连铸钢坯二冷段喷嘴性能的实验研究.pdf

连铸钢坯二冷段喷嘴性能的实验研究 刘兵 1 吴清荣 2 巴淑丽 3 梁珍祥 1 丁跃军 1 1． 郑州大学化工与能源学院， 郑州 450001;2． 河南工业技师学院， 郑州 450000; 3． 重庆能源职业学院能源工程系， 重庆 400040 摘要 根据非稳态传热学原理， 通过对大试样进行单侧加热， 另一侧喷水的实验方法， 对连铸二冷段喷嘴的热态性能进 行了实验研究。根据实际生产条件， 对不同喷水压力和不同喷水距离下， 喷嘴传热系数关系进行了研究; 实验结果表 明 相同实验条件下， 水喷嘴的传热系数高于气水喷嘴， 而在均匀冷却方面， 气水喷嘴更具有优势; 无论哪一种喷嘴， 随 着喷水压力的增加， 总体趋势传热系数都在增大， 而随着喷水距离的增加， 传热系数都在降低; 同时， 相同实验条件下， 双喷嘴的冷却效果优于单喷嘴的冷却效果。 关键词 喷嘴; 热态性能; 传热系数 EXPERIMENTAL STUDY ON CHARACTERISTICS OF NOZZLE OF SLAB CONTINUOUS CASTING SECONDARY COOLING ZONE Liu Bing1Wu Qingrong2Ba Shuli3Liang Zhenxiang1Ding Yuejun1 1． School of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001，China; 2． College of Henan Industrial Technician， Zhengzhou 450000， China; 3． Department of Energy Engineering， Technology Institute of Chongqing Energy， Chongqing 400040， China AbstractAccording to the principle of non-steady-state heat transfer， and using experimental of heating one side of the large specimens and spraying water on the other side， the hot property of the secondary cooling section of the nozzle of continuous casting was studied． Based on the actual production conditions，for different pressures and different water spray distance，the relationship between the nozzle heat transfer coefficient was also studied． Experimental results show that under the same experimental conditions，the water nozzle of the heat transfer coefficient is larger than that of air and water nozzles， and in the uni cooling，air-water nozzle has more advantages;no matter what kind of nozzle，with the water pressure increases，the overall trend is in increasing heat transfer coefficient，and as spray distance increases，the heat transfer coefficients are reduced． Meanwhile， under the same experimental conditions，the effect of two-jet cooling is better than a single nozzle． Keywordsnozzle; heat state characteristics; heat transfer coefficient 0引言 钢水经过连续冷却最终凝固成钢坯的工艺过程 是连铸， 连续铸钢中二次冷却对于钢坯的质量和产量 有着显著影响 ［1］。深入研究喷嘴的热态性能， 对于 深入研究钢坯连铸二冷段喷嘴对钢坯的冷却凝固过 程， 优化二次冷却制度， 提高钢坯质量和产量， 都是非 常重要和有着现实意义的。 