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板坯连铸二冷喷嘴对冷却效果影响的研究

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基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NE CT 07-0067)作者简介:卿家胜(1982-),男,北京科技大学冶金与生态工程学院,硕士生,从事板坯连铸二冷配水的研究。

板坯连铸二冷喷嘴对冷却效果影响的研究卿家胜1,刘 青1,王 欣1,王先勇1,李玉盘2,胡志刚2,孙玉虎2,赵彦华2(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;2.邯郸钢铁股份公司第三炼钢厂,河北邯郸056015)摘 要:板坯连铸的二次冷却是影响铸坯质量的重要因素之一。

针对邯郸钢铁股份有限公司第三炼钢厂出现的板坯质量问题,对二次冷却系统的喷嘴进行优化,达到改善铸坯质量的目的。

研究探讨了二次冷却区喷嘴型号的选型以及影响喷嘴冷却效果的因素。

在此研究基础上,实际生产中采用了合适的喷嘴类型、布置方式及合理的水量后,铸坯的中心偏析得以改善,等轴晶率明显提高。

关键词:板坯连铸;二次冷却;质量;冷态性能测试;喷嘴中图分类号:T F 777.1 文献标识码:A 文章编号:1002-1043(2010)01-0048-05Research on effect of nozzle on secondary cooling results inslab continuous casting processQING Jia -sheng 1,LIU Qing 1,WANG Xin 1,WANG Xian -yong 1,LI Yu -pan 2,H U Zh-i gang 2,SUN Yu -hu 2,ZH AO Yan -hua 2(1.School of M etallurgical and Ecolog ical Engineering,U niversity of Science and T echnolo gy Beijing ,Beijing 100083,China;2.No.3Steelmaking -Plant of H andanIron and Steel Group Co.Ltd.,H andan 056015,China)Abstract:The secondary coo ling of slab continuous casting is o ne of the im por tant fac -tors affecting the quality of slab.In this paper ,for the purpo se o f so lving the pro blem of slab quality defects and improving slab quality in No.3Steelm aking Plant of H andan Iron and Steel Group Co.Ltd,the no zzles of secondary coo ling sy stem are optimized.T he pro per types of nozzles are determined and main factor s influencing the nozzle 'per -formance analy zed.On the basis of the pr ev io us resear ch,by means of optimization of nozzle type,patter n of nozzle arrang em ent and cooling w ater vo lum e the central segr e -gation of slabs has been impr oved and the equiaxed cr ystal r atio pro minently r aised.Key words:slab continuous casting;secondary cooling;quality ;coo ling state pr operty test;nozzle连铸坯的质量与钢水的凝固过程紧密相关,二冷区内的各种传热方式中,喷水冷却是最主要的热量传递方式[1]。

在连铸设备和工艺一定的情况下,二冷区喷嘴的喷雾特性是影响铸坯传热的主要因素,也是设计合理的二冷制度的基本参数[2]。

因此,准确地掌握喷嘴特性,保证喷嘴满足冷却要求,对连铸生产和保障铸坯质量具有重要的现实意义。

邯郸钢铁股份有限公司第三炼钢厂(以下简称邯钢三炼钢)2号板坯连铸机近来生产的品种钢出现了角部横裂、中心偏析严重等质量问题,为深入研究铸坯质量缺陷产生的原因,对该铸机二冷段喷嘴进行测试,研究二冷喷嘴对铸坯冷却效果的影响,进而提出相应的解决措施。

该板坯连铸机二次冷却区共分为12段,足辊段采用喷水冷却,2~12段内、外弧采用气水冷却。

2~3段奇数排每排布置6个喷嘴,偶数排每排布置5个喷嘴,4~12段每排布置3个喷嘴。

#48# 2010年 2月 第26卷第1期炼 钢SteelmakingFeb.2010Vol.26 No.1铸坯断面为1800mm@220mm,由于生产的钢种不同,主要采取弱冷和强冷两种冷却方式。

