工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 韩延中张江山邹雷雷曾凡政管敏刘青 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet HAN Yan-shen,ZHANG Jiang-shan,ZOU Lei-lei,ZENG Fan-zheng.GUAN Min,LIU Qing 引用本文： 韩延申，张江山，邹雷雷，曾凡政，管敏，刘青.喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响.工程科学学报，2020,42(6)： 739-746.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.12.26.001 HAN Yan-shen,ZHANG Jiang-shan,ZOU Lei-lei,ZENG Fan-zheng.GUAN Min,LIU Qing.Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(6):739-746.doi: 10.13374-issn2095-9389.2019.12.26.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.12.26.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 小方坯齿轮钢连铸过程中的宏观偏析模拟 Simulation of the Macrosegregation in the Gear Steel Billet Continuous Casting Process 工程科学学报.优先发表https:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.02.27.001 基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法 Calculation of continuous casting billet solidification based on element-free Galerkin method 工程科学学报.2020,42(2：186 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.02.001 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 Melt flow and heat transfer at the crater end of round billet continuous casting using final electromagnetic stirring 工程科学学报.2019,41(6：748 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.006 Q420C角钢铸坯凝固传热分析及AIN析出控制 Analysis of billet solidification heat transfer and AIN precipitation on Q420C angle steel 工程科学学报.2017,3911：1661htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.11.008 ND钢连铸坯两相区内的微观偏析模型 A microsegregation model in the two-phase region of an ND steel continuous casting billet 工程科学学报.2019,41(4)：461hps:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.04.006 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报.2019,41(2：199 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.006
喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 韩延申 张江山 邹雷雷 曾凡政 管敏 刘青 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet HAN Yan-shen, ZHANG Jiang-shan, ZOU Lei-lei, ZENG Fan-zheng, GUAN Min, LIU Qing 引用本文: 韩延申, 张江山, 邹雷雷, 曾凡政, 管敏, 刘青. 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(6): 739-746. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001 HAN Yan-shen, ZHANG Jiang-shan, ZOU Lei-lei, ZENG Fan-zheng, GUAN Min, LIU Qing. Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(6): 739-746. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 小方坯齿轮钢连铸过程中的宏观偏析模拟 Simulation of the Macrosegregation in the Gear Steel Billet Continuous Casting Process 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.001 基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法 Calculation of continuous casting billet solidification based on element-free Galerkin method 工程科学学报. 