D0I:10.13374/i.issn1001053x.1985.03.013 北京钢铁学院学报 1985年第3期 连铸二冷区喷嘴冷态特性的实验研究 炼钢教研室茶开科张克强袁伟霞·李景元· 摘 要 本文对连铸二冷区使用的不同结构喷嘴的冷态特性进行了实验研究。测定了 不同喷水条件下喷嘴的水流密度分布，喷射张角及水滴粒径，讨论了喷水条件对 喷嘴冷态特性的影响。 一、前 言 钢水在结晶器内冷却形成带有液心的坯壳后，进入二冷区，接受喷水冷却。铸坯在二 冷区冷却的基本要求是： 1)加速铸坯的传热，使铸坯进入拉矫机前全部凝固， 2)铸坯表面冷却均匀，表面温度的回升尽可能小， 8)在矫直时铸坯表面温度以不低于900℃为宜。 上述要求，直接影响连铸机产量和铸坯质量。在其他工艺条件一定的情况下，它主要 受二冷区喷水冷却传热的限制，而铸坯在二冷区的传热主要决定于喷雾水滴与高温铸坯之 间的传热状态。二冷区的传热能力可由热流强度来衡量： 中=h(Tg-Tw) 式中：h-一传热系数，kcal/m2·hr、℃； 中--热流强度，kcal/m2·hr; T。一铸坯表面温度，℃： Tm一冷却水温度，℃。 传热系数在一定程度上反映了传热能力的大小。影响传热系数的因素很多，可归纳 为喷嘴冷态特性（如水流密度分布、喷射张角、水滴雾化等），喷水参数（如喷水压力和距 离)和铸坯的热物性（如钢种的导热系数、表面温度和表面状态等）。在连铸工艺条件一定 的情况下，改善喷嘴冷态特性是提高二冷区传热效率的有效措施。 理想的喷嘴冷态特性应该是： 1)合适的水流密度分布；2)合适的喷射张角和复盖面积：8)良好的水滴雾化状 态；4)足够的水滴速度。 由于现场设备及影响因素的复杂性，对喷嘴性能的测定均在实验室进行。本文对连铸 机上常用的扁平喷嘴和锥形喷嘴的冷态特性进行了实验室测定，确定了不同结构喷嘴的冷 ·钢铁怡金度亚84唐伟业生 1
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 连铸二冷区喷嘴冷态特性的实验研究 炼 钢教研 室 蔡开 科 张 克 强 哀伟 霞 李景 元 摘 要 本文 对 连 铸 二冷 区使 用 的 不 同结 构 喷嘴 的 冷 态特性 进 行 了实验研 究 。 浏 定 了 不 同喷水 条件下 喷嘴 的水 流 密度 分布 ， 喷射 张 角及水 滴拉径 ， 讨论 了喷水 条件对 喷嘴冷 态特性 的 影响 。 前 之一 口 钢水在结晶器内冷却形成带有液心的坯 壳后 ， 进入二冷 区 ， 接受喷水 冷却 。 铸坯在二 冷区冷却的基本要求是 加速铸坯的传热 ， 使铸坯进人拉矫机前全部凝 固 铸坯表面冷却均匀 ， 表面温度的回 升尽可能小 在矫直 时铸坯表面温度以不低于 ℃为宜 。 上述要求 ， 直接影响连铸机产量和铸坯质量 。 在其他工艺条件一 定的情况下 ， 它 主要 受二冷区喷水冷却传热的限制 ， 而铸坯在二冷区的传热主要决定 于喷雾水滴与高温铸坯 之 间的传热状 态 。 二冷区的传热能力可由热流强度来衡量 毋 五 一 二 式中 一传热 系数 ， ， · 、 ℃， 小一 热流强度 ， ’ · 。 — 铸坯表面温度 ， ℃ ， — 冷却水温度 ， ℃ 。 传热系数 在一定程度上反映了传热能 力的大小 。 影 响传热系数的 因素很 多 ， 可 归 纳 为喷嘴冷态特性 如水 流密度分布 、 喷射张 角 、 水 滴雾化等 ，喷水 参 数 如喷水压 力和距 离 和铸坯的热物性 如钢种的导热系数 、 表面温度和表 面状态等 。 