针对该铸机,选取二次冷却区的喷嘴进行冷态性能测试,系统阐述如何优化二冷区系列喷嘴。

1研究方法本课题在对喷嘴冷态性能的测试中,采取单喷嘴测试和多喷嘴水量叠加测试两种方案,在此基础上进行喷嘴选型及喷嘴布置方式的优化。

1.1实验原理和装置冷态测试装置由水路系统、气路系统、喷嘴支撑机构、压力传感器和水量传感器组成。

该测试装置采用移动喷嘴,定点测试的方法来测试喷嘴在不同喷射位置的水流密度和冲击压力。

采用人工安装喷嘴和计算机控制以及机电一体化的设计,将测试平台平均划分为120个网格,在每个网格下安装压力传感器和流量传感器,测试时沿水流喷射的方向在两端固定压力传感器,并以5 mm/s的移动速度步进移动装置驱动使喷嘴在平台间移动。

移动的同时,计算机定步长通过压力传感器和流量传感器来采集喷射水量的增量和冲击压力,根据水重的增量可以计算出喷射范围内各采集点的水流密度。

整个测试过程都由计算机控制进行,控制测试仪驱动喷嘴回到测试点,自动进入测试状态,自动采集数据并进行计算。

1.2实验方案在气压分别为0.15M Pa,0.20MPa, 0.25M Pa,0.30MPa不同水压的工况下,对二冷区各段设计的单个喷嘴做压力流量特性、喷射角以及雾化颗粒直径的喷嘴性能测试,然后对多喷嘴水量叠加的分布情况进行测试。

喷嘴冷态性能测试前的工作包括喷嘴安装和对中、按实验条件调节水路和气路。

测试喷嘴性能的过程为:设置测试参数;启动测试;当喷嘴喷出的水量被流量传感器感应时开始采集数据;当喷嘴通过整个测试台后,喷嘴的水量数据采集完毕;喷嘴继续移动回复到测试初始位置。

2喷嘴型号的确定为了保证铸坯的表面质量,生产过程中应使矫直区的铸坯温度避开第3脆性温度区。

结合现场生产工艺参数,通过模拟软件,计算得到不同冷却强度的钢种二冷区各段的水量,然后将各段的水量分配到各个喷嘴上,可得到单喷嘴的水量。

单喷嘴水量既要满足采用弱冷制度的钢种系列及强冷制度的钢种系列,又要保证现行生产的最大拉速和最小拉速,因而,单喷嘴的水量值必须有一定的范围[3]。

以二次冷却区第3段为例,模拟得到在一定拉速下生产不同钢种单喷嘴的水量值范围,其中包括了生产实际中常用的4种拉速,见表1。

表1二冷区某段单个喷嘴的水量值拉速/(m#min-1)单喷嘴水量/(L#m in-1)0.854.533~5.1480.905.135~6.0050.955.241~6.7281.206.621~8.016从表1可以得出该段单喷嘴水量值的范围是4.533~8.016L/m in。

结合现场生产采用0.20 MPa的恒定气压,查找喷嘴手册,气压为0.20M Pa,水压为0.20M Pa的标准状况下喷嘴的水流量为4.6L/min,且此值在计算得到的单个喷嘴水量值范围内。

因而,确定该段喷嘴的水流量为4.6L/m in。

该段现行生产采用的喷嘴型号为H PZ6.6-110B30,在现行的布置方式下,喷射角度为110o 的喷嘴喷淋覆盖宽度为1.93m,而生产的铸坯断面为1800m m@220mm,为避免铸坯生产过程中角部过冷,保持现行生产的喷嘴布置方式,经试验采用95b的喷射角度时,喷淋覆盖宽度为1.81m。

因此,综合该段喷嘴合理的水流量和喷射角度,选定喷嘴的型号为H PZ4.6-95B14[4]。

3测试结果分析3.1压力对流量的影响喷嘴的流量特性反映了喷嘴在使用过程中流量的可调节范围,对型号为H PZ4.6-95B14的气雾喷嘴进行测试,在气压为0.15、0.20、0.25、0.30 MPa时,水流量、气流量与水压的关系分别见图1、图2。

