李 陽，吳衛(wèi)利，程常桂，劉振宇，黃 濤

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金新工藝湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

連鑄二次冷卻是連鑄坯凝固傳熱的重要環(huán)節(jié)，常見的二次冷卻噴嘴包括水霧化噴嘴和氣水霧化噴嘴。寬板坯連鑄時(shí)，二冷區(qū)常選用霧化效果好、冷卻均勻、冷卻速率高的內(nèi)混式氣水霧化噴嘴[1]。研究表明，噴嘴噴出液滴沿鑄坯寬度方向的分布是影響鑄坯二冷區(qū)傳熱效果的重要因素之一，會(huì)直接影響到鑄坯表面溫度和最終的凝固組織[2]。若鑄坯表面水流密度分布不合理，則容易產(chǎn)生表面裂紋和角部裂紋等缺陷[3-4]。有研究者通過改變噴嘴類型和布置方式來優(yōu)化水流密度分布，板坯角部橫裂紋得到明顯改善[5-7]。

另一方面，隨著高效連鑄技術(shù)的迅速發(fā)展，其對(duì)二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度和冷卻均勻性提出了更高的要求[8-11]。為此，本課題組在前期研究中提出，在內(nèi)混式氣水霧化噴嘴的氣體通道內(nèi)增設(shè)加速環(huán)裝置，通過數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了該設(shè)置對(duì)噴嘴出口處液相速度和體積分?jǐn)?shù)分布的影響，結(jié)果顯示，該設(shè)置對(duì)于提升噴嘴出口處液相分布均勻性具有積極作用[12]，但目前關(guān)于冷卻條件對(duì)設(shè)置加速環(huán)后噴嘴水流密度分布的影響規(guī)律還尚不明確。鑒于此，本文借助水量分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了氣壓、水壓、噴淋高度和加速環(huán)設(shè)置對(duì)內(nèi)混式氣水霧化噴嘴水流密度分布的影響，以期為高效連鑄工藝中鑄坯冷卻效果的優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及方法

圖1為連鑄二冷區(qū)噴嘴水流密度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖，其主要包括：內(nèi)混式氣水霧化噴嘴(無加速環(huán)或有加速環(huán)，詳見圖2)、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、集水系統(tǒng)(一排透明的試管并排放置，可記錄噴射結(jié)束時(shí)不同位置試管收集的水量)等。該裝置可通過水閥門和氣閥門來控制水壓和氣壓，進(jìn)而改變進(jìn)水流量和進(jìn)氣流量，氣路和水路可調(diào)壓力范圍均為0～0.4 MPa，通過水壓表、氣壓表、水流量計(jì)和氣流量計(jì)直接讀數(shù)并記錄相應(yīng)的流量變化；用高速相機(jī)對(duì)射流進(jìn)行拍攝，記錄集水系統(tǒng)各試管的水量變化，分析單位時(shí)間內(nèi)鑄坯表面橫向水量分布情況。試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力p氣、進(jìn)水壓力p水以及噴嘴的噴淋高度，從而獲得不同工藝條件下噴嘴的水流密度分布。

圖1 水流密度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental platform for water flow density testing

(a)傳統(tǒng)噴嘴 (b)增設(shè)加速環(huán)的噴嘴圖2 兩種噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig.2 Schematic diagram of two nozzles

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)傳統(tǒng)噴嘴水流密度分布的影響

實(shí)際工況下，二冷噴嘴的噴淋高度大約在120～160 mm之間[4]，故本研究選噴淋高度為120、140、160、180 mm的情況進(jìn)行研究。圖3為氣壓和水壓一定時(shí)，傳統(tǒng)內(nèi)混式氣水霧化噴嘴在不同噴淋高度時(shí)橫向水流密度分布圖。由圖3可見，當(dāng)噴淋高度不同時(shí)，噴嘴的橫向水流密度分布趨勢(shì)較為一致，該噴嘴整體的噴淋水覆蓋范圍約為650 mm，故對(duì)于實(shí)際工況下的連鑄二冷區(qū)，沿鑄坯寬度方向應(yīng)設(shè)置多個(gè)噴嘴。由于噴淋高度為140 mm時(shí)，噴嘴水流密度分布比較均勻且水流密度峰值處于平均水平，故后續(xù)研究中，噴嘴噴淋高度均設(shè)置為140 mm。

(a)p氣=0.1 MPa，p水=0.1 MPa (b)p氣=0.2 MPa，p水=0.2 MPa圖3 不同噴淋高度傳統(tǒng)噴嘴的水流密度分布圖Fig.3 Water flow density distribution diagrams of traditional nozzle with different spray heights

圖4為不同氣壓和水壓下傳統(tǒng)內(nèi)混式氣水霧化噴嘴的橫向水流密度分布圖，相應(yīng)條件的進(jìn)氣流量和進(jìn)水流量值列于表1。結(jié)合圖4和表1可知，隨著進(jìn)水流量的增大，噴嘴水流密度的峰值增大，噴淋水覆蓋范圍變寬。當(dāng)氣壓為0.1 MPa、水壓為0.3 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)進(jìn)水流量為0.32 m3/h，噴嘴水流密度峰值最大。當(dāng)氣壓為0.3 MPa、水壓為0.3 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)進(jìn)水流量為0.09 m3/h，此時(shí)噴嘴水流密度峰值最小。

