y氣水霧化噴嘴最佳氣水比的確定

1、維晉貸訊 http:/www.cqvip.cVd.25tNo.2June 2004第25卷第2期鋼鐵幫.鈦»04 年 6 月IRON STEEL VANADIUM nTANlUM維晉貸訊 http:/www.cqvip.c維晉貸訊 http:/www.cqvip.c維晉貸訊 http:/www.cqvip.c維晉貸訊 http:/www.cqvip.c氣水霧化噴嘴最佳氣水比的確定梅國(guó)暉，武榮陽，孟紅記，次英，謝植（東北大學(xué)信息科學(xué)與工稈學(xué)院，遼寧沈陽1KXXM）摘宴：從連鑄M霧冷卻強(qiáng)度的控制因索人手,建立了冷卻強(qiáng)度與水流密度、沖擊速度、霧滴尺寸間的關(guān)系式.通 過蘭定代水比對(duì)上述鑫數(shù)的

2、齡響，進(jìn)而利用該關(guān)系式來計(jì)算掙卻強(qiáng)度。結(jié)果套明，丸水噴壽冷卻過程存在最佳氣 術(shù)比值，但最桂水比不是圏定不變的，它燧著水壓的増加而械小°最佳水比的確定對(duì)降低連特二掙骼耗其有 童要的穴義。關(guān)間：連耨;掙卻強(qiáng)度；水比;噴霧冷卻；能耗中圖分類號(hào)；TF777, TK124文就標(biāo)識(shí)碼；A文章Ml號(hào)：1血-托3肌2004）02 - 004903OPTIMAL AIR TO WATER RATIO IN MISTING COOLING PROCESSMEI Gio - hui,WU Rong - yan«.MEWG Hong-ji*Ci Ying,XIE Zhi(Northeuieni U

3、niveraiiy,Shenyang 110Q04«Liaoning,China)Abstract: llie ratio of air to water was & key parameter for increasing the cooling efficiency in the continuous casting. Usually it could he got from experiments or the experience»but it would take high cost hng period and hard difficulty. In t

4、his paper f the factors for controlling intensity were analyzed. The relevant equation between cooling intensity and water mie of flow T impacting velocity t droplet size was built. And the cooling intensity was calculated by the equation. Hie results show that there is a optimal air to water ratio,

5、 yet it is variable and decease with water prepare increase. It is very significant to reduce the energy consumption of second cooling in continuous coaling Key Words:continuous casting; cooling intensity; air to water ratio; misting cooling;energy consumption維晉貸訊 http:/www.cqvip.c維晉貸訊 http:/www.cqv

6、ip.c0引言由于噴霧冷卻具有冷卻均勻、高效和可控性強(qiáng) 的特點(diǎn)”所以被廣泛應(yīng)用于高溫物體表面的冷卻，在 冶金、化工、核電站安全等工業(yè)部門中作用尤為突 出。如在板坯、大方坯連鑄二次冷卻中，為了快速、 均勻地冷卻以得到優(yōu)質(zhì)的鑄坯，通常采用氣水噴霧 對(duì)鑄坯進(jìn)行冷卻。如何設(shè)定氣壓、水壓的工作隹置, 保證冷卻過程既節(jié)能又高效，對(duì)于連鑄生產(chǎn)實(shí)際具 有非常重要的價(jià)值。噴霧冷卻傳熱機(jī)理復(fù)雜，其冷卻強(qiáng)度多通過熱態(tài) 實(shí)驗(yàn)確定或在生產(chǎn)中不斷摸索。但這兩種方法 均存在費(fèi)用大、周期長(zhǎng)，實(shí)際操作難度大等問題。針 對(duì)這些問題.筆者提出通過測(cè)定氣水噴霧冷態(tài)特性參 數(shù)，計(jì)算分析出氣壓、水壓較隹的工作位置，即在較低 的水壓和氣壓

7、下獲得較高的冷卻強(qiáng)度也從而避免做 熱態(tài)實(shí)驗(yàn),減少了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用井縮短了周期:同時(shí)試驗(yàn) 結(jié)果對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試具有預(yù)測(cè)和指導(dǎo)作用*維晉貸訊 http:/www.cqvip.c維晉貸訊 http:/www.cqvip.c收稿日期；2004 - 01 -29體金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50L74O21）o作者簡(jiǎn)介：梅國(guó)暉（】971-）,男，安徽肥東人，講師，主耍從嘩連鑄工藝研究。維晉資訊 http:/www.cqvip.coi維晉資訊 http:/www.cqvip.coi50鋼鐵釈鈦2004年第25卷維晉資訊 http:/www.cqvip.coi維晉資訊 http:/www.cqvip.coi

