程常桂,萬(wàn)文成,車(chē) 芳,余 樂(lè),劉中天

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081)

寬板坯連鑄二冷區(qū)噴嘴冷卻特性研究

程常桂,萬(wàn)文成,車(chē) 芳,余 樂(lè),劉中天

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081)

根據(jù)寬板坯連鑄實(shí)際工況條件,測(cè)定不同冷卻條件下噴嘴的冷卻特性曲線,分析不同噴嘴布置與連鑄實(shí)際需要條件的關(guān)系。結(jié)果表明,噴嘴水流密度峰值隨著冷卻水量的增加而變大,水流覆蓋區(qū)域變寬;當(dāng)噴嘴冷卻水量過(guò)大時(shí),水流密度分布均勻性不好;氣體壓力對(duì)噴嘴水流密度分布影響不大;雙噴嘴噴淋水重疊區(qū)的疊加效應(yīng)隨著左邊噴嘴冷卻水量的遞減呈明顯的下降趨勢(shì),隨兩噴嘴間距的變大而逐漸減弱;噴嘴間距為450 mm時(shí),鑄坯表面噴淋水流密度分布更為合理。

寬板坯;連鑄;噴嘴;冷卻特性

連鑄過(guò)程中,二冷區(qū)冷卻效果的好壞與連鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量密切相關(guān)[1],合理的冷卻制度應(yīng)確保鑄坯拉坯方向溫度分布符合冶金準(zhǔn)則,寬面溫度分布盡可能地均勻。在連鑄二冷區(qū)的幾種傳熱方式中,可便于控制的是噴淋水與鑄坯表面間的熱量傳遞,這與二冷區(qū)冷卻噴嘴的熱態(tài)特性和冷態(tài)特性密切相關(guān)。在充分了解噴嘴冷卻特性基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化配水有利于提高鑄坯的質(zhì)量。文光華等[2]在對(duì)噴嘴冷卻特性研究分析的基礎(chǔ)之上,了解噴嘴的布置方式對(duì)鑄坯冷卻效果的影響,較好地解決了鑄坯角部橫裂紋和三角區(qū)裂紋問(wèn)題。齊彥峰等[3]指出噴嘴的水流密度分布均勻能使鑄坯各部位的冷卻速率達(dá)到一致,坯殼厚度生長(zhǎng)均勻,不會(huì)造成應(yīng)力集中,否則在鑄坯內(nèi)部易產(chǎn)生熱應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋的形成。

國(guó)內(nèi)某鋼廠在生產(chǎn)寬板坯的連鑄過(guò)程中,由于寬面配水不合理,出現(xiàn)了鑄坯角部溫度比面部溫度低很多的現(xiàn)象,導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生近角部橫向裂紋缺陷,動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的應(yīng)用效果也受到影響。本文結(jié)合該鑄機(jī)實(shí)際工況條件,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定二冷區(qū)單噴嘴、雙噴嘴重疊條件下的水流密度分布規(guī)律,研究鑄坯寬面方向水流密度分布與噴嘴間距、各噴嘴水流量之間的關(guān)系,為優(yōu)化鑄坯寬面配水方案,改善噴淋水與鑄坯表面間的傳熱過(guò)程提供可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ);為實(shí)現(xiàn)鑄坯寬面表面溫度的均勻化,消除該寬板坯的近角部橫裂紋缺陷提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及方法

不同二冷分區(qū)的冷卻噴嘴型號(hào)及冷卻水量存在差異,但總體來(lái)看,冷卻水量、壓力及噴嘴間距對(duì)噴嘴冷態(tài)特性的影響規(guī)律相似,因此本文僅以國(guó)內(nèi)某鋼廠寬板坯連鑄機(jī)二冷5區(qū)噴嘴作為研究對(duì)象。該鑄機(jī)在二冷5區(qū)寬面每排安裝4個(gè)型號(hào)相同的氣-水霧化噴嘴,噴嘴的噴射高度為300 mm,噴射角為110°,均勻布置在鑄坯寬面上方,可較好地覆蓋連鑄寬板坯寬面,其中外側(cè)兩個(gè)噴嘴(用M表示)為一個(gè)冷卻回路,內(nèi)側(cè)兩個(gè)噴嘴(用C表示)為一個(gè)冷卻回路,噴嘴安裝布置如圖1所示。

圖1 連鑄二冷5區(qū)噴嘴布置示意圖Fig.1 Sketch of nozzle arrangement in the fifth secondary cooling zone of continuous casting

采用集水瓶法[4]來(lái)研究連鑄冷卻噴嘴的水流密度分布情況,試驗(yàn)裝置由冷卻水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和集水器組成,如圖2所示。試驗(yàn)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)以及噴嘴間距,便可測(cè)試出不同工藝條件下噴嘴的水流密度分布狀況。