圖4 不同氣壓和水壓下傳統(tǒng)噴嘴的水流密度分布圖Fig.4 Water flow density distribution diagram of traditional nozzle under different pair and pwater

表1 不同氣壓和水壓下傳統(tǒng)噴嘴的進(jìn)氣流量和進(jìn)水流量Table 1 Water flow and air flow rates of traditional nozzle under different pair and pwater

氣壓為0.1MPa時(shí)，不同水壓條件下傳統(tǒng)內(nèi)混式氣水霧化噴嘴的水流密度分布和霧化角如圖5所示。結(jié)合圖5和表1可見，當(dāng)氣壓不變時(shí)，隨著水壓的增大,噴嘴進(jìn)水流量增大，水流密度呈增大的趨勢(shì)，射流霧化角也逐漸增大，噴淋水覆蓋范圍變寬，但水量分布均勻性相對(duì)變差。

水壓為0.3 MPa時(shí)，不同氣壓條件下傳統(tǒng)噴嘴的水流密度分布和霧化角如圖6所示。結(jié)合圖6和表1可知，在水壓不變的情況下，隨著氣壓的增大，噴嘴進(jìn)水流量變小，水流密度逐漸降低，水流密度曲線逐漸趨于平緩，這是因?yàn)檩^大的氣壓有阻止水流的作用；另一方面，射流霧化角隨著氣壓的增大逐漸減小，霧化面積也明顯降低，這與水量減小導(dǎo)致霧化液滴沒有完全充滿噴嘴出口扇形區(qū)域有關(guān)。對(duì)比圖5(b)和圖6(b)可知，傳統(tǒng)內(nèi)混式氣水霧化噴嘴只有在較小的p氣/p水時(shí)才能實(shí)現(xiàn)較大的霧化面積。

(a)水流密度分布 (b)霧化角圖5 不同水壓下傳統(tǒng)噴嘴的水流密度分布圖和霧化角(p氣=0.1 MPa)Fig.5 Water flow density distribution diagram and atomizing angles of traditional nozzle under different pwater

(a)水流密度分布 (b)霧化角圖6 不同氣壓下傳統(tǒng)噴嘴的水流密度分布圖和霧化角(p水=0.3 MPa)Fig.6 Water flow density distribution diagram and atomizing angles of traditional nozzle under different pair

2.2 工藝參數(shù)對(duì)帶加速環(huán)噴嘴水流密度分布的影響

圖7為不同氣壓和水壓下有加速環(huán)的內(nèi)混式氣水霧化噴嘴的橫向水流密度分布圖，相應(yīng)條件的進(jìn)氣流量和進(jìn)水流量列于表2中。結(jié)合圖7和表2可知，與傳統(tǒng)噴嘴相比，增設(shè)加速環(huán)后，相同氣壓和水壓條件下，噴嘴的進(jìn)水流量明顯增加，水流密度峰值明顯增大，噴淋水覆蓋范圍也略有增加(約為700 mm)。由此可見，增設(shè)加速環(huán)后，內(nèi)混式氣水零化噴嘴的冷卻能力和覆蓋范圍均有所提高。另一方面，噴嘴水流密度峰值依然隨著進(jìn)水流量的增大而呈增大的趨勢(shì)。氣壓為0.4 MPa、水壓為0.4 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)進(jìn)水流量為0.11 m3/h，此時(shí)噴嘴水流密度峰值最小。

表2 不同氣壓和水壓下有加速環(huán)噴嘴的進(jìn)水流量和進(jìn)氣流量Table 2 Water flow and air flow rates of nozzle with accelerating ring under different pair and pwater

圖7 不同氣壓和水壓下有加速環(huán)噴嘴的水流密度分布圖Fig.7 Water flow density distribution diagram of nozzle with accelerating ring under different pair and pwater

氣壓為0.1 MPa時(shí)，不同水壓條件下有加速環(huán)噴嘴的水流密度分布和霧化角如圖8所示，可以看出，在氣壓不變的情況下，隨著水壓的增大，噴嘴進(jìn)水流量增大，水流密度呈增大趨勢(shì)，射流的霧化角也有所增加。

水壓為0.3 MPa時(shí)，不同氣壓條件下有加速環(huán)噴嘴的水流密度分布和霧化角如圖9所示。由圖9可知，水壓不變時(shí)，隨著氣壓的增大，設(shè)有加速環(huán)噴嘴的水流密度逐漸減小，并且水流密度分布曲線逐漸趨于平緩，射流的霧化角也逐漸減小。

(a)水流密度分布 (b)霧化角圖8 不同水壓下有加速環(huán)噴嘴的水流密度分布圖和霧化角(p氣=0.1 MPa)Fig.8 Water flow density distribution diagram and atomizing angles of nozzle with accelerating ring under different pwater

(a)水流密度分布 (b)霧化角圖9 不同氣壓下有加速環(huán)噴嘴的水流密度分布圖和霧化角(p水=0.3 MPa)Fig.9 Water flow density distribution diagram and atomizing angles of nozzle with accelerating ring under different pair