2020, 42(2): 186 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.02.001 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 Melt flow and heat transfer at the crater end of round billet continuous casting using final electromagnetic stirring 工程科学学报. 2019, 41(6): 748 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.006 Q420C角钢铸坯凝固传热分析及AlN析出控制 Analysis of billet solidification & heat transfer and AlN precipitation on Q420C angle steel 工程科学学报. 2017, 39(11): 1661 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.008 ND钢连铸坯两相区内的微观偏析模型 A microsegregation model in the two-phase region of an ND steel continuous casting billet 工程科学学报. 2019, 41(4): 461 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.006 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(2): 199 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.006
工程科学学报.第42卷，第6期：739-746.2020年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.6:739-746,June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001;http://cje.ustb.edu.cn 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 韩延申”，张江山，邹雷雷，曾凡政)，管敏)，刘青)四 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湘潭4111013)江苏博际喷雾系统有限 公司.扬州225267 ☒通信作者，E-mai:qliu@ustb.edu.cn 摘要研究了不同喷淋距离下连铸小方坯二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型分析了82B钢连铸坯的热行为.该模 型特别考虑了二冷区铸坯表面宽度方向的水流密度分布，并根据铸坯表面测温结果进行了模型校正.采用凝固传热模型研 究了喷嘴喷淋距离对连铸二冷均匀性的影响.结果表明：喷嘴喷淋距离的增加有助于提高二冷水横向分布的均匀性，导致铸 坯表面温度横向均匀性降低、纵向均匀性提高.这些效果有助于改善铸坯内部裂纹，但是会对角部裂纹产生不利影响.在二 冷区前段喷嘴采用低喷淋距离，二冷区末段采用高喷淋距离，既可以提高铸坯角部温度，又能降低表面最大回温速率，有助于 同时改善连铸坯角部和内部裂纹.在此基础上，提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式，即二冷区每段喷嘴喷淋距离沿拉 坯方向逐渐增加，该方法有助于提高连铸坯“纵-横”冷却均匀性. 关键词连铸小方坯：喷嘴喷淋距离：水量分布：凝固传热：二冷均匀性 分类号TF777.3 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet HAN Yan-shen,ZHANG Jiang-shan.ZOU Lei-lei,ZENG Fan-zheng.GUAN Min,LIU Qing 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Xiangtan Iron Steel Co.,Ltd.of Hunan Valin.,Xiangtan 411101,China 3)Jiangsu Boji Spraying Systems Co.,Ltd.,Yangzhou 225267,China Corresponding author,E-mail:qliu @ustb.edu.cn ABSTRACT In the secondary cooling zone of continuous casting,the cooling uniformity of the billet largely depends on water flux distribution and is closely related to crack formation.Nozzle spray distance is the main influencing factor of water flux distribution in continuous casting billet.Therefore,the investigation of the effect of nozzle spray distance on secondary cooling uniformity is of considerable importance in the