圖2 噴嘴冷卻特性測(cè)定裝置示意圖Fig.2 Sketch of testing device of nozzle cooling characteristics

1.2 試驗(yàn)條件

由于噴嘴在寬面分布的對(duì)稱(chēng)性,試驗(yàn)過(guò)程中,只進(jìn)行了單噴嘴及雙噴嘴的冷卻特性測(cè)定試驗(yàn),每一噴嘴的冷卻水量均由實(shí)際工況條件轉(zhuǎn)換而來(lái)。

單噴嘴冷卻特性測(cè)定的試驗(yàn)條件如表1所示。采用外側(cè)噴嘴工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)的目的是獲取不同冷卻水量條件下鑄坯兩外側(cè)的水流密度分布,采用內(nèi)側(cè)噴嘴工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)的目的是為鑄坯內(nèi)側(cè)單、雙噴嘴試驗(yàn)提供對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 單噴嘴冷卻特性測(cè)定試驗(yàn)條件Table 1 Experimen t condition of single nozzle cooling characteristics testing

雙噴嘴試驗(yàn)條件有兩種情況:①外側(cè)和內(nèi)側(cè)采用兩種不同噴水量,用于測(cè)量外側(cè)噴嘴和內(nèi)側(cè)噴嘴之間的水流密度分布,當(dāng)噴嘴間距為450 mm,用于測(cè)定內(nèi)外兩側(cè)噴嘴間水流密度分布冷卻特性的試驗(yàn)條件如表2所示;不同噴嘴間距下,鑄坯寬面內(nèi)外兩側(cè)噴嘴冷卻特性的試驗(yàn)條件

表2 噴嘴間距相同時(shí)內(nèi)外兩側(cè)噴嘴冷卻特性測(cè)定試驗(yàn)條件Table 2 Experimen t condition of cooling characteristics testing of themedial and outer nozzlesat the same spacing intervals

如表3所示;②內(nèi)側(cè)兩噴嘴冷卻水量相同,用于獲取鑄坯寬面內(nèi)側(cè)兩噴嘴之間的水流密度分布規(guī)律,試驗(yàn)中,噴嘴間距分別為400、450、500 mm,噴嘴水流量均為5.58 L/min,噴嘴氣體壓力為236.7 k Pa。

表3 噴嘴間距不同時(shí)內(nèi)外兩側(cè)噴嘴冷卻特性測(cè)定試驗(yàn)條件Table 3 Experiment condition of cooling characteristics testing of themedial and outer nozzlesat different spacing intervals

2 結(jié)果與分析

2.1 單噴嘴的冷卻特性

采用表1試驗(yàn)條件,分別進(jìn)行了兩組單噴嘴冷卻特性測(cè)定試驗(yàn)。當(dāng)噴嘴位于鑄坯寬面外側(cè)(M),噴嘴氣體壓力為113.2 kPa,噴嘴水量分別為2.56、3.06、7.69 L/min時(shí),測(cè)得的水流密度分布曲線如圖3所示。當(dāng)噴嘴位于鑄坯寬面內(nèi)側(cè)(C),噴嘴氣體壓力為236.7 kPa,噴嘴水量分別為5.58、5.91、7.69 L/min時(shí),測(cè)得的水流密度分布曲線如圖4所示。為便于分析氣體壓力對(duì)噴嘴水流密度的影響規(guī)律,對(duì)噴嘴水量為 7.69 L/ min,氣體壓力分別為113.2、236.7 kPa時(shí)的水流密度作圖,得到其分布曲線如圖5所示。

圖3 噴嘴處于外側(cè)時(shí)水流密度分布Fig.3Water volume density distribution of outer nozzles

由圖3、圖4中可知,當(dāng)噴嘴氣體壓力一定時(shí),噴嘴水流密度峰值隨著冷卻水量的增加而變大,水流覆蓋區(qū)域變寬;當(dāng)水流密度過(guò)大時(shí),水量集中分布在噴嘴中心區(qū)域,水流密度分布均勻性不好;當(dāng)噴嘴水量較小時(shí),水流密度分布曲線變化平緩,水量分布均勻性得到改善。這表明,冷卻水量較小時(shí),鑄坯在寬面上所受到的冷卻強(qiáng)度均勻性更好,角部受到的冷卻強(qiáng)度要低得多。對(duì)于寬板坯連鑄而言,鑄坯角部受到寬度、厚度兩方向傳熱的疊加效應(yīng)影響,角部溫度往往過(guò)低,考慮到這一特性,降低鑄坯噴嘴外側(cè)水量有利于改善鑄坯在寬度方向的冷卻均勻性。

圖4 噴嘴處于內(nèi)側(cè)時(shí)水流密度分布Fig.4 Water volume density distribution of medial nozzles

圖5 氣體壓力對(duì)水流密度的影響Fig.5 Relationship between theair pressureand water volume density