8、1氣水噴霧冷卻過程分析連鑄生產(chǎn)中，鑄坯表面溫度高于900七,處于膜 態(tài)沸騰狀態(tài)'其表面聚集著由蒸汽和水霧組成的薄層 (如圖1所示)，噴霧水滴需要有足夠的能晨穿過薄 層，達(dá)到鑄坯表面,然后受熱蒸發(fā)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯的 冷卻。通過控制霧滴穿過薄層的數(shù)量,可以控制鑄坯 表面換熱量的大小,即實(shí)現(xiàn)冷卻強(qiáng)度的可控性。圖1氣霉噴霧冷卻原理Fig J Misting cooling principle氣水噴霧冷卻強(qiáng)度是由噴霧冷態(tài)特性參數(shù)決定 的，主要有水流密度、霧滴大小、霧滴沖擊速度,這些特 性參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)水壓和氣壓的工作位置而改變。 即可以通過調(diào)節(jié)吒水比來實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻強(qiáng)度的控制。為分析上述參數(shù)對(duì)冷卻

9、強(qiáng)度的影響，現(xiàn)作如下 簡(jiǎn)化和約定。(1) 鑄坯表面由蒸汽和水霧組成的薄層是均勻 和穩(wěn)定的*(2) 薄層厚度保持S不變,層內(nèi)壓力均為Po(3) 霧滴在運(yùn)動(dòng)中保持球形。(4) 忽略霧漓童力作用。(5) 只有到達(dá)鑄坯表面的霧滴，才對(duì)鑄坯冷卻起 作用。穿過鑄坯表面薄層的霧滴數(shù)量,主要由兩方面 因素確定,一個(gè)杲霧滴穿越薄層的能力，一個(gè)是霧滴 總的數(shù)量。前一個(gè)因素是由霧滴速度和大小決定 的，后一個(gè)因素由水流密度決定。霧謫沖擊蒸汽層時(shí).阻力主要是薄層的壓力。 忽略其它力的影響'則霧簡(jiǎn)受力為：式中p薄層平均壓力,P釧S霧滴截面積,n?;V霧滴平均直徑,m。 霧滴加速度為：式中皿一霧滴質(zhì)ft , kg;

10、p霧滴密度* kg/m3 o霧簡(jiǎn)所能穿越的最大探度為：血嚴(yán)寺衛(wèi)(視)'P式中一霧滴沖擊速度,m/“H昨越大說明霧滴的穿透薄層到達(dá)鑄坯表面的 能力越強(qiáng)，冷卻強(qiáng)度越大。另外已有的研究結(jié)果證 實(shí)在水流密度較小時(shí)，冷卻強(qiáng)度與水流密度成線性 關(guān)系。綜合上述因素，則冷卻強(qiáng)度可以表示為。g = K' ( dfj )(4)式中K-常數(shù)；at水流密度,m3/(w? s) 02氣水比對(duì)冷卻強(qiáng)度的彩響對(duì)于某一噴嘴，可調(diào)參數(shù)只有氣壓和水壓，通過 調(diào)整氣水比來改變冷態(tài)特性參數(shù)(水濟(jì)密度、霧滴沖 擊速度、霧滴尺寸)，從而調(diào)整冷卻強(qiáng)度。所謂最佳氣水比即在滿足冷卻強(qiáng)度要求的條 件下，系統(tǒng)達(dá)到能耗最小時(shí)的水壓和

11、氣壓工作位置 的比值。下面以某氣霧唏嘴(全錐形噴射角度為抄)為 例,分析氣水比對(duì)冷態(tài)特性參數(shù)的影響，然后通過公 式(4),計(jì)算出該條件下的冷卻強(qiáng)度”根據(jù)計(jì)算結(jié)果 得到最佳氣水比的位置。選擇不銹鋼作為研究對(duì)象,冷卻介質(zhì)為水，噴嘴 距鑄坯表面高度為100 mmc2.1氣水比對(duì)冷態(tài)特性參數(shù)的影響U)氣水比對(duì)水流密度的影響根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸得到，當(dāng)水壓 恒定時(shí)，水流密度隨氣壓變化的關(guān)系式:水壓為 0.2 MPa = 0,002 75-0.004 77水壓為 0.25 MPa =0,003 1 -0.005 41 pf水壓為 0.3 MPa 毎= 0.003 3 - 0.004(2)氣水比對(duì)霧

12、簡(jiǎn)沖擊速度的影響根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸得到，當(dāng)水壓 恒定時(shí)，霧滴沖擊速度隨氣壓變化的關(guān)系式；水壓為 02 MPav=7.794 + 2.9pf+212.21pJ水壓為 0.25 MPa v = 8.54S - 9.563p, + 247.57p；維晉資訊 http:/www.cqvip.coi梅國(guó)暉等】吒水霧化噴嘴懾佳水出的確定維晉資訊 http:/www.cqvip.coi維晉資訊 http:/www.cqvip.coi水壓為 0.3 MPiu = 9- 282 - 2L. 815j)ff +282,対2朮(3)氣水比對(duì)霧蒲大小的影響根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸得到，當(dāng)水壓 恒宦時(shí)霧滴