从图1、图2可以比较得出,在气压恒定(比如0.15MPa)的工况下,喷嘴的水流量与水压成正比,其气流量与水压成反比;在水压恒定(比如0.20M Pa)的工况下,喷嘴的水流量与气压成反比,其气流量与气压成正比。

一般来说,喷嘴喷出的水量是衡量喷嘴冷却能力的一个基本参数,在其它因素不变的情况下,喷水量越大说明喷嘴的#49#第1期卿家胜,等:板坯连铸二冷喷嘴对冷却效果影响的研究冷却能力越强[5]。

图1喷嘴的水压与水流量的关系图2 喷嘴的水压与气流量的关系3.2 水压对水量分布的影响水量分布的均匀性在很大程度上影响铸坯表面的冷却。

实验模拟二次冷却区第3段生产现场,每排布置6个喷嘴,测试气雾喷嘴型号为H PZ 4.6-95B 14。

在气压恒定为0.20M Pa,水压分别为0.15M Pa 、0.20M Pa 和0.25M Pa 的工况下进行测试,水量分布结果见图3。

从图3可以比较得出,气压恒定在0.20MPa,水压为0.15MPa 的工况下水量分布曲线比较平缓;水压为0.20M Pa 的工况下水量分布呈现6个波峰,波峰与波谷的间隔比较均匀;水压为0.25M Pa 的工况下水量分布亦呈现6个波峰,但波峰与波谷的间隔较大,且波峰处的极值点与波谷处的极值点相差也较大,水量分布不对称。