在连铸工 艺条件一定 的情况下 ， 改善喷嘴冷态特性是提高二 冷区传热效率的 有效措施 。 理想的喷嘴冷态特性应该是 合适的水流密度分布 合适 的喷射张 角和复盖面 积 良好 的水滴雾 化状 态， 足够的水滴速度 。 由于现场设备及影响因素的复杂性 ， 对喷嘴性能的测定均在实验室进行 。 本文对连铸 多上常用 的扁平喷嘴和锥形喷嘴的冷态特性进行 了实验室 测定 ， 确定 了不 同结构喷嘴的冷 二赢瘾荟如厕面雨亚 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1985．03．013
态特性和喷水条件对它的影响。 二、试验方法 采州集水瓶法测定喷嘴在不同喷水条件下的水流密度分布(1)。测定装置如图1所示。 它由水泵、喷水管道和集水瓶等三部分组成。水泵将水箱内的水抽至管道中，从喷嘴中喷 出，被正前方等距离排布的集水管接收，流入集水瓶内。由压力表和水表记录喷水压力和 水量，根据喷水时间、集水瓶中水量和水管直径以决定水流密度。 喷射张角定义为最大水流喷射半径与喷嘴中心的连线所构成的张角。 水滴直径的测定是在喷嘴前方加了两块带狭缝的闸板和一块涂有MgO白色粉术的玻 璃片，其-一块闸板可动，当它落下的瞬间，有少量的水滴穿过闸板打在玻璃片上，呈现山 水滴粒度状况（如图2）。然后在体视显微镜下测量这些水滴直径大小。 Im m 图1、测试装置示意图 图2水滴粒度尺寸 三、试验结果和讨论 1、水流密度分布 (1)扁平喷嘴： 这种喷嘴安装在结晶器下面的足锟段，水 量较大，具有较强的冷却能力，能迅速增加还 光厚度和坯党强度，防止漏钢事故的发生。图 3表了喷嘴出川水雾滴形貌。图4表示水流 密度的分布。山图可得出： (①扁平喷嘴的喷出水雾形貌为扇形，喷射 面为带状或椭圆形， ②水流密度分布呈单峰型，中闻大两边 小 图3扁平喷嘴水雾形貌 2
态特性和喷水条件对 它 的 影响 。 二 、 试验方法 采用集水瓶法测定 喷嘴在不同喷水 条件下的水流密度分布〔 测定装置如图 所示 。 ，已由水泵 、 喷水管道 和集水瓶等三部分组成 。 水泵将水 箱 内的水抽至管道 中 ， 从喷嘴 中喷 出 ， 被 正前方等距离排布的集水管接收 ， 流 八集水瓶 内 。 由压 力表和水表记录喷水压 力 和 水 量 ， 根据喷水 时 间 、 集 水瓶中水 量 和水管直径 以决定水流 密度 。 喷射张 角定义 为最大水流喷射半径与喷嘴 中心的连线 所构成的张 角 。 水 滴直径 的测定是在喷嘴前方加 了两块带 狭缝的闸板和一块涂有 自色粉 末 、勺坡 璃 片 ， 其 ， ‘一 块 闸板 可动 ， 当它 落 下的瞬 间 ， 有少量 的水滴 穿过 闸板 打在 玻 璃 片上 ， 呈现 出 水滴 粒度状况 如 图 。 然后在体视显微镜 下测 量这 些水滴直径大小 。 黝罐龚热萝蒸 翼 黔 纂臻攫腿豁 巍戴 图 、 试装置示意 图 图 水滴粒度尺寸 三 、 试 验结果和讨论 、 水流 密度分布 扁平喷嘴 这种 喷嘴安装在结 晶器 下 面的足 辊段 ， 水 量较大 ， 具 有较强 的 冷却 能力 ， 能迅 速增加 坯 壳厚度和 环 壳强度 ， 防止漏钢事 故的发生 。 图 表 示 了喷 ’嘴 以卜水雾 滴 形貌 。 图 表示水 流 密度的分布 。 山图可 得出 ①扁平喷嘴的喷 出水雾形貌为扇形 ， 喷射 面为 带状或椭 圆形 ②水流密度分布呈单峰 型 ， 中 间 大 两 边 、 ， 图 扁平喷嘴水雾 形 貌