由圖5中可知,當(dāng)噴嘴水量一定,氣體壓力增大時(shí),噴嘴水流密度峰值變化不大,但中心水流密度較大,區(qū)域略有變寬,氣體壓力對(duì)噴嘴冷卻特性的影響主要可能還是在于細(xì)化水滴直徑及增加水滴流速方面。

2.2 冷卻水量對(duì)雙噴嘴冷卻特性的影響

兩噴嘴間距為450 mm,其中一噴嘴(C,右邊噴嘴)的冷卻水量為5.58 L/min的條件下,另一噴嘴(M,左邊噴嘴)的冷卻水量按一定比例遞減,在表2所示的試驗(yàn)條件下,雙噴嘴水流密度分布曲線如圖6所示。由圖6中可知,雙噴嘴噴淋水重疊區(qū)的疊加效應(yīng)隨著左邊噴嘴冷卻水量的遞減呈明顯的下降趨勢(shì);雙噴嘴噴射寬度無(wú)明顯的變化,約為1 070 mm左右;當(dāng)左邊噴嘴水量為4.46 L/min時(shí),左側(cè)噴嘴中心區(qū)域水量分布相對(duì)集中,隨著左邊噴嘴水量的遞減,左側(cè)噴嘴中心區(qū)域水流密度迅速降低;當(dāng)左邊噴嘴水量為3.35 L/min時(shí),從右側(cè)噴嘴中心區(qū)域到整個(gè)噴淋區(qū)左側(cè),水流密度整體呈減小趨勢(shì),且左側(cè)噴嘴中心區(qū)域水流密度分布相對(duì)較均勻;當(dāng)左邊噴嘴水量為2.56 L/min時(shí),鑄坯角部所受的冷卻強(qiáng)度最弱,可有效防止鑄坯角部過(guò)冷,這有利于生產(chǎn)高質(zhì)量的連鑄寬板坯。

圖6 不同冷卻水量下雙噴嘴水流密度分布圖Fig.6 Water volume density distribution of double nozzles at different cooling water volumes

2.3 噴嘴間距對(duì)雙噴嘴冷卻特性的影響

噴嘴間距不同,鑄坯寬面內(nèi)側(cè)(C)和外側(cè)(M)的兩噴嘴氣體壓力均為236.7 kPa,噴嘴水量均為5.58 L/min時(shí),測(cè)得的水流密度分布曲線如圖7所示。由圖7中可知,當(dāng)兩噴嘴氣體壓力和冷卻水量均相同時(shí),噴淋水重疊區(qū)的疊加效應(yīng)隨著兩噴嘴間距的增大而逐漸減弱,即噴淋水重疊區(qū)所對(duì)應(yīng)的水流密度峰值呈明顯的下降趨勢(shì)。兩噴嘴間距增大時(shí),噴射水流所覆蓋的范圍也隨著變大,當(dāng)間距為500 mm時(shí),最大的噴射寬度約為1 200 mm。當(dāng)噴嘴間距為400 mm時(shí),重疊區(qū)的冷卻強(qiáng)度較其余部分的要大,噴嘴水流密度分布曲線變化較陡;間距為500 mm時(shí),兩噴嘴下方的水量分布相對(duì)集中,冷卻效果不均勻;而間距為450 mm時(shí),重疊區(qū)和兩噴嘴所對(duì)應(yīng)的水流密度峰值相差不大,整體上冷卻水量分布較均勻,冷卻效果也較好。

圖7 相同噴嘴水量下雙噴嘴水流密度分布圖Fig.7 Water volume density distribution of double nozzles at the same spraying water volume

當(dāng)鑄坯寬面外側(cè)噴嘴(M)氣體壓力為113.2 kPa,噴嘴水量為2.56 L/min,鑄坯寬面內(nèi)側(cè)噴嘴(C)氣體壓力為236.7 k Pa,噴嘴水量為5.58 L/ min時(shí),改變兩噴嘴的間距,測(cè)得的水流密度分布曲線如圖8所示。由圖8中可知,當(dāng)噴嘴布置間距增大時(shí),雙噴嘴噴淋寬度變化不明顯,最大噴射寬度約為1 100 mm;雙噴嘴噴淋重疊區(qū)的噴淋水疊加效應(yīng)隨著噴嘴間距的增大呈明顯的減弱趨勢(shì),當(dāng)噴嘴間距為400 mm時(shí),在兩噴嘴重疊噴淋區(qū)存在一明顯的峰值,間距為500 mm時(shí),除在噴淋重疊區(qū)有一較小峰值外,在該峰值兩側(cè)存在較明顯的峰谷區(qū),間距為450 mm時(shí),噴淋重疊區(qū)的峰值較小,峰谷也較淺。對(duì)于寬板坯連鑄而言,有時(shí)為了達(dá)到鑄坯角部復(fù)熱的效果,希望水流密度從鑄坯中心向兩側(cè)逐步減小,對(duì)比圖8情況來(lái)看,明顯可見(jiàn)間距為450 mm更為合適。