13、尺寸隨氣壓變化的關(guān)系式：水壓為 0 + 2 MPad =62 + 360pf - 1 600p：水壓泊 0 + 25 MPaJ=67 + 53O-2 200p水壓芮 0 + 3 MPad70 + 750p#-3 000p上述關(guān)系式是在水壓恒定，調(diào)節(jié)氣壓大小而得 到的。共測(cè)試了三種水壓下冷態(tài)特性參數(shù)酚氣水比 的變化規(guī)律。2.2最桂氣水比的確定為了表述直觀，將水壓芮0.3 M%下氣水比對(duì) 冷態(tài)特性參數(shù)的曲線畫在圖2中圖中曲線作了無 因次變換-由圖2可以看出，隨著氣水比的增加，水 流密度呈線性減小，霧滴減小霧滴沖擊力增加。根 據(jù)公式(4),前兩項(xiàng)使得換熱強(qiáng)度降低，后一項(xiàng)使得 換熱強(qiáng)度增離。它們作用相

14、反，必然會(huì)出現(xiàn)極值點(diǎn)， 此點(diǎn)即拘該水壓下的最佳氣水比。根據(jù)公式也人冷卻強(qiáng)度經(jīng)過無因次變換后，得 到冷卻強(qiáng)度隨氣水比變化曲線，如圖3所示中隨著 氣水比的不同，憐卻強(qiáng)度出現(xiàn)極值點(diǎn)說明該種噴嘴 存在最佳氣水比.隨著水壓的增加+冷卻強(qiáng)度整體隨之增加*水壓 越大，最佳氣水比的數(shù)值越小。0£ MP#時(shí)，最隹氣水水壓O.JMPa02MP1X60.8L01.2A圖3汽水比對(duì)噴霉換熱系整的豪響Fig. 3 Air io water ratio effects an mintingtleat Iransrer coefiQicient比為0.&?0-25 MPh時(shí)，最佳氣水比酋0»95

15、;0.2 MPa 時(shí);最佳氣水比A l.2o這與連鑄二冷現(xiàn)場(chǎng)通常采 用的氣水比較拘接近。從上述分析可知最佳氣水比的工作位置不是 固定不變的,它隨著水壓的不同而改變。并且品著 水壓的增加，其最大冷卻強(qiáng)度也增加。所以對(duì)于一 個(gè)給定的冷卻強(qiáng)度,其最佳的工作位置應(yīng)該為圖3 中曲線峰值達(dá)到該冷卻強(qiáng)度時(shí)的氣壓和水壓的工作 位置。3結(jié)論維晉資訊 http:/www.cqvip.coi維晉資訊 http:/www.cqvip.coi水悅掙卻愛度沖擊遵度0.70.S0.9弋水比圖2吒水比對(duì)噴霧特性的矗響Fig.2 Air to water ratio effects on misiing characteris

16、tics(1) 分析了水流密度、霧滴尺寸和霧滴沖擊速 度對(duì)噴霧冷卻強(qiáng)度的控制機(jī)理，測(cè)試了氣水比對(duì)這 些參數(shù)的影響最終得到了氣水比影響冷卻強(qiáng)度的 關(guān)系曲線'從而確定了最怪氣水比的位置避免做熱 態(tài)實(shí)驗(yàn)減少了費(fèi)用和周期。(2) 計(jì)算可知,噴霧冷卻換熱乘數(shù)隨吒水比的增 加存在最大值，說明最佳氣水比存在?？偟某瑒?shì)是 隨著水壓的增加,最佳氣水比降低。(3) 最隹氣水比不是閒定不變的°需要根據(jù)要 求的冷卻強(qiáng)度，從圖3中的曲線族中，選擇滿足冷卻 強(qiáng)度的最低水壓的那條曲線，然后得到該曲線的最 佳氣水比值，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水壓和氣壓即芮最節(jié)能 的工作位置。維晉資訊 http:/www.cqvip.c

17、oi維晉資訊 http:/www.cqvip.coi(下糕第70頁)維晉資訊 http:/www.cqvi鋼鐵散鈦2004年第25卷毒考文就:1胡庭祥，蝕苗相.金學(xué)閘，上痔:上薄科學(xué)技術(shù)出題社,1980 2-284,2于 薄+趙洪運(yùn).宋起幔，聯(lián).表面形貌和狷滑條件對(duì)轎車用國(guó)產(chǎn)冷乳薄扳的成形性峯響J”金H成形工藝f2OT0T( 1):42-43.3 rt還,陳光南”伸展成形中冷軋障板表面粗穗度對(duì)變羽蟲穩(wěn)的離響ID”鋼鐵研1990.(3)=55-57*(4今中誠(chéng)(日本)“陣鋼板表面縊糙度與咸形性能關(guān)廉的研究*汽車工藝與材料J?97r(；22-27*塢輯山昌玉上接第51頁參考文粧：1 Deb SPY

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