因此,从水量分布情况来看,分布最为均匀的是水压为0.15MPa 的工况,其次为水压0.20M Pa 的工况,最差为水压0.25M Pa的工况。

图3 水量分布图(气压恒定0.20M Pa)3.3 喷嘴安装方式对水量分布的影响二次冷却区喷嘴的布置对板坯质量有显著影响[6],其安装方式影响水量分布。

本文在实验的基础上对扁平形喷嘴的两种安装方式进行讨论。

喷嘴的直线型安装是指将一组扁平形喷嘴的扁形出水口与铸坯拉坯方向垂直;喷嘴的斜线型安装是指将一组扁平形喷嘴的扁形出水口与铸坯拉坯方向成一夹角。

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浅谈二冷喷嘴对连铸板坯质量的影响

浅谈二冷喷嘴对连铸板坯质量的影响


【 关键词 】 二冷喷嘴 ；连铸板坯 ； 质 量
引 言
邯钢西区 ２ １ ５ ０ ｍ ｍ板坯连铸机铸坯断面为 （ ２ ３ ０ ￣２ ５ ０ ） ｍ ｍ ＊ （ ９ ０ ０ ￣ ２ １ ５ ０ ）ｉ ｌ ｌ ｍ ，主要生产钢种是为普碳钢 、低合金钢 以及管线 、船 板钢 等 。该板坯连铸机在浇注过程 中最 常见的铸坯质量缺陷是表面 角部 出现横裂纹 以及三角 区出现裂 纹的问题。二冷喷嘴是调节和控 制连 铸 二次冷却的主要手段 ，通过 喷淋 水冷的方式，促使铸坯凝 固，从 而 达到铸坯的工艺要求 。为 了能够 降低连铸机在浇注过程 中，铸 坯 质 量出现裂纹等缺陷 问题 ，对 喷淋 水与铸坯之间 的传热喷 嘴进 行科 学的、合 理的选 型与布置，能够在最大程度上提高铸坯 的质量 。 １二冷喷嘴与铸坯 的传热原理 与特征 １ ． １ 铸 坯 冷 却 的 原 理 在进行连铸时，将铸坯从结晶器 中拉 出后的外壳虽然经过凝 固 成 型 ，但 是 其 中 心 还 是 呈 现 一 种 高 温 液 体 的 状 态 。为 了能 够 帮 助 铸 坯 完 全凝 固 ， 就 需 要在 经 过 二 冷 区 再 次 凝 固 。铸 坯 经 过 二 冷 区 的 喷 淋 水冷却，热量从铸坯 内部进 行热传 递，传递到表面被冷却水 带走 ， 从 而达 到全部凝 固。 １ ． ２二冷 区与铸坯换热的特征 在二冷区对铸坯进行喷淋 水是其主要的方式 ，喷淋水冷 却将 水 雾转 化为非常多的小水滴 ，并采用 高速棚 舍的方式 ，将小水滴全 部 喷射 到铸 坯的表面上 。在小水 滴经 过高速喷射到铸坯表面上时 ，水 滴 碰 壁 发 生 碰 壁 的 现 象 根 据 无 量 纲 参 数 韦 伯 数 主 要 可 以分 为 三 类 。 Ｗ ｅ ＝ ｐ ｄ ｖ ／ ｑ为 无量 纲 参数 韦伯 数 公 式 。 以 Ｐ为 水 滴 密 度 ｋ ｇ ／ ｍ 。 ，ｄ为 水 滴 直径 ｍ ， ｖ为 水滴 流 数 ｍ ／ ｓ ， ｑ为 水 滴表 面 张 力 Ｎ ／ ｍ （ １ ） 当Ｗ ｅ ＜ ３ ０ 时，表面 张力较 大 ，水滴与铸坯表面接触后 ，并在铸坯表面铺展开 ， 在 加热后会出现旋转 的情况 ，并最 后离开铸坯表面 ；（ ２ ）当 Ｗ ｅ ＞ ８ ０ 时，水滴与铸坯表面接触后 ，分裂为 若干小水滴；（ ３ ）当 Ｗ ｅ ＜ ３ ０时， 水 滴与铸 坯表面接触后 ，并不分裂 ，在加热后会 出现旋转 并分裂 。 ２ 铸 坯 质 量 缺 陷类 型 与位 置 以邯钢西区 ２ １ ５ ０ ｍ ｍ板 坯 连 铸 机 为 例 ， 铸 坯 出现 的主 要 质 量 问 题 是内部三角区出现裂纹和表面 角部 出现横裂纹 。该厂生产 的包 晶钢 及 普碳钢 ，两种都是属于裂纹敏感性钢 的种类 。 （ １ ） 三角 区裂 纹。 三角 区裂纹是 一种在连铸板 中一种 最为常见 的内部裂 纹，其所在的位置是铸坯侧面 的 １ ５ ０ ｍ ｍ的三角区部位 ，当 中心的液体受到超过 了钢 的高温强度时 ，就会导致柱状 晶开裂 从而 形 成 三 角 区 裂 纹 ；邯 钢 生 产 的 包 晶 钢 出 现 三 角 区 裂 纹 一 般 是在 板 坯 侧 面的 ８ Ｏ ～１ ０ ０ ｍ ｍ处 ，裂 纹长 度 约 为 ４ ５ ｍ ｍ ，是在 铸 坯三 角 区凝 固 的 末 端 ；普 碳 钢 的三 角 区 裂 纹 一 般 是在 距 离 板 坯 侧 面 的 ６ ０ ｍ ｍ ，裂 纹 长 度在 ３ ０ ｍ ｍ，是 在 板 坯 侧 面 的 内凹 陷 ４ ｍ ｍ的位 置 。 （ ２ ）表 面 角 部 横 裂 纹 。其 形 成 在 结 晶器 中 ，出 现 裂 纹 的 部 位 是 局部偏薄弱的部位 。 该种横裂纹一般是在 二冷 区因为 冷却不够均匀 ， 当温度达到了 ７ ０ ０ ℃时 ，就会 出现裂纹 。 ３ 影￣ ￥ １ － －冷 区与铸坯传 热的因素 通 过 上 文 两 个 例 子 可 以 了 解 到 ，在 二 冷 区 ，如 传 热 不 够 均 匀 准 确 ，就会导致铸坯表面 出现裂 纹，而影响其 的主要 因素 主要有 以下
宽板坯连铸二冷区喷嘴冷却特性研究