design and optimization of the secondary cooling system of the billet.In the present study,the water flux distributions of the nozzles used in the secondary cooling zone of continuous casting of the billet were measured under different spray distances.A heat transfer and solidification model was established to analyze the thermal behavior of 82B steel billet.The model specifically considered the distribution of secondary cooling water along the transverse direction and was calibrated via comparing the measured and simulated surface temperatures.The effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of the billet was investigated using the model.Results show that the increase in nozzle spray distance helps to improve the uniformity of secondary cooling water along the transverse direction,resulting in the decreased transverse uniformity and increased longitudinal uniformity of surface temperature.These effects are beneficial for the internal cracks but harmful for the corner cracks of the billet.Increasing the 收稿日期：2019-12-26 基金项目：江苏省双创人才资助项目(2016A426)
喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 韩延申1)，张江山1)，邹雷雷1)，曾凡政2)，管 敏3)，刘 青1) 苣 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湘潭 411101 3) 江苏博际喷雾系统有限 公司，扬州 225267 苣通信作者，E-mail: qliu@ustb.edu.cn 摘 要 研究了不同喷淋距离下连铸小方坯二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型分析了 82B 钢连铸坯的热行为. 该模 型特别考虑了二冷区铸坯表面宽度方向的水流密度分布，并根据铸坯表面测温结果进行了模型校正. 采用凝固传热模型研 究了喷嘴喷淋距离对连铸二冷均匀性的影响. 结果表明：喷嘴喷淋距离的增加有助于提高二冷水横向分布的均匀性，导致铸 坯表面温度横向均匀性降低、纵向均匀性提高. 这些效果有助于改善铸坯内部裂纹，但是会对角部裂纹产生不利影响. 在二 冷区前段喷嘴采用低喷淋距离，二冷区末段采用高喷淋距离，既可以提高铸坯角部温度，又能降低表面最大回温速率，有助于 同时改善连铸坯角部和内部裂纹. 在此基础上，提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式，即二冷区每段喷嘴喷淋距离沿拉 坯方向逐渐增加，该方法有助于提高连铸坯“纵‒横”冷却均匀性. 关键词 连铸小方坯；喷嘴喷淋距离；水量分布；凝固传热；二冷均匀性 分类号 TF777.3 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet HAN Yan-shen1) ，ZHANG Jiang-shan1) ，ZOU Lei-lei1) ，ZENG Fan-zheng2) ，GUAN Min3) ，LIU Qing1) 苣 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Xiangtan Iron & Steel Co., Ltd. of Hunan Valin., Xiangtan 411101, China 3) Jiangsu Boji Spraying Systems Co., Ltd., Yangzhou 225267, China 苣 Corresponding author, E-mail: qliu@ustb.edu.cn ABSTRACT In the secondary cooling zone of continuous casting, the cooling uniformity of the billet largely depends on water flux distribution and is closely related to crack formation. Nozzle spray distance is the main influencing factor of water flux distribution in continuous casting billet. Therefore, the investigation of the effect of nozzle spray distance on secondary cooling uniformity is of considerable importance in the design and optimization