肚和菱变等缺陷的形成和发展都与二次冷却有紧密的联系[reference:0]。
保证铸坯凝固
在铸坯到达矫直点之前完成全部凝固，确保液芯长度满足安全与质量要求。
控制表面温度
使铸坯表面温度避开低延性区，减少裂纹敏感性，保证矫直温度在合理范围。
匹配拉速变化
在拉速波动时迅速调整水量，维持铸坯温度场的相对稳定，减少非稳态浇注的质量波动。
节约水资源
在保证质量的前提下优化水量分配，减少二冷耗水量，降低水处理负荷和运行成本。
二冷配水理论基础
二冷配水制度的设计围绕三个核心原则展开：最大液芯长度准则、目标表面温度控制准则和水量分配递减准则。当前主流的二冷水控制方法分为拉速相关控制法（一级控制）和基于目标表面温度的动态控制法（二级控制）。
拉速相关控制法（一级控制）
以拉速为控制参数，根据拉速大小决定冷却水量。通常采用公式 Qi＝Aiv²+Biv+Ci 或 Qi=Aiv 计算各冷却区水量。
优点：简单易行，得到广泛应用。局限：未考虑浇注温度变化和钢的热特性差异，非稳态浇注期间难以实现铸坯温度稳定，容易出现不合理的人为干预[reference:1]。
目标表面温度动态控制法（二级控制）
依据每类钢种和特定断面铸坯的最佳冷却历史，计算机每隔一定时间计算铸坯表面温度并与目标温度比较，根据差值适时调整各段冷却水量。
优点：可减少不合理人为干预，适应浇注条件变化。关键：需要可靠的凝固传热模型和合理的钢种冷却策略[reference:2]。
二冷配水三大原则
最大液芯长度准则
从铸坯质量要求和安全因素考虑，限制铸坯液芯长度，确保在矫直点前完成凝固。质量要求较高的钢种一般要求液芯长度更短[reference:3]。
目标表面温度控制准则
使铸坯表面温度在出坯方向均匀下降，避开钢种的低延性区，特别是矫直区前的表面温度应控制在塑性较好的区间内[reference:4]。
水量分配递减准则
拉速一定时，二冷配水冷却水量沿铸坯方向从上到下逐渐减少。铸坯进入二冷区初期坯壳较薄，需要较强冷却；后期坯壳增厚，冷却强度应逐渐降低[reference:5]。
钢种冷却策略与比水量
比水量（二次冷却强度）是二冷区所消耗的冷却水量与通过二冷区的铸坯质量的比值，单位为L/kg。比水量大小直接影响铸坯在二冷区的表面温度分布、裂纹和偏析，主要决定于钢种特性，一般为0.5～1.5 L/kg。低碳钢或裂纹不敏感的钢种取高值；高碳钢、高锰钢、合金钢或对裂纹敏感的钢取低值[reference:6]。
低碳钢 / 裂纹不敏感钢
比水量：1.0～1.5 L/kg
典型钢种：Q235、HPB235、普通碳素结构钢
策略：可采用较强冷却，提高拉速和生产率
中碳钢 / 部分合金结构钢
比水量：0.7～1.0 L/kg
典型钢种：45#、40Cr、40Mn2、42CrMo
策略：控制冷却均匀性，避开低延性区
高碳钢 / 裂纹敏感钢
比水量：0.5～0.8 L/kg
典型钢种：高碳钢、高锰钢、亚包晶钢、含硼钢
策略：弱冷策略，避免表面温度剧烈波动
不同钢种比水量范围对比
二冷分区与水量分配
二冷区通常分为足辊段、弯曲段、扇形1段至扇形N段等若干冷却回路。各段水量分配比例需要根据凝固传热计算和喷嘴布置确定，目标是使铸坯表面温度沿拉坯方向均匀下降。常规板坯连铸机各冷却分区的内弧侧二次冷却水流密度与二冷分区中点距结晶器弯月面距离的1.099次方成反比[reference:7]。
典型板坯连铸二冷水量分配比例
| 冷却区段 | 水量占比（示例） | 冷却特征 | 控制要点 |
|---|---|---|---|
| 足辊段 | 27%～29% | 紧邻结晶器出口，坯壳最薄，冷却需求最强 | 避免过冷导致表面裂纹，喷嘴覆盖要均匀 |
| 弯曲段 | 35%～37% | 水量最大的区段，对应坯壳快速增厚阶段 | 保证内外弧冷却均匀，防止鼓肚 |
| 扇形1段 | 14%～15% | 坯壳已具备一定厚度，水量开始递减 | 控制回温幅度，避免表面温度回升过快 |
| 扇形2段 | 8%～9% | 进一步递减，进入凝固末期 | 避免过度冷却导致矫直温度过低 |
| 扇形3～4段 | 9%～11% | 最后冷却段，保证完全凝固 | 确保液芯末端在矫直点之前 |
包晶钢板坯水量分配实例
某控制包晶钢板坯角部裂纹的连铸冷却方法中，二冷区各段水量占总水量的比为：足辊段27%～29%、弯曲段35%～37%、扇形1段14%～15%、扇形2段8%～9%、扇形3～4段9%～11%。通过精确的水量分配，有效消除了包晶钢板坯角部裂纹，同时不产生其他表面裂纹缺陷[reference:8]。
二冷喷嘴系统
二冷喷嘴是连铸二次冷却的关键设备，其性能直接影响铸坯质量和冷却均匀性。目前广泛使用的二次冷却方式分为水冷（压力喷嘴喷淋冷却）和气-水混合冷却两大类[reference:9]。
