劉 兵 王定標(biāo) 梁珍祥 朱有健

鄭州大學(xué)，鄭州，450001

0 引言

連鑄二次冷卻對(duì)鋼坯的質(zhì)量有著非常顯著的影響。連鑄二次冷卻區(qū)存在著多種傳熱方式，噴嘴噴淋水與鑄坯表面的沖擊傳熱是二次冷卻的主要傳熱方式；由于氣水噴嘴具有均勻冷卻鑄坯表面、冷卻強(qiáng)度可控范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在連鑄二次冷卻中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。近年來，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)噴嘴的特性進(jìn)行了研究。研究表明，噴嘴的冷卻效果與霧化水滴的沖擊密度有關(guān)，還與噴嘴的種類、結(jié)構(gòu)及性能有很大的關(guān)系。Fry等［2］對(duì)不同工況下噴嘴的傳熱系數(shù)和影響條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。程常桂等［3］研究了噴嘴的結(jié)構(gòu)性能，得到了水流密度和傳熱系數(shù)的關(guān)系。齊彥峰等［4］研究了噴嘴布置對(duì)連鑄二冷區(qū)冷卻度的影響。筆者基于前人的研究，采用模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)模型的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)噴嘴進(jìn)行熱態(tài)性能的研究?；诮o定的噴嘴，在不同影響因素下，研究了鑄坯表面溫度和綜合傳熱系數(shù)的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)研究方案

目前，對(duì)于噴嘴熱態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)研究，主要有以下方法［5－8］：①先利用電加熱的方法，將金屬小試樣加熱到目標(biāo)溫度后，進(jìn)行噴水冷卻，然后通過一維導(dǎo)入模型進(jìn)行計(jì)算；②利用大試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用電加熱將試樣加熱到一定溫度，進(jìn)行噴水冷卻。電加熱小金屬試樣的方法中，雖然試樣的溫度能夠達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)過程中鑄坯的表面溫度，但是試樣過小，造成模型過于簡(jiǎn)化，因此，不能全面反映二冷的傳熱特性。通過電加熱大金屬試樣的方式進(jìn)行噴嘴熱態(tài)性能的研究，將大金屬試樣作為研究對(duì)象，試樣尺寸大小能夠反映實(shí)際鑄坯二冷傳熱特性，但電加熱的方式很難將大試樣加熱到實(shí)際生產(chǎn)過程中鑄坯的溫度。同時(shí)，通過電加熱的方式加熱試樣后，實(shí)驗(yàn)時(shí)停止加熱，由于沒有熱源產(chǎn)生熱量，實(shí)驗(yàn)過程中試樣的溫度下降過快?；谏鲜鲈颍鶕?jù)連鑄板坯二冷區(qū)實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，本文采用大金屬試樣，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)傳熱原理，進(jìn)行連鑄二冷噴嘴傳熱特性的研究，模擬實(shí)際生產(chǎn)過程的特性。

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)過程中，金屬試樣固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，試樣一側(cè)通過燒嘴進(jìn)行沖擊加熱。當(dāng)試樣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，在試樣另一側(cè)通過噴嘴噴水冷卻試樣。基于給定的噴嘴，在不同影響因素下，研究鑄坯表面溫度和綜合傳熱系數(shù)的關(guān)系。

連鑄二冷區(qū)噴嘴噴射的冷卻水噴淋在鋼坯表面，對(duì)鋼坯進(jìn)行冷卻。通過冷卻水使鑄坯表面溫度降低，由于噴嘴冷卻水和鑄坯之間存在較大溫差，試樣內(nèi)部和試樣表面存在較大溫度梯度，因此，試樣熱量向表面?zhèn)鬟f。試樣熱量主要沿著鑄坯的厚度方向進(jìn)行傳遞，鑄坯厚度方向存在最大溫度梯度。基于試樣內(nèi)部熱量傳遞，鑄坯的傳熱可以近似簡(jiǎn)化為一維傳熱［9－10］。實(shí)驗(yàn)過程中，試樣溫度達(dá)到1200℃左右，當(dāng)噴嘴噴淋水噴到高溫試樣表面時(shí)，水滴氣化。本文利用牛頓冷卻定律邊界條件進(jìn)行計(jì)算，使模型得到簡(jiǎn)化，對(duì)比生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)計(jì)算所得結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型與實(shí)際工況一致，因此，該模型是正確的。利用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的試樣溫度，計(jì)算鋼坯表面和冷卻水直接傳熱量的瞬間值，進(jìn)而計(jì)算得到噴嘴冷卻水和試樣表面的對(duì)流傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，試樣內(nèi)部不存在內(nèi)熱源。基于上述分析，一維導(dǎo)熱方程為