针对连铸二次冷却， 国外的 Sengupta 等人 ［2］， 通 过 PIV 测试了气 /水雾化喷嘴的流场， 对喷嘴的水流 密度， 气水比， 压力等对喷嘴射流的影响进行了研究; Ramstorfer F，J． C． Fry 等人 ［3- 5］通过研究气水喷嘴传 热性能， 对不同工况下喷嘴的传热系数和不同喷嘴喷 射条件对钢坯传热影响进行了分析; 国内的文光华等 人 ［6］研究了超低头板坯连铸机的喷嘴， 进行了喷嘴 的冷态性能和热态性能测试， 得到了水流密度和与传 热系数之间的关系; 郑忠等人 ［7］设计了通过大试样 测定连铸二冷喷嘴性能的实验方案， 得到了不同工况 下不同喷射条件对喷嘴传热系数的影响; 齐彦峰等 人 ［8］对喷嘴的布置方式和钢坯角裂的关系进行了研 究， 根据喷嘴布置位置的调整， 使得角部横裂及三角 901 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 区的裂纹得到了有效解决。本文利用模拟实际生产 现场实验装置， 对喷嘴热态性能进行了研究， 利用非 稳态传热学原理来对大试样进行加热然后通过喷嘴 进行喷水， 研究不同喷水距离和不同喷水压力下， 传 热系数的变化关系。 1实验方案设计 1. 1理论依据 钢坯二冷段， 通过喷嘴喷出的喷水或者气雾对钢 坯表面进行冷却， 这样在钢壳就存在了很大的温度梯 度， 从喷嘴喷淋的冷却水将从钢坯内部源源不断传递 到表面的热量带走， 实现钢坯的凝固。钢坯热量沿着 钢坯表面垂直的方向传递， 基于喷嘴冷却的角度， 将 钢坯冷却传热简化为一维传热， 而从实验结果和工厂 实际结果的误差满足实际生产的需要， 因此， 为了简 化计算， 实验中采用一维传热模型。假设传热过程 中， 钢坯不存在内热源， 故其传热方程为 ［9］ Cpρ T x， t t －  x λ T x， t x 0 1 将金属试样的初始温度作为初始条件， 实验过程 中利用热电偶测量得到试样的温度作为边界温度， 同 时， 喷嘴喷射的水喷射到试样表面， 试样温度梯度和 传热量之间的关系作为边界条件， 因此， 方程 1 的 定解条件为 T x， t| t 0 T x， 0 T x， t| t l T L， t λ T x， t x | x 0 hT 0， t－ T[]      w 2 式中 Cp为比热容， J/ kgK ; ρ 为密度， kg/m3 ; λ 为 导热系数， W / mK ; T 为温度， ℃ 。通过微分方程 1 和定解条件 2 就能够对传热系数进行求导。 1. 2系统设计 利用非稳态传热原理对钢坯二冷段喷嘴传热系 数进行测试， 测试试样的内部安装热电偶， 对实验中 的温度和时间进行测量。实验装置由加热装置 用 来加热试样 ， 喷水装置 喷嘴的喷淋水 以及喷气系 统 该装置只有在测试气水喷嘴时需要用到 。实验 系统装置如图 1 所示。 图 1实验装置示意 测试连铸二冷喷嘴的热态性能， 加热装置必须能 够将试样加热到接近实际生产的温度， 本实验采用冲 击加热的方式， 通过天然气高速烧嘴在单侧对试样进 行冲击加热， 试样加热的速率远远大于试样的冷却效 率， 不但能够容易达到实验所需要的温度， 同时比较 安全 ［10- 11］。通过计算加热到目标温度， 需要天然气 40 m3， 需要加热 1 h。加热时， 在试样中心布置一个 烧嘴， 这样能够实现热量由试样中心均匀的向试样两 侧传递。喷水系统由自来水 水源 ， 流量计， 压力 表， 水泵， 管道等组成; 喷气装置由风机， 流量计以及 管道等组成。 011 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 1. 3试样设计 实验试样的钢种选择钢厂实际生产的钢种。根 据喷嘴的喷射半径约 200 mm ， 那么考虑在两个喷嘴 情况下以及实际生产中喷嘴在铸坯边缘有 50 mm 的 富裕度 ［12- 13］， 同时由于加热的需要， 试样尺寸确定为 750 mm 250 mm 25 mm 实 测 试样为 650 mm 220 mm 25 mm 。试样尺寸和热电偶布置示意如图 2 所示。 图 2试样尺寸和热电偶布置示意 2实验结果及讨论 本实验采用扁形水喷嘴， 型号为 670. 846. 30. 00 和气 /水喷嘴型号为 36. 35. 13. 01 进行实验。 2. 1不同喷水距离下传热系数的变化关系 图 3 给出了铸坯表面温度不同时， 水喷嘴 型号 670. 846. 30. 00 冷却时综合传热系数与喷嘴距铸坯 距离的关系。横坐标为喷嘴距铸坯距离， 纵坐标为喷 嘴冲击点处的综合传热系数。嘴前水压力为 0. 22 MPa。 对型号为 670. 846. 30. 00 的水喷嘴， 喷嘴距铸坯距离 小于 170 mm， 喷嘴距铸坯距离对综合传热系数的影 响较小， 当喷嘴距铸坯距离大于 170 mm 后， 再加大 喷嘴距铸坯的距离， 综合传热系数将明显减小， 因此 对这种喷嘴而言， 喷嘴距铸坯距离在 170 mm 左右有 较 大 的 传 热 系 数。 为 研 究 其 原 因，对 型 号 为 670. 846. 30. 00 的水喷嘴进行了冷态特性实验， 图 4 是型号为 670. 846. 30. 00 的水喷嘴冲击点处的水流 密度与喷嘴距铸坯距离的关系， 由图 4 可看出 喷嘴 距铸坯距离在 170 mm 左右水流密度有较大的值， 这 时再加大喷嘴距铸坯的距离， 水流密度明显减小。 图 5 是气水喷嘴不同喷水距离和传热系数关系。 