压力喷嘴（水冷）
冷却水被加一定压力（通常0.3～0.6 MPa），通过特殊喷嘴使其粒化和雾化，形成细小颗粒。水的冷却效率取决于小水滴是否有能力穿透蒸汽界面。常用喷雾形状包括椭圆扁形、实心圆锥形、空心圆锥形和矩形喷嘴[reference:10][reference:11]。
气-水混合冷却
利用压缩空气实现水滴精细雾化，冷却效率高且水量可调范围大。气-水喷嘴有三种类型：预雾型（预混式/内混式）、外雾型和套管抽引型[reference:12]。
喷嘴选型与维护要点
选型考虑因素
- 铸坯断面尺寸：宽厚比决定喷嘴覆盖宽度和喷射角度
- 拉速范围：喷嘴流量调节比需覆盖最低至最高拉速
- 钢种特性：裂纹敏感钢种宜选用气-水喷嘴实现柔性冷却
- 水质条件：悬浮物含量高时宜选用大孔径喷嘴降低堵塞风险
维护与堵塞预防
- 堵塞原因：二冷水水质差和连铸区域设备维护不到位是喷嘴堵塞的根本原因[reference:13]
- 预防措施：提高水质、采用喷嘴酸洗、使用高效喷淋杆、严格执行扇形段喷淋装置标准化拆装和维护
- 检查周期：定期检查喷嘴喷水覆盖率，清理后应达到100%覆盖[reference:14]
- 在线清理：部分气雾喷嘴设有排污阀，可在生产间隙在线清理杂质
冷却水水质管理
连铸冷却水水质直接关系到喷嘴堵塞、设备腐蚀、传热效率和使用寿命。连铸循环水分为净环水（结晶器冷却）和浊环水（二冷喷淋及设备冷却），不同系统对水质的要求差异显著[reference:15]。
| 水质指标 | 结晶器冷却水 | 设备间冷却水 | 铸坯及设备喷淋水 |
|---|---|---|---|
| 碳酸盐硬度（德国度） | 1～6 | ≤12 | ≤16 |
| pH值 | 7～8 | 7～9 | 7～9 |
| 悬浮物（mg/L） | ≤10 | ≤20 | ≤20～50 |
| 氯离子（mg/L） | ≤100 | ≤150 | — |
水质问题与危害
悬浮物超标
二冷喷淋水悬浮物含量需小于20～50 mg/L，喷嘴直径一般小于2 mm，水质不达标直接导致喷嘴堵塞[reference:16]。
结垢与传热下降
水温升高时水中CaSO₄、CaCO₃等不溶性盐类沉淀形成水垢，使传热效率急剧下降。水垢严重时管道水流量可下降40%～50%[reference:17]。
腐蚀风险
氯离子浓度在20 mg/L以上即有腐蚀危险性，会造成点腐蚀和应力腐蚀。水中溶解氧是碳钢腐蚀的重要原因[reference:18]。
水处理措施
循环供水系统设计
结晶器供水系统为闭路循环，需进行软化处理；二冷供水系统为开路循环，重点控制循环水中的杂质颗粒[reference:19]。
水质稳定剂投加
根据供水要求分别使用缓蚀剂、分散阻垢剂和杀菌剂，各循环供水系统均应设置投加措施[reference:20]。
旁通过滤
每个循环水系统设旁通过滤器。二冷供水系统可用砂石过滤器去除氧化铁皮，确保悬浮物达标[reference:21]。
冷却水控制流程
现代连铸二冷控制采用“基础水表+动态调节”的双层架构。基础水表根据拉速-水量关系确定各段水量基准值，动态调节模块根据实测温度或模型计算的铸坯表面温度对水量进行实时修正。
温度检测
红外测温/热电偶
模型计算
凝固传热/机器学习
水量设定
各回路PID调节
喷淋执行
调节阀/变频泵
反馈修正
与目标温度比较
变比水量控制策略
传统方法中总水量与拉速为简单一次函数关系，改进后采用变比水量控制，比水量随拉速成段增大，更符合连铸工艺要求。
| 拉速范围（m/min） | 比水量（L/kg） | 总水量关系式 |
|---|---|---|
| 0～2.0 | 1.37 | Q = 14.1V |
| 2.0～2.4 | 1.63 | Q = 16.7V |
| 2.4～2.8 | 1.69 | Q = 17.3V |
| 2.8～3.2 | 1.73 | Q = 17.7V |
| 3.2～3.6 | 1.81 | Q = 18.6V |
水量计算核心公式
二冷区总水量
Q = D · W · V · ρ · δ
Q—总水量（L/min），D—厚度（m），W—宽度（m），V—拉速（m/min），ρ—钢密度（kg/m³），δ—比水量（L/kg）[reference:23]
各回路水量
Qᵢ = Aᵢv² + Bᵢv + Cᵢ
Aᵢ、Bᵢ、Cᵢ为各冷却区设定参数，v为拉速（m/min），i为冷却区编号[reference:24]
冷却相关缺陷与控制