of the secondary cooling system of the billet. In the present study, the water flux distributions of the nozzles used in the secondary cooling zone of continuous casting of the billet were measured under different spray distances. A heat transfer and solidification model was established to analyze the thermal behavior of 82B steel billet. The model specifically considered the distribution of secondary cooling water along the transverse direction and was calibrated via comparing the measured and simulated surface temperatures. The effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of the billet was investigated using the model. Results show that the increase in nozzle spray distance helps to improve the uniformity of secondary cooling water along the transverse direction, resulting in the decreased transverse uniformity and increased longitudinal uniformity of surface temperature. These effects are beneficial for the internal cracks but harmful for the corner cracks of the billet. Increasing the 收稿日期: 2019−12−26 基金项目: 江苏省双创人才资助项目 (2016A426) 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期：739−746，2020 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 6: 739−746, June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001; http://cje.ustb.edu.cn
·740 工程科学学报，第42卷，第6期 nozzle spray distance in the first segment of the secondary cooling zone and decreasing the nozzle spray distance in the second segment of the secondary cooling zone can decrease the maximum reheating rate and increase the corner temperature,thereby achieving the purpose of simultaneously improving the internal and corner cracks of the billet.On this basis,a nozzle arrangement method,i.e., gradually increasing the nozzle spray distance along the casting direction of each segment in the secondary cooling zone was proposed. This method contributes to the improvement of "longitudinal-transverse"cooling uniformity of the continuous casting billet. KEY WORDS continuous casting billet;nozzle spray distance;water flux distribution;heat transfer and solidification;secondary cooling uniformity 在连铸过程中，铸坯的凝固冷却依次在结品 却均匀性 器、二冷区和空冷区实现.由于结晶器和空冷区 1连铸机参数和喷淋水分布测试 冷却条件相对稳定，二冷区是调控铸坯冷却的关 键区域.在二冷区，喷嘴喷水是冷却铸坯的主要方 1.1连铸机参数 式，由于喷嘴的水量分布不均匀，且受坯型影响， 本文研究的连铸机为直弧形连铸机.此连铸 铸坯凝固冷却本身是不均匀的-)，不均匀的冷却 机有4流，弧半径为8m,生产铸坯的断面尺寸主 容易导致表面和内部裂纹的产生).因此，提高二 要为150mm×150mm.图1所示为连铸机示意图. 冷均匀性是改善连铸坯质量的重要手段 为提高铸坯内部质量，该连铸机装配有结晶器电 连铸坯二冷均匀性的提高主要有以下措施： 磁搅拌(M-EMS).电磁搅拌可以产生旋转磁场并 优化二冷区长度、水量及分配习，调整二冷喷嘴 采用连续搅拌模式.在足辊区、二冷区一段和二 布置方式0其中，优化二冷区长度、水量及分 冷区二段，采用3种类型的水喷嘴对铸坯进行冷 配主要用于提高铸坯沿拉坯方向（纵向）的冷却均 却，分别为喷嘴A、喷嘴B和喷嘴C,这3种喷嘴 匀性，且相关研究较多.Dou等m确定了合适的二 都为锥形喷嘴.