宽板坯连铸二冷区喷嘴冷却特性研究


中 图分 类 号 ： Ｆ ７ ． Ｔ ７７ ２
文献标志码 ： Ａ
文 章 编 号 ： ６ ４３ ４ （ ０ ０ ０ ４ ３０ １ ７ — ６ ４ ２ １ ） ５０ ５ — ５
连铸过 程 中 ， 冷 区冷 却 效果 的好 坏 与 连铸 二
机产量 和铸 坯 质 量 密切 相 关 ， 理 的冷 却制 度 ］合
ｃ ｏｌｎ ｏ ｆ ｃ ｎｔｎｕ ｓ ｃ ｓ ｉ ｏ ｉ ｇ ｚ ｎｅ ｏ ｏ ｉ ｏｕ ａ ｔｎｇ
冷 区单 喷嘴 、 双喷 嘴 重 叠条 件 下 的 水 流 密度 分 布
规律 ， 研究 铸坯 宽 面 方 向水 流 密 度 分 布 与喷 嘴 间 距、 各喷 嘴水流 量之 间 的关 系 ， 为优化 铸坯 宽 面配
１所 示 。
温度 低很 多 的现 象 ， 致铸 坯 产 生 近 角部 横 向裂 导
纹 缺陷 ， 动态轻 压下 技术 的应 用效果 也受 到影 响 。 本 文结合该 铸 机 实 际工 况 条 件 ， 过试 验 测 定 二 通
图 １ 连 铸 二 冷 ５区 喷 嘴 布 置 示 惹 图
Ｆｉ １ Ｓｋ ｔｈ ｆ ｎ ｚ ｌ ａ ｒ ｎ ｅ ｅ ｎ ｈｅ ｆｆｈ ｓ ｃ ｎｄ ｒ ｇ． ｅ ｃ ｏ ｏ ｚｅ ｒ ａ ｇ ｍ ｎｔ ｉ ｔ ｉｔ ｅ ｏ ａ ｙ
应确保 铸坯 拉坯 方 向温 度 分布 符 合 冶 金 准则 ， 宽
面 温 度 分 布 尽 可 能 地 均 匀 。 在 连 铸 二 冷 区 的 几 种
１ 试 验
１ １ 试 验 装 置 及 方 法 ．
不 同二冷 分 区的冷却 喷嘴 型号及 冷 却水量存
传 热方 式 中 ， 可便 于控 制 的是 喷淋 水 与 铸 坯表 面
供可 靠 的试 验基 础 ； 为实 现 铸 坯 宽 面表 面温 度 的 均匀 化 ， 消除该 宽板 坯 的近 角 部 横 裂纹 缺 陷 提 供
特钢连铸二冷技术研究