③在喷射距离一定时，喷水压力增大，水密度增大，且分布的均匀性变差： ④在压力一定时，喷水距离增火，水流密度减小且分布趋于均匀； ⑤压力增大时喷水流量增大。当压力P=2、4、6kg/cm2,喷嘴水流量分别为6、 8、10l/min. n 120 120 00 100 80 80 .4 9G 96 180 189G 水雾直径，中m 水雾直径，mm h一70mm,P:·6 kgjcm P=6kg/emt,h:·70mm, ▲4Kg/CmX2kg/cm ▲90mm,X130mm, 图4扁平喷嘴水流密度分布 (2)锥形实心喷嘴 这种喷嘴安装在二冷区。一般用于低炭 钢或对裂纹不敏感的钢种。喷咀出口水雾形 貌和水流密度分布如图5、6。水流分布特点： ①水雾形貌为实心圆锥体，水流喷射面 为圆形； ②水流密度分布为单蜂型； ③喷水压力和距离对水流密度分布的影 响与扁平喷嘴相似； ④压力增大时喷嘴水流量增大，如P= 2、4、6kg/cm2时，流量分别为4、5、6 图6 锥形喷嘴水雾形貌 /min,但水量明显比扁平喷嘴要小。 (3)锥形空心喷嘴 这种喷嘴安装在二冷段上。一般用于对裂纹敏感性强的钢种的冷却（如高炭钢、不锈 钢)，从水流密度分布来看，还可分为空心喷嘴和半实心喷嘴。它们的特点为： ①水雾形貌为圆锥形，水流喷射面为圆新， ②水流密度分布呈对称双峰型，中心几乎无水（图T),或者中心有少量的水（图8）， 外围为水流密度高的水雾层影 4 ③压力一一定时，喷水距离减小，水流密度增大，相应的空心区域面积减小
③在喷射距 离一 定时 ， 喷水压 力 增大 ， 水遐密度增大 ， 且分布的均 匀性变差 ④在压 力一定时 ， 喷水距离 增大 ， 水 流 密度减刁 ⑤压 力增大时喷水流量 增大 。 当压 力 “ 、 、 、 、 且分布趋于均 匀 “ ， 喷嘴水 流 量 分 别 为 、 、 ‘龟、‘ 尸尸引︺甘山﹄户 。 厂丈八脚广 。 。 工、已 莎 吕 口 二 洲 水雾直径 ， 爪 ， ▲ 二 ， · 。 位 水雾直径 ， 也 名 ， ， ， ， ▲ ， 火 ， 飞一 。 图 扁平喷嘴水流密度分布 锥形实心喷嘴 这种喷嘴安装在二冷 区 。 一 般用于低炭 钢 或对裂纹 不 敏感的钢 种 。 喷咀 出 口水雾形 貌和水流密度分 布如 图 、 。 水流分布特点 ①水 雾 形 貌 为实心 圆锥 体 ， 水流喷射面 为圆形， ② 水 流密度分布 为 单峰型， ③喷水 压 力和距 离对水 流密度分布的 影 响与扁 平喷嘴相 似 ④压力 增大 时喷 嘴水 流量 增大 ， 如 、 ， “ 时 ， 流量 分 别 为 、 、 ， 但水量 明显 比扁平喷嘴要 小 。 锥形空心 喷嘴 图 弓 锥形 喷嘴水雾形 貌 这种喷嘴安装在二 冷段上 。 一般 用于对裂纹 敏感性强 的钢 种的 冷却 如 高炭钢 、 不锈 钢 ， 从水 流密度分 布 来看 ， 还可分为空心喷嘴和半实心喷嘴 。 它 们 的特 点为 ①水雾形 貌 为 圆锥形 ， 水流喷射面为 圆环， ②水 流密度分布呈对称双峰型 ， 中心 几乎 无水 又图 ， 或者 中心有 少量 的水 图 ， 外围为水 流 密度 高的水 雾 层 ③压 力一定时 ， 喷水 距 离减 小 ， 水 流密度 增大 ， 相应的空 心 区域面积减 小