足辊区沿铸坯宽度方向布置有两 冷强度来控制铸坯内部质量；Fan等通过适当增 个喷嘴，二冷区沿铸坯宽度方向布置有一个喷嘴 加二冷区长度来降低铸坯表面回温：Ma等9优化 不同冷却区喷嘴的喷淋距离都为125mm. 了二冷水分配来提高铸坯质量.调整喷嘴布置方 式主要用于提高铸坯沿宽度方向（横向）的冷却均 M-EMS Mold,0.87 m 匀性，该方法大多用于连铸板坯.Long等2-优 Foot-roller zone,0.20 m Nozzle A ×4 化了二冷喷嘴布置方式，用以改善板坯表面温度 Secondary cooling zone : Nozzle B 横向均匀性和液芯形状.占贤辉等6从喷嘴喷射 first segment,1.76 m ×2 角度、安装高度、喷嘴间距等方面对特厚板坯喷 Secondary cooling zone, Nozzle C second segment,2.30 m ×12 嘴选型和布置进行了分析，并提出了弱化边部冷 却、均匀化水流密度的策略 Air-cooling zone 125mm 对于连铸小方坯，由于断面尺寸较小，铸坯宽 度方向上大多只布置有一个喷嘴.在以往的研究 8m adiu 中，通常假设二冷水横向均匀分布7-20因此，很 少有研究涉及喷嘴布置方式对铸坯二冷均匀性的 影响.喷淋距离是小方坯二冷喷嘴布置的主要参 数，调整喷淋距离会改变二冷区铸坯表面横向水 图1连铸机示意图 量分布，从而影响连铸坯的凝固冷却过程.探究喷 Fig.I Schematic of the continuous caster 嘴喷淋距离对二冷均匀性的影响，对于小方坯二 1.2 喷淋水分布测试 冷系统的设计及优化具有重要指导作用 采用USTB-BOI连铸喷淋测试设备对喷嘴的 针对小方坯连铸机，本文测量了不同喷淋距 水量分布进行测试.图2所示为该设备的示意图 离下二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型 设备主要包含有4部分，水源-气源装置、水-气调 分析了喷嘴喷淋距离对82B钢连铸坯二冷均匀性 节装置、综合机械平台和电气控制柜.其中，综合 的影响.基于喷嘴喷淋距离，提出了一种连铸小方 机械平台用于喷嘴的安装及性能测量，水源-气源 坯二冷喷嘴布置方式，用于提高连铸坯“纵-横”冷 装置能够提供足够的水压和气压，水-气调节装置
nozzle spray distance in the first segment of the secondary cooling zone and decreasing the nozzle spray distance in the second segment of the secondary cooling zone can decrease the maximum reheating rate and increase the corner temperature, thereby achieving the purpose of simultaneously improving the internal and corner cracks of the billet. On this basis, a nozzle arrangement method, i.e., gradually increasing the nozzle spray distance along the casting direction of each segment in the secondary cooling zone was proposed. This method contributes to the improvement of “longitudinal–transverse” cooling uniformity of the continuous casting billet. KEY WORDS continuous casting billet； nozzle spray distance； water flux distribution； heat transfer and solidification； secondary cooling uniformity 在连铸过程中，铸坯的凝固冷却依次在结晶 器、二冷区和空冷区实现. 由于结晶器和空冷区 冷却条件相对稳定，二冷区是调控铸坯冷却的关 键区域. 在二冷区，喷嘴喷水是冷却铸坯的主要方 式. 由于喷嘴的水量分布不均匀，且受坯型影响， 铸坯凝固冷却本身是不均匀的[1−2] ，不均匀的冷却 容易导致表面和内部裂纹的产生[3] . 因此，提高二 冷均匀性是改善连铸坯质量的重要手段. 连铸坯二冷均匀性的提高主要有以下措施： 优化二冷区长度、水量及分配[4−9] ，调整二冷喷嘴 布置方式[10−16] . 其中，优化二冷区长度、水量及分 配主要用于提高铸坯沿拉坯方向（纵向）的冷却均 匀性，且相关研究较多. Dou 等[7] 确定了合适的二 冷强度来控制铸坯内部质量；Fan 等[8] 通过适当增 加二冷区长度来降低铸坯表面回温；Ma 等[9] 优化 了二冷水分配来提高铸坯质量. 调整喷嘴布置方 式主要用于提高铸坯沿宽度方向（横向）的冷却均 匀性，该方法大多用于连铸板坯. Long 等[12−13] 优 化了二冷喷嘴布置方式，用以改善板坯表面温度 横向均匀性和液芯形状. 占贤辉等[16] 从喷嘴喷射 角度、安装高度、喷嘴间距等方面对特厚板坯喷 嘴选型和布置进行了分析，并提出了弱化边部冷 却、均匀化水流密度的策略. 对于连铸小方坯，由于断面尺寸较小，铸坯宽 度方向上大多只布置有一个喷嘴. 在以往的研究 中，通常假设二冷水横向均匀分布[17−20] . 因此，很 少有研究涉及喷嘴布置方式对铸坯二冷均匀性的 影响. 喷淋距离是小方坯二冷喷嘴布置的主要参 数，调整喷淋距离会改变二冷区铸坯表面横向水 量分布，从而影响连铸坯的凝固冷却过程. 探究喷 嘴喷淋距离对二冷均匀性的影响，对于小方坯二 冷系统的设计及优化具有重要指导作用. 