圖8 不同噴嘴水量下雙噴嘴水流密度分布圖Fig.8 Water volume density distribution of double nozzles at different spraying water volumes

3 結(jié)論

(1)噴嘴水流密度峰值隨著冷卻水量的增加而變大,水流覆蓋區(qū)域變寬;當(dāng)水流密度過(guò)大時(shí),水量集中分布在噴嘴中心區(qū)域,水流密度分布均勻性不好;當(dāng)噴嘴水量降低時(shí),水流密度分布曲線變化平緩,水量分布均勻性得到改善。

(2)氣體壓力對(duì)噴嘴水流密度分布影響不大,中心水流密度較大,區(qū)域略有變寬。

(3)噴嘴間距相同,雙噴嘴噴淋水重疊區(qū)的疊加效應(yīng)隨著左邊噴嘴冷卻水量的遞減呈明顯的減弱趨勢(shì),這有利于滿足寬板坯角部弱冷的要求。

(4)噴淋水重疊區(qū)的疊加效應(yīng)隨兩噴嘴間距的變大而逐漸減弱,噴淋水重疊區(qū)所對(duì)應(yīng)的水流密度峰值呈明顯的下降趨勢(shì)。無(wú)論兩噴嘴水量是否相同,噴嘴間距為450 mm時(shí),鑄坯表面噴淋水流密度分布均更為合理。

[1] Camisanl-Calzolari F R,Craig I K,Pistorius P C. Specification framewo rk for control of the secondary cooling zone in continuous casting[J].ISIJ International,1998,38(5):447-453.

[2] 文光華,唐萍,韓志偉.寶鋼1930板坯鑄機(jī)二冷噴嘴布置方式對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響[J].鋼鐵,2003,38 (1):22-24.

[3] 齊彥峰,文光華,唐萍,等.二冷噴嘴類(lèi)型和布置對(duì)板坯質(zhì)量的影響[J].特殊鋼,2004,25(6):55-57.

[4] 劉成信,彭著剛.連鑄噴嘴特性測(cè)試與分析[J].柳鋼科技,2007(F09):186-188.

Experimen tal study on nozzles cooling characteristics in the secondary cooling zone of wide slab caster

Cheng Changgui,W an W encheng,Che Fang,Yu Le,L iu Zhongtian
(Key Labo ratory for Ferrous Metallurgy and Resources U tilization of M inistry of Education,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The paper determ ines the nozzle cooling characteristics in different cooling intensions combined w ith the actual w ide slab continuous casting p rocess conditions,and analyzes the relations of nozzle arrangement and real requirement of the continuous casting p rocess.The results are mainly as follow s:the water volume density peak value increasesw ith the cooling water volume increasing,and sp ray zone broadens;w hen the w ater volume is egregiously bigger,the w ater volume density distribution breaks up;the gas p ressure has small effectson thewater volume density distribution;the superimposition effect of sp raying water becomes gradually w eakened w ith the decrease of water volume of the nozzles and the increase of the nozzle spacing intervals;the op timal nozzle spacing interval is 450 mm,w hich can make the cooling water distribution mo re reasonable under the given condition.

w ide slab;continuous casting;nozzle;cooling characteristics

TF777.2

A

1674-3644(2010)05-0453-05

[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

作者介紹:程常桂,男,1970年出生。1994年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金專(zhuān)業(yè),1999年獲武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位,2003年獲上海大學(xué)鋼鐵冶金專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位。1994—1996年在湖南省冶金規(guī)劃設(shè)計(jì)院從事煉鋼、連鑄工藝設(shè)計(jì)工作,現(xiàn)為武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院冶金工程系副教授,碩士研究生導(dǎo)師。湖北省金屬學(xué)會(huì)煉鋼分會(huì)委員。先后發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇,其中被EI檢索3篇,出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著《氣膜軟接觸連鑄技術(shù)的基礎(chǔ)研究》及教材《鐵水預(yù)處理》,授權(quán)國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利1項(xiàng)。參與國(guó)家自然科學(xué)基金研究工作1項(xiàng),主持和完成省級(jí)和企業(yè)科研項(xiàng)目6項(xiàng),參與省級(jí)和企業(yè)科研項(xiàng)目5項(xiàng)。主要研究方向?yàn)檫B鑄新技術(shù)、爐外處理新技術(shù)、冶金過(guò)程數(shù)學(xué)物理模擬及計(jì)算機(jī)控制。

2010-06-29

湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2009CDB358).

程常桂(1970-),男,武漢科技大學(xué)副教授,博士.E-mail:ccghlx@w ust.edu.cn