48 96 1 96 48 0 嘴直径，mm 喷雾直径，mm P=2kg/cm2,h:▲70mm, h=110mmP:▲6kg/cm2 ·90mm,X110mm ·4kg/cm2X2kg/cm1 图6锥形喷嘴水流密度分布 ④距离一定时，喷水压力增大，水诡密度增大，相应的空心区域面积增大， ⑤喷水压力增加，喷嘴水流量增大。对空心锥形喷嘴，当压力P=2、4、6kg/cm2时， 水量Q=3、4、61/mi。水量比实心锥形喷嘴小得多，这是属于弱冷型喷嘴。 20 048 贤射直径，mn ●-·6kg/cm.盒-a2g/cm 注：喷射直径应为水雾直径 图7空心锥形喷嘴水雾形貌与水流密度分布 4
已 劝 二 喷嘴直径 ， 才 。 ， ， 喷雾直径 ， ▲ ， · 口 ， 义 一 ， ▲ ‘ 盆 · 义 ， 图 锥形喷嘴水流密度分布 ④距 离一 定时 ， 喷水压 力增大 ， 水流密度增大 ， 相应的空心 区域面积增大 ， ⑤喷水压 力增加 ， 喷嘴水流量 增大 。 对空心锥形喷嘴 ， 当压 力 、 、 时 ， 水量 二 、 、 。 水量 比实心锥形喷嘴小 得 多 ， 这是属于 弱冷型喷嘴 。 八 洲一八川阵旧叭 切初超毖脆关任 ‘贫闷寸直径 ， 。 。 一 。 ’ · ，， ▲一 去州 盯 注 喷射宜径应 为水雾直径 图 空心锥形喷嘴水雾形 貌 与水流密度分布
30 20 96 4804896 喷射半径，mm 3-·6kg/cm2 X一X2kg/cm± 图8半实心维形喷嘴水雾形貌与水流密度分布 2、喷射张角与复盖面积 喷嘴喷射出来的水流喷射张角主要决定于喷嘴结构。测定的三种类型喷嘴的喷射张角 如表1所示。由表1可见，喷水压力对喷射张角彩响不大。 表1 不同压力下喷嘴的喷射角（度） 压力kg/cm 一喷嘴形式 2 4 6 扁平喷嘴 101 105.7 185.9 锥形实心 64.5 65.2 65.5 锥形空心 59.5 62.8 67.5 对于一定的喷嘴，主要是通过改变喷射距 离来改变水滴的复盖面积（图9），从而达到 铸坏表面较好的水雾复盖*。 100 Gkg/cm x-x 4kg/cm 3、水滴粒径 ▲d?kg/c1 水滴粒径是雾化程度的标志。水滴粒径越 小，水滴个数就越多，雾化就越好，有利于铸 0 坯冷却的均匀。由实验测得的锥形喷嘴中心水 滴直径（图2），按下式计算： 水滴算术平均直径dms: 0 1001.i0 200 nd, 欧码，排 dms = icl 图9喷射距离与复盖面积的关系 ∑n: ic 5
。 、︸洲书璐资日 喷射半径 ， 矛一 又一又 “ 。 ， 图 半实心锥形 喷嘴水雾形貌 与水流密度分布 、 喷射张 角与 复盖面积 喷嘴喷射 出来的水流喷射张角主要决定于喷嘴结构 。 测定的三种类型喷嘴的喷射张 角 如表 所示 。 由表 可 见 ， 喷水压 力对喷射张角影响不大 。 表 不 同 压 力 下 喷 嘴 的 喷 射 角 度 一 一一 一 一 一 一 一 一一一 一 玉碗扩塑坚 一 扁 平 喷 嘴 锥 形 实 心 锥 形 空 心 。 。 。 月工 」眨内匕几 山任甘，盆 对于一定 的喷嘴 ， 主要 是通过改 变喷射距 离来改变水滴 的复盖面积 图 ， 从而 达 到 铸 坏表面较好的水雾 复盖 率 。 、 水滴粒径 水 滴粒径是雾 化程度的标志 。 水 滴粒径 越 小 ， 水 滴个数就越 多 ， 雾 化就越好 ， 有利 于铸 坯冷却的 均 匀 。 由实验测得的锥形喷嘴中心水 滴直径 图 ， 按下式计算 水 滴算术平均直径 ， 。一 。 。 飞 侣 城一书 口 。 盛尸 ‘ 山 介 ， 叭 湘礴恻阿 盛 班经 万 叮季绝于 之弓 图 喷射距离与复盖面积的关系 刃