针对小方坯连铸机，本文测量了不同喷淋距 离下二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型 分析了喷嘴喷淋距离对 82B 钢连铸坯二冷均匀性 的影响. 基于喷嘴喷淋距离，提出了一种连铸小方 坯二冷喷嘴布置方式，用于提高连铸坯“纵‒横”冷 却均匀性. 1 连铸机参数和喷淋水分布测试 1.1 连铸机参数 本文研究的连铸机为直弧形连铸机. 此连铸 机有 4 流，弧半径为 8 m，生产铸坯的断面尺寸主 要为 150 mm×150 mm. 图 1 所示为连铸机示意图. 为提高铸坯内部质量，该连铸机装配有结晶器电 磁搅拌（M-EMS）. 电磁搅拌可以产生旋转磁场并 采用连续搅拌模式. 在足辊区、二冷区一段和二 冷区二段，采用 3 种类型的水喷嘴对铸坯进行冷 却，分别为喷嘴 A、喷嘴 B 和喷嘴 C，这 3 种喷嘴 都为锥形喷嘴. 足辊区沿铸坯宽度方向布置有两 个喷嘴，二冷区沿铸坯宽度方向布置有一个喷嘴. 不同冷却区喷嘴的喷淋距离都为 125 mm. 1.2 喷淋水分布测试 采用 USTB-BOJI 连铸喷淋测试设备对喷嘴的 水量分布进行测试. 图 2 所示为该设备的示意图. 设备主要包含有 4 部分，水源‒气源装置、水‒气调 节装置、综合机械平台和电气控制柜. 其中，综合 机械平台用于喷嘴的安装及性能测量，水源‒气源 装置能够提供足够的水压和气压，水‒气调节装置 M-EMS Mold, 0.87 m Foot-roller zone, 0.20 m Secondary cooling zone, first segment, 1.76 m Secondary cooling zone, second segment, 2.30 m Air-cooling zone 125 mm Nozzle C × 12 Nozzle B × 12 Nozzle A × 4 Radius, 8 m 图 1 连铸机示意图 Fig.1 Schematic of the continuous caster · 740 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期
韩延申等：喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 .741 用于调整水压和气压到所需的值，电气控制柜用 切片依次通过结晶器、二冷区和空冷区，在各冷却 于远程控制喷嘴的移动和参数的调节 区采用不同的边界条件.模型的具体描述，包括控 制方程、边界条件和初始条件等可以由之前的研 究-2获得 Radius,6 mm, ① ①Water and gas tank ②Water-gas regulator condary cooling ④ 3Integrated mechanical platform 4Electrical control cabinet 图2喷淋测试设备示意图 Casting direction Air cooling Fig.2 Schematic of the spray test apparatus 75mm×75mm×10mm 本研究主要使用该设备的水量分布测试功能 图4切片法示意图和几何模型 综合机械平台中，喷嘴下方布置有一个集水装置 Fig.4 Schematic of the slice moving method and geometric model 集水装置由一排透明的玻璃管组成，玻璃管的内 该模型特别考虑了二冷区铸坯表面横向水量 径和外径分别为10和12mm.集水装置由伺服电 分布.根据喷嘴水量分布测量结果，将铸坯表面沿 机控制，可以左右移动，其精度为0.1mm.在集水 宽度方向分为14个区域.其中，靠近角部的区域 装置的前方固定有一个照相机，用来拍摄水量分 宽度为3mm,其它区域宽度为l2mm.在不同区 布照片，并通过相关软件分析水柱高度.在测量过 域根据测量的局部水量，采用不同的传热系数.本 程中，将喷嘴安装在喷淋架上，调整喷嘴的水压和 文中，二冷区传热系数是跟局部水流密度相关的 气压，待喷嘴流量稳定后进行水量分布的测量.测 函数，具体如式(1)所示1 量过程，集水装置以10mms的速率通过喷嘴的 h=1570w0.55(1-0.0075Tw)/a (1) 喷淋范围，然后拍照并分析水柱高度，如图3所示 式中，h为二冷区传热系数，Wm2.K;W为水流密 最后以水柱的高度用来表征水量分布的比例 度，Lm2s;Tw为二冷水温度，K;a为校正系数. 2.2钢的热物性参数 所研究钢种为82B钢，其主要化学成分如表1 所示.钢的固相率、密度、热焓和导热系数随温度 的变化采用JMatPro软件中的热力学数据库计算， 如图5所示.为了考虑结晶器电磁搅拌对钢液传 Water flux distribution 热的影响，在结晶器液相的导热系数扩大7倍P, Water collector 糊状区的导热系数随温度线性变化：在二冷区和 空冷区，导热系数采用计算值 表182B钢的主要化学成分（质量分数） 图3喷嘴水量分布测量 Fig.3 Measurement of water flux distribution of the nozzle Table 1 Main chemical composition of 82B steel % Si Mn 2凝固传热模型 0.82 0.20 0.73 0.017 0.004 2.1模型建立 3 结果和讨论 采用切片法建立凝固传热模型，图4所示为切 片法的示意图和几何模型.为了简化计算，几何模 31喷嘴喷淋距离对二冷水横向分布的影响 型采用铸坯断面的四分之一，厚度为10mm,即尺 现行连俦工艺下不同喷嘴的喷淋距离和水压 寸为75mm×75mm×10mm.几何模型考虑了铸坯 值如表2所示.在喷淋距离为125mm、水压为0.6MPa 的圆角，圆角半径为6mm.在模拟过程中，假设 的条件下，测量喷嘴A的水量分布，结果如图6(a)