式中，Cp為試樣鋼種的比熱容，J／（kg·K）；ρ為試樣鋼的密度，kg／m3；λ為試樣鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；Θ為試樣鋼的溫度，K。

實(shí)驗(yàn)過程中，試樣的初始溫度已知，因此，初始條件為

將利用熱電偶測(cè)量得到的試樣邊界溫度作為微分方程求解的邊界條件，即

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中，噴嘴冷卻水噴射到鋼坯表面，傳熱量和試樣的溫度梯度成正比，有

將式（4）代入式（1）并引入相應(yīng)下標(biāo)，有

式中，K 為綜合傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；Θw為鋼坯溫度，K。

因此，由導(dǎo)熱方程（式（1））和定解條件（式（2）、式（3）、式（5））就可以根據(jù)試樣表面溫度、溫度梯度、導(dǎo)熱系數(shù)，求出鋼坯噴嘴冷卻時(shí)的傳熱系數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文利用非穩(wěn)態(tài)法測(cè)定綜合傳熱系數(shù)。在金屬試樣內(nèi)部的不同位置布置一系列測(cè)溫點(diǎn)，通過熱電偶測(cè)量測(cè)點(diǎn)的溫度，根據(jù)試樣溫度和時(shí)間的變化關(guān)系，計(jì)算得到鑄坯和冷卻水之間的綜合傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)由鋼坯加熱系統(tǒng)、噴水及噴氣冷卻系統(tǒng)、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行噴嘴熱態(tài)性能實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，試樣的加熱方法一般為電阻加熱、感應(yīng)加熱、紅外加熱、電加熱爐加熱等方法。電阻加熱，電流直接通過試樣，不安全；感應(yīng)加熱對(duì)噴嘴的噴水冷卻產(chǎn)生干擾作用；利用紅外加熱，溫度一般最高達(dá)900℃，不能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)過程鋼坯的溫度；電加熱爐加熱試樣的方式，可以將小金屬試樣加熱到實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)溫度，但是很難將大金屬試樣加熱到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度?；诖?，本實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的試樣加熱裝置。利用天然氣高速燒嘴對(duì)試樣進(jìn)行沖擊加熱，在試樣的一側(cè)加熱，當(dāng)試樣溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度后，在試樣另一側(cè)進(jìn)行噴水冷卻。實(shí)驗(yàn)中，試樣的目標(biāo)溫度為1400K，經(jīng)過計(jì)算，利用天然氣作為燒嘴燃料，需要一個(gè)噴嘴，加熱時(shí)間為1h，天然氣需要量為40m3／h，燒嘴的燃燒能力為40m3／h。燒嘴安裝在試樣的中心，通過燒嘴對(duì)試樣進(jìn)行沖擊加熱。熱量從試樣的中心向試樣兩側(cè)呈對(duì)稱形式傳遞，只在燒嘴沖擊點(diǎn)處出現(xiàn)一個(gè)溫度峰值。

1.3 噴嘴的選擇及布置方式

實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)試樣采用鋼廠實(shí)際生產(chǎn)的鋼種，實(shí)驗(yàn)研究的噴嘴采用鋼廠實(shí)際生產(chǎn)中的噴嘴?？紤]實(shí)際生產(chǎn)相鄰噴嘴的相互影響作用，噴嘴的噴射半徑為200mm，因此，實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為700mm×220mm×25mm，實(shí)際測(cè)量試樣尺寸為650mm×220mm×25mm，試樣兩邊各有50mm富裕度以固定試樣。實(shí)驗(yàn)過程中，用24K分度鎳鉻熱電偶測(cè)量，在試樣鋼坯的內(nèi)部不同位置布置一系列測(cè)溫點(diǎn)。為減小熱電偶間距對(duì)溫度場(chǎng)分布的破壞，相鄰熱電偶之間的距離為80mm，熱電偶的直徑為2.5mm，熱電偶插入孔的直徑為3mm。利用計(jì)算機(jī)DAM智能測(cè)控模塊進(jìn)行溫度的采集和存儲(chǔ)。圖2、圖3所示為單噴嘴、雙噴嘴的布置和試樣及測(cè)溫點(diǎn)布置。噴嘴選擇某廠實(shí)際生產(chǎn)中的水噴嘴（噴嘴型號(hào)為846.30.00）和氣水噴嘴（噴嘴型號(hào)為35.13.01）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同噴水壓力下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4～圖6中，橫坐標(biāo)為噴嘴前水壓力，縱坐標(biāo)為噴嘴沖擊點(diǎn)處的綜合傳熱系數(shù)。噴嘴距鑄坯距離為110mm。溫度是指鑄坯表面溫度。