冷却强度不均匀会导致铸坯表面温度呈现周期性回升，引起坯壳膨胀，当施加到凝固前沿的张应力超过钢所能承受的强度时，就会产生裂纹。不同钢种的裂纹敏感温度范围不同，需要根据连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围的定量关系确定合理的目标表面温度曲线[reference:25]。
| 缺陷类型 | 与冷却的关系 | 控制措施 |
|---|---|---|
| 表面纵裂纹 | 结晶器内初生坯壳厚度不均匀，二冷初期冷却过强加剧应力集中 | 优化结晶器锥度和保护渣，二冷足辊段适当降低水量 |
| 角部横裂纹 | 角部二维传热导致温度偏低，进入低延性区，矫直时开裂 | 角部喷嘴单独控制，采用弱冷策略，避开低延性温度区 |
| 内部裂纹 | 二冷水量过大或分配不合理，凝固前沿承受过大张应力 | 控制比水量，优化各段水量分配比例，避免表面温度剧烈回温 |
| 中心偏析 | 冷却不均匀导致凝固末端位置波动，糊状区钢液流动加剧 | 优化二冷水量分布使铸坯均匀冷却，控制过热度，结合轻压下 |
| 鼓肚 | 二冷强度不足，坯壳厚度增长缓慢，钢水静压力使坯壳外凸 | 提高弯曲段冷却强度，保证坯壳厚度满足支撑要求 |
亚包晶钢的冷却难点
碳质量分数处于0.09%～0.16%的钢种称为亚包晶钢。在连铸过程中，包晶反应导致较大的体积收缩，增大了铸坯与结晶器之间的空隙，热阻增大，凝固坯壳厚度不均匀，在热应力、摩擦力和钢水静压力作用下，裂纹敏感性大大增加。亚包晶钢的冷却策略需采用弱冷、均匀冷却的原则，配合低熔点碱性保护渣使用[reference:26]。
典型冷却方案与数据
HPB235方坯变比水量控制实例
新疆八一钢铁的方坯连铸机采用变比水量控制方法，比水量和总水量随拉速成段增大，适用于水量变化范围大、拉速跨度大的连铸工艺。
IF钢高拉速板坯
拉速提高后将二冷5～8区水量提升1.25倍，同时保持9～10区水量不变，满足铸坯出拉矫机温度和轻压下区位置要求[reference:28]。
无取向电工钢薄板坯
结晶器宽面水流量在标准基础上减少30%，二冷水水温控制在35～40℃且波动±1℃以内，扇形1段中部冷却水量降低10～30%[reference:29]。
低碳加硼钢盘条
过热度25～40℃，拉速2.6～2.85 m/min，结晶器冷却水量1680～1720 L/min，振动频率160～200 Hz，通过结晶器与二冷参数协同优化控制表面质量[reference:30]。
智能动态配水技术
传统静态水表和比例PID动态控制对二冷水量的优化过程控制精度较差、时效性较低。近年来，融合机理模型与数据驱动方法建立二冷动态配水模型成为研究热点，这类模型能够自动适应生产过程中的变化，不受固定参数和专家经验的限制[reference:31]。
Transformer温度预测
将影响温度的特征参数按时间序列输入Transformer模型，通过自注意力机制捕捉时间依赖关系和特征交互作用，准确预测二冷区温度分布[reference:32]。
随机森林水量预测
将温度预测结果与其他影响参数输入随机森林模型，利用集成学习预测二冷区各段的水量分配，实现精准动态配水[reference:33]。
坯龄控制模型
以“坯龄”（坯壳生成后经历的时间）为控制参数，将铸坯纵向分割为小段跟踪每个单元的位置，根据坯龄给予相应冷却水量，减少热惯性影响[reference:34]。
三维二冷配水模型
开发三维二冷配水模型解决冷却水分布不均匀问题，控制铸坯角部裂纹，满足高效连铸生产条件和改善铸坯质量的需要[reference:35]。
智能配水技术发展趋势
- 从“拉速-水量”单变量控制转向多变量融合控制（拉速+过热度+钢种+断面）
- 从离线水表向在线动态模型转变，实现“一炉一策”精准配水
- 融合数值计算与机器学习，结晶器与二冷协同优化
- 数据驱动模型具备自学习能力，可随生产条件变化自动适应
常见问题及处理
| 问题现象 | 主要原因 | 处理对策 | 预防措施 |
|---|---|---|---|
| 喷嘴堵塞 水量分布不均 |
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| 铸坯表面温度波动 回温幅度过大 |
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| 角部横裂纹 矫直区开裂 |
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| 铸坯鼓肚 断面尺寸超差 |
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| 水量执行偏差 实际水量偏离设定值 |
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