用于调整水压和气压到所需的值，电气控制柜用 于远程控制喷嘴的移动和参数的调节. 本研究主要使用该设备的水量分布测试功能. 综合机械平台中，喷嘴下方布置有一个集水装置. 集水装置由一排透明的玻璃管组成，玻璃管的内 径和外径分别为 10 和 12 mm. 集水装置由伺服电 机控制，可以左右移动，其精度为 0.1 mm. 在集水 装置的前方固定有一个照相机，用来拍摄水量分 布照片，并通过相关软件分析水柱高度. 在测量过 程中，将喷嘴安装在喷淋架上，调整喷嘴的水压和 气压，待喷嘴流量稳定后进行水量分布的测量. 测 量过程，集水装置以 10 mm·s−1 的速率通过喷嘴的 喷淋范围，然后拍照并分析水柱高度，如图 3 所示. 最后以水柱的高度用来表征水量分布的比例. 2 凝固传热模型 2.1 模型建立 采用切片法建立凝固传热模型，图 4 所示为切 片法的示意图和几何模型. 为了简化计算，几何模 型采用铸坯断面的四分之一，厚度为 10 mm，即尺 寸为 75 mm×75 mm×10 mm. 几何模型考虑了铸坯 的圆角，圆角半径为 6 mm. 在模拟过程中，假设 切片依次通过结晶器、二冷区和空冷区，在各冷却 区采用不同的边界条件. 模型的具体描述，包括控 制方程、边界条件和初始条件等可以由之前的研 究[21−22] 获得. 该模型特别考虑了二冷区铸坯表面横向水量 分布. 根据喷嘴水量分布测量结果，将铸坯表面沿 宽度方向分为 14 个区域. 其中，靠近角部的区域 宽度为 3 mm，其它区域宽度为 12 mm. 在不同区 域根据测量的局部水量，采用不同的传热系数. 本 文中，二冷区传热系数是跟局部水流密度相关的 函数，具体如式（1）所示[23] . hs = 1570W0.55(1−0.0075Tw)/α （1） 式中，hs 为二冷区传热系数，W·m−2·K−1 ；W 为水流密 度，L·m−2·s−1 ；Tw 为二冷水温度，K；α 为校正系数. 2.2 钢的热物性参数 所研究钢种为 82B 钢，其主要化学成分如表 1 所示. 钢的固相率、密度、热焓和导热系数随温度 的变化采用 JMatPro 软件中的热力学数据库计算， 如图 5 所示. 为了考虑结晶器电磁搅拌对钢液传 热的影响，在结晶器液相的导热系数扩大 7 倍[24] ， 糊状区的导热系数随温度线性变化；在二冷区和 空冷区，导热系数采用计算值. 3 结果和讨论 3.1 喷嘴喷淋距离对二冷水横向分布的影响 现行连铸工艺下不同喷嘴的喷淋距离和水压 值如表2 所示. 在喷淋距离为125 mm、水压为0.6 MPa 的条件下，测量喷嘴 A 的水量分布，结果如图 6（a） 1 2 3 Water and gas tank Electrical control cabinet Water-gas regulator Integrated mechanical platform 1 2 3 4 4 图 2 喷淋测试设备示意图 Fig.2 Schematic of the spray test apparatus Nozzle Water collector Water flux distribution 图 3 喷嘴水量分布测量 Fig.3 Measurement of water flux distribution of the nozzle Mold Casting direction Air cooling Secondary cooling Radius, 6 mm 75 mm×75 mm×10 mm Y X Z 图 4 切片法示意图和几何模型 Fig.4 Schematic of the slice moving method and geometric model 表 1 82B 钢的主要化学成分 (质量分数) Table 1 Main chemical composition of 82B steel % C Si Mn P S 0.82 0.20 0.73 0.017 0.004 韩延申等： 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 · 741 ·
742 工程科学学报，第42卷，第6期 1.0a 7800 (b) 1400 (c) 1200 200 7600 1000 150 7400 800 0.4 600 7200 100 400 7000 200 50 6800 0 0 13501380141014401470 0 40080012001600 0 40080012001600 Temperature/℃ Temperature/℃ Temperature/℃ 图582B钢的热物性参数 Fig.5 Thermal-physical properties of 82B steel 所示.可知，喷嘴A水量分布对称性较好，整体呈 结果如图7所示.喷嘴B和喷嘴C水量分布对称 喷淋中心水量多、边部水量少.由于足辊区铸坯 性也比较好，喷淋中心区域水量多、边部水量少 表面横向布置有两个喷嘴，对喷嘴A水量分布进 随喷淋距离的增加，喷淋水覆盖范围逐渐增加， 行叠加，如图6(b)所示.两个喷嘴水量分布叠加以 且水量变化逐渐平滑.当喷淋距离为100、125和 后，在靠近喷淋中心有一个水量分布较均匀的区 150mm时，二冷区一段喷淋水有效率分别为100%、 域.考虑到连铸坯宽度方向尺寸为l50mm,将距 99.7%和97.8%，二冷区二段喷淋水有效率分别为 离喷淋中心±75mm的区间设置为有效范围.在有 98.8%、96.1%和87.2%.可知，随喷嘴喷淋距离的 效范围内，足辊区喷淋水横向分布比较均匀，而且 增加，喷淋水有效率减小.当喷嘴喷淋距离由 铸坯角部附近水量略高于表面中心.由于足辊区 100增加至150mm,二冷区一段铸坯表面中心水 有一部分喷淋水未喷到铸坯表面，而这部分水对 量比例由13.1%降低至9.4%，角部水量由0增加 铸坯的冷却能力有限.将喷到铸坯表面的水量定 至1.3%：二冷区二段铸坯表面中心水量比例由10.9% 义为有效喷淋水，由图6(b)可得，足辊区喷淋水有 降低至7.9%，角部水量由1.4%增加至4.6%.可 效率为65.0% 知，喷嘴喷淋距离对二冷水横向分布影响很大.