对型号为 35. 13. 01 的水 － 气喷嘴， 总的趋势是随喷 嘴距铸坯距离的增大综合传热系数降低。当铸坯表 面温度高于 750 ℃ 时， 喷嘴距铸坯距离对综合传热系 数影响较小。喷嘴距铸坯距离大于 290 mm 后， 喷嘴 距铸坯距离对综合传热系数的影响较小。 图 3水喷嘴不同喷水压力和传热系数关系示意 图 4喷嘴和钢坯距离与水流密度关系示意 图 5气水喷嘴不同喷水距离和传热系数关系示意 2. 2不同喷水压力下传热系数的变化关系 图 6 给出了铸坯表面温度不同时， 水喷嘴冷却时 综合传热系数与喷嘴前水压力的关系。横坐标为喷 嘴前水压力， 纵坐标为喷嘴冲击点处的综合传热系 数。喷 嘴 距 铸 坯 距 离 为 110mm。 对 型 号 为 670. 846. 30. 00 的水喷嘴， 喷嘴的喷水压力对综合传 热系数影响较小， 因此对这种喷嘴通过调节喷水压力 来改 变 冷 却 速 度 效 果 不 会 太 好。在 喷 嘴 水 压 为 0. 3 MPa时， 综合传热系数最小， 为研究其原因， 对型 号为 670. 846. 30. 00 的水喷嘴进行了冷态特性实验， 经过冷态实验发现， 压力增加， 流量增大， 但冲击点处 的水流密度并不单调增加， 而在水压为 0. 3 MPa 时出 现降低。对型号为 35. 13. 01 的水喷嘴， 喷嘴的喷水 111 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 压力 水气比 对综合传热系数的影响 图 7 ， 总的 趋势是随喷嘴的喷水压力 水气比 增大， 综合传热 系数增大， 但当喷嘴的喷水压力超过 0. 4 MPa 即水 气比超过 0. 088 后， 再增加喷嘴的喷水压力 增大水 气比 效果会差些。从图 7 还可看出 铸坯表面温度 对这种趋势有较大影响， 在高温区， 喷水压力 水气 比 增大， 综合传热系数增加缓慢， 在低温区， 增加要 快些。 图 6水喷嘴不同喷水压力和传热系数关系示意 图 7气 /水喷嘴不同喷水压力和传热系数的关系示意 2. 3双喷嘴下传热系数的变化关系 图 8 是双喷嘴和单喷嘴平均传热系数对比。可 以看到双喷嘴传热系数大于单喷嘴实验时的结果。 这是因为在相同的喷水压力 0. 3 MPa， 喷水水流密度 等相同的实验条件下， 与单喷嘴实验相比， 双喷嘴实 验时喷水水流密度大， 喷水强度大， 换热量大。因此， 其传热系数也比同条件下单喷嘴实验下得到的传热 系数大。 图 8单喷嘴和双喷嘴平均传热系数对比示意 2. 4实验结果和实际生产传热系数比较 钢厂实际生产中铸坯最高温度为 1 200 ℃ ， 存在 凝固潜热; 实验在试样加热到 1 200 ℃ 左右开始， 且 在不喷水一侧继续加热， 考虑凝固潜热的影响; 试样 为某钢厂实际生产钢种; 实际生产中， 喷水量为13 ～ 16 L/min， 选择二冷区的一段为比较对象。喷气压力 为 0. 2 MPa。实际和生产条件对比见表 1。实验结果 和实际生产传热系数比较见图 9。 表 1实际和生产条件对比 对比条件喷嘴类型喷嘴布置高度 /m 喷水压力 /MPa 实验条件气 － 水喷嘴1500. 2 ～ 0. 5 实际条件气 － 水喷嘴1500. 2 ～ 0. 5 图 9实验结果和实际生产传热系数比较 由图 9 可知 实验结果和实际生产结果变化趋势 一致， 误差在 7 以内， 满足工程生产的需要; 同时， 图中实验结果传热系数大于实际生产过程的传热系 数， 这是由于实际生产中钢坯冷却过程产生的大量水 汽， 形成了钢坯表面的薄膜， 对热量传递有阻碍作用， 从而使得传热系数降低。 3结论 通过对不同类型的水喷嘴和气水喷嘴进行实验， 得到了钢坯二冷段喷嘴的传热特性 1 根据非稳态传热原理， 通过对大试样进行单 侧冲击加热， 冷却的方式测量喷嘴的传热性能， 实验 比较接近实际真实生产情况， 能反映实际钢坯二冷段 的生产情况。 2 总体上， 同等实验条件下水喷嘴的传热系数 大于气水喷嘴的传热系数; 而冷却均匀性气水喷嘴优 于水喷嘴。 3 不管是水喷嘴还是气水喷嘴， 随着喷水距离 的增加整体上传热系数都在降低， 这是因为随着喷水 距离的增加， 喷水对试样的冲击力降低， 水流密度变 小， 换热量减小; 同时， 总体趋势随着实验喷水压力的 增加而增加， 对于型号为 670． 846. 30. 00 的水喷嘴 在喷水压力为 0. 3 MPa 时降低， 这是因为对于此类型 211 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 喷嘴， 通过冷态性能实验在 0. 3 MPa 时， 水流密度减 小， 从而降低了和试样的传热量， 减小了传热系数; 同 样的， 在 0. 4 MPa 处， 气水喷嘴传热系数降低; 相同类 型的喷嘴， 双喷嘴实验条件下， 传热系数大于单喷嘴 实验结果， 这是因为双喷嘴情况下， 水流密度增加， 从 而增加了换热量， 使得换热系数增加。 4 通过钢坯二冷段喷嘴热态性能实验得到了不 同喷水压力， 不同喷水距离和喷嘴传热系数的关系， 实验结果为合理布置连铸钢坯二冷段喷嘴， 优化二冷 段制度提供了依据。 