圖4表明，水噴嘴的噴水壓力對(duì)綜合傳熱系數(shù)影響較小，因此，通過調(diào)節(jié)噴水壓力的方法改變?cè)擃愋蛧娮斓睦鋮s強(qiáng)度，效果不明顯。噴嘴水壓為0.3MPa時(shí)，綜合傳熱系數(shù)最小，為研究其原因，對(duì)水噴嘴進(jìn)行了冷態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，圖5所示為水噴嘴沖擊點(diǎn)處的水流密度與噴嘴水壓的關(guān)系。由圖5可看出，噴水壓力增大時(shí)，水流量增大，但是鑄坯沖擊點(diǎn)處的水流密度沒有單調(diào)增大，而是在噴水壓力為0.3MPa時(shí)出現(xiàn)減小，因此，此時(shí)綜合傳熱系數(shù)變小。

從圖6可看出，對(duì)于氣水噴嘴，隨著氣水噴嘴噴水壓力的增大，綜合傳熱系數(shù)增大，但是當(dāng)噴水壓力超過0.4MPa時(shí)，噴嘴噴水壓力的影響效果減弱；同時(shí)，鑄坯表面溫度對(duì)綜合傳熱系數(shù)的變化有較大影響，在高溫區(qū)，隨著噴嘴噴水壓力增大，綜合傳熱系數(shù)增加緩慢，在低溫區(qū)，隨著噴水壓力增大，綜合傳熱系數(shù)增加較快。

2.2 單雙噴嘴實(shí)驗(yàn)

單個(gè)噴嘴噴水進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)A－A、BB溫度與傳熱系數(shù)關(guān)系如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，不管是駐點(diǎn)傳熱系數(shù)，還是平均傳熱系數(shù)，雙噴嘴測(cè)點(diǎn)的傳熱系數(shù)均大于單噴嘴試驗(yàn)時(shí)的結(jié)果。這是因?yàn)樵趪娝畨毫鶠?.2MPa，噴水距離均為110mm，噴水水流密度相同的實(shí)驗(yàn)條件下，與單噴嘴試驗(yàn)相比，雙噴嘴試驗(yàn)時(shí)，噴水水流密度大，噴水強(qiáng)度大，換熱量大。因此，雙噴嘴實(shí)驗(yàn)條件下得到的傳熱系數(shù)也比同條件下單噴嘴實(shí)驗(yàn)下得到的傳熱系數(shù)大。

2.3 不同鋼種下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

實(shí)驗(yàn)條件：噴嘴型號(hào)為846.30.00，冷卻水的噴嘴前壓力為0.22MPa，冷卻水的流量qV＝0.82m3／h，噴嘴距測(cè)試鋼板的距離為170mm，噴水寬度為330mm。實(shí)驗(yàn)試樣鋼種分別為Stb32（1＃試樣）和45CrMnMo－A（2＃試樣）。不同鋼種試樣成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用的鋼種及成分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合了溫度和傳熱系數(shù)的關(guān)系式。水噴嘴冷卻時(shí)，鋼種對(duì)綜合傳熱系數(shù)影響較大。如圖9、圖10所示，不同鋼種試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，綜合傳熱系數(shù)和溫度之間的變化趨勢(shì)一致，但是，2＃鋼種的綜合傳熱系數(shù)的變化范圍更大。從鋼種的化學(xué)成分分析可知，由于2＃試樣含碳量比1＃試樣高，故1＃試樣更容易被氧化，從而阻礙了熱量的傳遞，因此，傳熱系數(shù)也相對(duì)小一些。

3 結(jié)論

（1）采用水噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著噴嘴噴水壓力的增大，綜合傳熱系數(shù)增大。采用氣水噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著噴水壓力的增加，綜合系數(shù)增大。實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，水噴嘴的冷卻強(qiáng)度大于氣水噴嘴的冷卻強(qiáng)度，然而氣水噴嘴能夠更加均勻地冷卻鋼坯。無論是水噴嘴還是氣水噴嘴，相同型號(hào)下，雙噴嘴的冷卻強(qiáng)度大于單噴嘴的冷卻強(qiáng)度。

（2）噴嘴對(duì)鋼坯的冷卻效果受鋼種的影響，但是鋼種的影響程度不大。鋼種的含碳量是影響噴嘴冷卻效果的主要因素。含碳量低，噴水過程中鋼坯容易被氧化，鋼坯表面形成的氧化層阻礙熱量傳遞，造成傳熱系數(shù)減小；反之，含碳量高，則傳熱系數(shù)較大。

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