特钢连铸二冷技术研究

特钢连铸二冷技术研究钢的连铸与有色金属的一个重要差别是连铸钢坯内有较长的液芯。

这就需要对温度高、刚度低的坯壳进行冷却和支撑，这也是二冷段的基本作用。

浇铸速度越高，坯壳越薄液芯也越长，这些作用越重要。

在特殊钢连铸中，为了提高铸坯内部质量，可以采用末端电磁搅拌（F-EMS）或轻压下等技术措施。

这些措施的效果和使用方式也依赖于二次冷却技术。

1．二冷区传热基本原理在连铸机中钢液冷却到最后完全凝固时，其热量分别在水冷结晶器(一次冷却区)、喷雾水区（二次冷却区）和铸还的自然冷却区(三次冷却区)散失。

二冷水分布主要根据冶金技术要求、钢种在高温状态下的力学性能和铸坯的断面尺寸确定。

二冷区的各段的喷水量有所区别，出结晶器时铸坯表面温度高，坯壳薄，喷水量要大，以迅速增加坯壳厚度；随着铸坯的移动，铸坯表面温度降低，坯壳厚度逐渐增加，喷水量减小。

对二冷传热的影响因素有以下几个方面：(1)铸坯表面温度冷却水喷在连铸坯表面的冷却效果用综合换热系数或热流来衡量。

换热系数或热流基本取决于铸坯表面温度和喷水密度，见图1。

由图1可知，热流与表面温度不是直线关系：1) Ts＜300℃，热流随Ts而增加，此时为对流传热；2) 300℃＜Ts＜800℃，随温度提高热流下降，在高温表面有蒸汽膜，有核态沸腾状态；3) Ts＞800℃，热流几乎与表面温度无关，甚至于呈下降趋势，表面形成稳定蒸汽膜阻止喷射水滴与铸坯接触；由图可知，热流与表面温度不是线性关系，但在一定温度范围内，随喷水强度增加热流增大。

图1 表面温度与热流的关系(2)水流密度水流密度是指铸坯在单位时间单位面积上所接受的冷却水量。

水流密度增加，传热系数增大，它们之间关系以经验公式表示：换热系数h=hW n（1）为常数，W为喷水密度，n=0.45—0.75这里，h这个关系式可以在实验室研究测定。

但对于连铸坯而言，这仅仅是喷水的一个局部某一时刻的换热系数，不是一个段的或整个铸机上的换热系数。

板坯连铸二冷配水对铸坯质量的影响[兼容模式]

板坯连铸二冷配水对铸坯质量的影响[兼容模式]

连铸二冷配水工艺技术北京科技大学冶金工程研究院 刘建华liujianhua@主要内容1 二冷控制的重要性 2 铸坯凝固传热模型 3 二冷配水原理及方法简介 4 连铸二冷动态配水系统1. 二冷控制的重要性 出结晶器的连铸坯凝固坯壳厚度仅有8～15mm， 铸坯的中心仍为液态钢水 为使铸坯快速凝固及实行顺利拉坯，结晶器之后 设置二次冷却装置，在该区域铸坯的凝固坯壳厚 度继续增加； 铸坯在二次冷却区中可能经受弯曲、矫直的变化， 同时液态钢水的大部分（或全部）发生凝固。

1. 二冷控制的重要性生产普钢为主向生产优钢、品种钢、特钢转变， 对连铸机的二冷控制要求也越来越高必须根据钢种、浇注断面、浇注温度、拉坯 速度和铸机几何尺寸等参数来制定连铸机二冷区合 适的冷却制度。

提高配水计算的适时性、可靠性，优化二冷控制1. 二冷控制的重要性1.1 二次冷却对铸坯质量的影响各段之间的冷却不均匀，导致铸坯表面温度呈现 周期性的回升导致凝固壳发生反复相变，是铸坯皮下裂纹 形成的原因。

1.1 二次冷却对铸坯质量的影响回温引起坯壳膨胀 当施加到凝固前沿的张应力超过钢的高温允许强度和临界应变时，铸坯表面和中心之间就会出现中间裂纹。

粗大纵裂纹较细小的纵裂纹1.1 二次冷却对铸坯质量的影响二冷不当，矫直时刚好位于脆性区，在矫直力作用下，容易在振痕波 谷出现表面横裂纹。

局部的强冷会使表面产生张应力而产生表面裂纹。

1.1 二次冷却对铸坯质量的影响二次冷却太弱，易产生鼓肚 二冷区内铸坯四个面的非对称性冷却，会加重铸坯菱变 二冷冷却强度对铸坯中心偏析也有影响1.1 二次冷却对铸坯质量的影响 二冷较易调整，但对铸坯质量影响显著  二冷对表面质量和内部质量影响不一致  二冷技术的发展较为迅速扒皮率,%70 60.06050 40 30 2010 0 150.0抽样板坯34块16.7 4.8234试验方案1. 二冷控制的重要性1.2 二冷的主要工艺参数 冷却强度 根据所浇注的钢种决定 冷却方式和装备 水喷雾冷却、气－水喷雾冷却、干式冷却、半干式冷 却等 冷却水的分配 二冷区整个长度上的分配要与铸坯的凝固相适应；在 宽度方向上的分布要求温度尽可能均匀。