参考文献 ［1］蔡开科， 程士富． 连铸铸钢原理与工艺［M］． 北京 冶金工业出 版社， 1994． ［2］Sengupta J， Gthomas B， Wells M A． Understand the role water- cooling plays during casting of steel and aluminum alloys ［J］． MS＆T2004 Conference Proceedings， 2004， 6 36 179- 193． ［3］Ramstorfer F， Roland J， Chimanic， et al． Modeling of air-mist spray coolingheatingtransferforcontinuousslabcasting ［J］． International Journal of Cast Metals Research， 2009， 22 1 /4 39- 42． ［4］Heidt Viktor．Influence of running water on the heat transfer in continuous casting ［J］． Steel Research， 1993， 5 3 157- 164． ［5］Fry J C． Design of steady state test apparatus to uate heat transfer coefficient of spray ［J］． IronmakIngand Steelmaking， 1997， 24 1 47- 50． ［6］文光华， 迟景灏， 黄云飞． 连铸机二冷段冷态和热态特性的实 验研究［J］． 重型机械， 1997， 6 5 24- 38． ［7］郑忠， 刘兵， 罗小刚． 攀钢板坯连铸二冷喷嘴性能的热态实验 研究［J］． 工业加热， 2008， 37 4 11- 15． ［8］齐彦峰， 文光华， 唐萍， 等． 二冷喷嘴类型和布置对板坯质量的 影响［J］． 特殊钢， 2004， 25 6 55- 57． ［9］杨 世 铭， 陶 文 铨． 传 热 学［M］． 3 版． 北 京 高 等 教 育 出 版 社， 2002． ［ 10］郑忠， 何腊梅． 红外测温技术及在钢铁生产中的应用［J］． 工业 加热， 2005， 3 34 25- 29． ［ 11］张丽． 连铸二冷喷嘴热态性能的研究［J］． 连铸， 2003， 23 1 18- 22． ［ 12］刘兵， 王定标． 连铸板坯二冷喷嘴的特性［J］． 化工进展， 2011， 30 8 1698- 1701， 1705． ［ 13］靳星， 陈登福， 王青峡， 等． 板坯连铸二冷喷嘴性能测试及其应 用［J］． 过程工程学报， 2008， 1 8 161- 165． 作者通信处刘兵450001河南省郑州市科学大道 100 号郑州大 学化工与能源学院 E- mailliubingzzu 126． com 2011 － 08 － 15 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 78 页 参考文献 ［1］王衍． 从炼铜厂炉渣中回收铜铁的研究［J］． 广东有色金属学 报， 1998，18 2 56- 65． ［2］何柳． 强氧化熔炼铜渣的湿法处理［D］． 昆明 昆明理 工大 学， 2000． ［3］吴礼杰． 转炉渣中有价金属的选别［J］． 矿业研究与开发， 2001， 21 4 29- 32． ［4］黄自立， 罗凡， 李密， 等． 从炼铜水淬渣中回收铁的试验研究 ［J］． 矿产保护与利用， 2009， 6 3 51- 54． ［5］曹洪杨， 张力， 付念新． 国内外铜渣的贫化［J］． 材料与冶金学 报， 2009，8 1 33- 39． ［6］方立武， 洪新， 李长荣， 等． 电场作用下铜渣中金属铜滴迁移行 为的研究［J］． 上海金属， 2006， 28 6 28- 31． ［7］张林楠． 铜渣中有价组分的选择性析出研究［D］． 沈阳 东北大 学， 2005． ［8］王慈公． 改性铜渣中铁组分的磁选分离［D］． 沈阳 东 北大 学， 2008． ［9］宗力． 水淬铜渣代砂混凝土［J］． 青岛建筑工程学院学报，2003 2 20- 22． ［ 10］曹朝真， 郭培民， 赵沛， 等． 煤基铁矿粉催化还原试验研究［J］． 钢铁研究学报， 2010 8 12- 15． ［ 11］郭宇峰． 钒钛磁铁矿固态还原强化及综合利用［D］． 长沙 中南 大学， 2007． ［ 12］黄希祜． 钢铁冶金原理［M］． 北京 冶金工业出版社， 1981． 作者通信处赵凯100081北京市海淀区学院南路 76 号钢铁研究 总院 先进钢铁流程与材料国家重点实验室 电话 010 62185573 E- mailherozk81 163． com 2011 － 10 － 08 收稿 311 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期