3 討論

圖10為水壓為0.3 MPa時(shí)，兩種噴嘴進(jìn)水流量與進(jìn)氣壓力之間的關(guān)系。結(jié)合圖7、圖9和圖10可以看出，當(dāng)水壓一定時(shí)，兩種噴嘴的進(jìn)水流量均隨氣壓的增大而減小，而噴嘴水流密度分布曲線的峰值隨著進(jìn)水流量的增大而增加，故實(shí)際工況下，可以通過控制進(jìn)水壓力來調(diào)節(jié)噴嘴噴出液滴的水流密度。此外，在噴嘴氣路通道增設(shè)加速環(huán)后，相同氣壓和水壓條件下，改進(jìn)后噴嘴的進(jìn)水流量增大約一倍，水流密度也相應(yīng)增大。故可以推斷，在板坯高速連鑄工藝中，增設(shè)加速環(huán)的噴嘴能更好地滿足連鑄二冷區(qū)高冷卻強(qiáng)度的需求。

圖10 兩種噴嘴進(jìn)水流量與進(jìn)氣壓力的關(guān)系(p水=0.3 MPa)Fig.10 Relationship between water flow rate and air pressure of two nozzles

對(duì)比圖4和圖7可知，當(dāng)p氣/p水由1減至0.33，兩種噴嘴的水流密度峰值均逐漸增大，且有加速環(huán)噴嘴的水流密度峰值相對(duì)更大；當(dāng)p氣/p水=0.33時(shí)，兩種噴嘴的水流密度峰值最大，水量集中分布在噴嘴中心區(qū)域，水流密度分布均勻性相對(duì)較差，這是由于當(dāng)氣壓過低時(shí)，氣路發(fā)生了回水現(xiàn)象，進(jìn)氣流量減小，氣體對(duì)水柱的剪切作用力小，降低了對(duì)液滴的破碎和加速效果；當(dāng)p氣/p水=1時(shí)，兩種噴嘴的水流密度峰值較小，水流密度分布曲線平緩，水量分布較均勻，并且在氣壓和水壓較高時(shí)，對(duì)應(yīng)p氣和p水均為0.4 MPa，特別是設(shè)置加速環(huán)的噴嘴，其水流密度分布曲線最為平緩，水量分布最均勻，這是由于該工況下液滴破碎程度較高，噴嘴出口處液相速度相對(duì)較大，水量分布較為均勻，噴嘴霧化效果更好。

對(duì)比圖5(b)和圖8(b)可知，氣壓為0.1 MPa時(shí)，兩種噴嘴的霧化角均隨著水壓的增大而增大，而增設(shè)加速環(huán)噴嘴的霧化角變化相對(duì)較小。另外，當(dāng)水壓過大時(shí)，傳統(tǒng)噴嘴的噴頭處存在液體飛濺現(xiàn)象，而增設(shè)加速環(huán)的噴嘴無論在高壓或是低壓工況下均無此類現(xiàn)象。對(duì)比圖6(b)和圖9(b)可知，水壓為0.3 MPa時(shí)，兩種噴嘴的射流霧化角均隨氣壓的升高而減小，并且設(shè)置加速環(huán)噴嘴的射流霧化角變化相對(duì)較小。由此可見，無論p氣/p水的大小，有加速環(huán)噴嘴霧化射流的霧化角波動(dòng)不大，射流較穩(wěn)定，能有效保證鑄坯的霧化面積。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于二冷區(qū)內(nèi)混式氣水霧化噴嘴而言，相同噴淋高度下，隨著p氣/p水由1減至0.33，噴嘴水流密度峰值均逐漸變大;當(dāng)p氣/p水為0.33時(shí)，噴嘴水流密度峰值最大，水量集中于噴嘴中心區(qū)域，水流密度分布均勻性較差；當(dāng)p氣/p水=1時(shí)，噴嘴的水流密度峰值較小，水流密度分布曲線平緩，水量分布最為均勻。因此，實(shí)際連鑄工況下，噴嘴應(yīng)設(shè)置合適的p氣/p水。

(2)相同噴淋高度下，當(dāng)氣壓為0.1 MPa時(shí)，傳統(tǒng)噴嘴和增設(shè)加速環(huán)后噴嘴的射流霧化角均隨著水壓的增大而增大；當(dāng)水壓為0.3 MPa時(shí)，兩種噴嘴的射流霧化角均隨著氣壓的增大而減小。

(3)相同工況下，與傳統(tǒng)內(nèi)混式氣水霧化噴嘴相比，增設(shè)加速環(huán)后噴嘴的進(jìn)水流量增大了約一倍，噴嘴的水流密度峰值明顯增加，噴淋水覆蓋范圍更大。當(dāng)改變氣壓或水壓時(shí)，增設(shè)加速環(huán)后噴嘴的射流霧化角波動(dòng)不大，較為穩(wěn)定，能有效保證鑄坯的霧化面積。因此，在板坯高速連鑄工藝中，增設(shè)加速環(huán)的噴嘴能更好地滿足更高的二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度的需求。