随 喷淋距离的增加，铸坯表面中心区域的水量减少， 表2现行工艺下喷嘴的喷淋距离和水压值 铸坯角部附近水量增多，二冷水横向均匀性提高 Table 2 Spray distance and water pressure of the nozzles under the current process 3.2凝固传热模型校正 Nozzle type Spray distance/mm Water pressure/MPa 根据测量所得的现行工艺下二冷水横向分 A 125 0.40 布，结合铸坯表面测温结果对凝固传热模型进行 B 125 0.80 校正.在现行工艺下进行82B钢的生产，具体连铸 0 125 0.60 工艺参数如表3所示.在生产过程中，对铸坯表面 温度进行测量.测温采用高温红外测温仪，其型号 在喷嘴B和喷嘴C各自的水压力下测量水量分 为RAYR312MSCL2U,误差范围为±1.5%.为了尽 布，其中喷淋距离分别设置为100、125和150mm, 可能降低二冷水雾等因素对测量结果的影响，测 (a) (b) Effective range. 10 150mm 8 6 xn 0 0口 120-96-72-48-24024487296120 -180-144-108-72-3603672108144180 Distance to spray center/mm Distance to spray center/mm 图6足辊区水量横向分布.(a)单个喷嘴：(b)两个喷嘴 Fig.6 Water flux distribution in the foot-roller zone:(a)one nozzle;(b)two nozzles
所示. 可知，喷嘴 A 水量分布对称性较好，整体呈 喷淋中心水量多、边部水量少. 由于足辊区铸坯 表面横向布置有两个喷嘴，对喷嘴 A 水量分布进 行叠加，如图 6（b）所示. 两个喷嘴水量分布叠加以 后，在靠近喷淋中心有一个水量分布较均匀的区 域. 考虑到连铸坯宽度方向尺寸为 150 mm，将距 离喷淋中心±75 mm 的区间设置为有效范围. 在有 效范围内，足辊区喷淋水横向分布比较均匀，而且 铸坯角部附近水量略高于表面中心. 由于足辊区 有一部分喷淋水未喷到铸坯表面，而这部分水对 铸坯的冷却能力有限. 将喷到铸坯表面的水量定 义为有效喷淋水，由图 6（b）可得，足辊区喷淋水有 效率为 65.0%. 在喷嘴 B 和喷嘴 C 各自的水压力下测量水量分 布，其中喷淋距离分别设置为 100、125 和 150 mm， 结果如图 7 所示. 喷嘴 B 和喷嘴 C 水量分布对称 性也比较好，喷淋中心区域水量多、边部水量少. 随喷淋距离的增加，喷淋水覆盖范围逐渐增加， 且水量变化逐渐平滑. 当喷淋距离为 100、125 和 150 mm 时，二冷区一段喷淋水有效率分别为 100%、 99.7% 和 97.8%，二冷区二段喷淋水有效率分别为 98.8%、96.1% 和 87.2%. 可知，随喷嘴喷淋距离的 增加 ，喷淋水有效率减小. 当喷嘴喷淋距离由 100 增加至 150 mm，二冷区一段铸坯表面中心水 量比例由 13.1% 降低至 9.4%，角部水量由 0 增加 至 1.3%；二冷区二段铸坯表面中心水量比例由 10.9% 降低至 7.9%，角部水量由 1.4% 增加至 4.6%. 可 知，喷嘴喷淋距离对二冷水横向分布影响很大. 随 喷淋距离的增加，铸坯表面中心区域的水量减少， 铸坯角部附近水量增多，二冷水横向均匀性提高. 3.2 凝固传热模型校正 根据测量所得的现行工艺下二冷水横向分 布，结合铸坯表面测温结果对凝固传热模型进行 校正. 在现行工艺下进行 82B 钢的生产，具体连铸 工艺参数如表 3 所示. 在生产过程中，对铸坯表面 温度进行测量. 测温采用高温红外测温仪，其型号 为 RAYR312MSCL2U，误差范围为±1.5%. 为了尽 可能降低二冷水雾等因素对测量结果的影响，测 1.0 0.8 (a) 0.6 0.4 0.2 Solid fraction 1350 1380 1410 Temperature/℃ 1440 1470 0 200 150 100 50 (c) Thermal conductivity/ (W·m−1·K−1 ) 0 400 800 Below the mold In the mold Temperature/℃ 1200 1600 0 7800 7600 (b) 7400 7200 7000 Density/(kg·m−3 ) Enthalpy/(kJ·kg−1 ) 0 400 800 Temperature/℃ 1200 1600 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 6800 图 5 82B 钢的热物性参数 Fig.5 Thermal–physical properties of 82B steel −120 0 2 4 6 8 10 (a) −96 −72 −48 −24 0 24 Distance to spray center/mm Water flux distribution/ % 48 72 96 120 −180 0 2 1 3 4 5 6 (b) −144−108 −72 −36 0 36 Distance to spray center/mm Effective range, 150 mm Water flux distribution/ % 72 108 144 180 图 6 足辊区水量横向分布. （a）单个喷嘴；（b）两个喷嘴 Fig.6 Water flux distribution in the foot-roller zone: (a) one nozzle; (b) two nozzles 表 2 现行工艺下喷嘴的喷淋距离和水压值 Table 2 Spray distance and water pressure of the nozzles under the current process Nozzle type Spray distance/mm Water pressure/MPa A 125 0.40 B 125 0.80 C 125 0.60 · 742 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期