(論文)連鑄二冷噴嘴噴霧特性測試系統(tǒng)開發(fā)

1、連鑄二冷噴嘴噴霧特性測試系統(tǒng)開發(fā)靳 星 文光華 唐 萍 齊彥峰（重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）摘 要：通過對現(xiàn)有連鑄二冷噴嘴噴霧特性測試方法的研究，提出了移動噴嘴、定點(diǎn)測試的噴嘴性能測試方法。該系統(tǒng)分別采用一對水量和壓力傳感器自動完成噴嘴水流密度分布和沖擊壓力的對稱測試，極大地減少了傳感器數(shù)量，節(jié)省了設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用，簡化了測試流程和人工操作，提高了測試的精度。通過對噴嘴噴霧性能測試，在不同工藝條件下可以選擇合適的噴嘴類型，優(yōu)化二冷區(qū)噴嘴布置方式，使鑄坯均勻冷卻，保證較好的鑄坯質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：連鑄二冷；噴嘴；噴霧特性；水流密度Development of system fo

2、r the spraying characteristic test of secondary cooling nozzle in the continuous castingJin Xing, Wen Guanghua, Tang Ping and Qi Yanfeng(College of Material Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing ,400044)Abstract: On the basis of the research on the spraying characteristic testing

3、method of the secondary cooling zone nozzle in the continuous casting, the means of moving the nozzle and keeping the test point fixed was put forward. The testing system, separately uses a pair of water flow sensors and pressure sensors to get the distribution of the water flow density and impactin

4、g force, greatly reduces the amount of sensors, decreases the equipment investment and the maintenance expenses, simplifies the testing process and manual manipulation, improves the precision of the equipment. Through the spraying characteristic testing, select proper nozzle type in different techno

5、logical conditions, optimize the nozzle arrangements in the secondary cooling zone so as to make the casting blank uniform cooling and ensure better quality of the casting blank.Key words: secondary cooling of continuous casting；nozzle；spraying characteristic；water flow density1 前言連續(xù)鑄鋼過程是鋼水冷卻凝固的過程，它

6、是將液態(tài)鋼的過熱量、凝固潛熱和余熱用某種方式帶走使鋼水凝固成固態(tài)鑄坯的傳熱過程。在生產(chǎn)工藝上采取的主要措施是通過噴水強(qiáng)制冷卻將上述三種熱量帶走。在連鑄坯的冷卻凝固過程中，二冷區(qū)冷卻凝固是鑄坯凝固的中心環(huán)節(jié)。而二冷區(qū)內(nèi)各種傳熱方式中，噴嘴噴水與鑄坯表面的傳熱是主要的，也是可控的，它直接影響了鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量。在連鑄機(jī)設(shè)備和工藝一定的條件下，二冷區(qū)噴嘴的噴霧特性是影響鑄坯熱量傳遞的主要因素，也是設(shè)計(jì)合理二冷制度的基本參數(shù)。連鑄二次冷卻對鑄坯質(zhì)量有顯著的影響。在連鑄二冷區(qū)內(nèi)，通過噴嘴噴水冷卻，加速鑄坯的凝固，可以控制鑄坯表面溫度分布合乎工藝的要求，防止鑄坯產(chǎn)生表面裂紋和內(nèi)部裂紋。 因此，對噴嘴噴霧

7、特性參數(shù)（包括水流密度分布、水滴沖擊壓力分布、噴射角度和流量特性）進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，保證實(shí)際生產(chǎn)中所使用噴嘴的性能達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)要求，對連鑄生產(chǎn)和保證鑄坯質(zhì)量有重要的意義12。 2 噴嘴噴霧特性測試系統(tǒng)的開發(fā)2.1 現(xiàn)有噴嘴性能測試方法及存在的問題目前國內(nèi)外對連鑄二冷噴嘴水流密度分布定量檢測方法大體有三種：一是采用水平噴射，噴嘴前方布置密排的集水管，采用軟管將水流導(dǎo)引至集水瓶中，然后采用量杯逐個量取集水瓶中的水量，計(jì)算出各點(diǎn)的水流密度，得到水流密度分布。該方法需要時間長，人工工作量大，而且經(jīng)過幾個環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)測量精度低。 二是測量裝置采用大量的傳感器, 每個測試點(diǎn)配備一個傳感器，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動檢

8、測。該方法的優(yōu)點(diǎn)是增加了系統(tǒng)的自動化程度，減少了工作量，但缺點(diǎn)是設(shè)備投資大大提高, 維護(hù)工作及維護(hù)費(fèi)用增加, 同時由于集水器和傳感器本身之間的誤差使得數(shù)據(jù)精度和可比性受到影響。三是仍然采用試管水量收集的方法3，通過接收管下部連接的電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)接收管的集水、排水、測試初始位置的調(diào)節(jié)等功能，與電磁閥相連接的開關(guān)和傳感器來進(jìn)行集水管中的液位測量，并將信號輸入計(jì)算機(jī)自動進(jìn)行處理，獲得噴嘴的水流密度分布。該方法的優(yōu)點(diǎn)是整個系統(tǒng)僅用兩個傳感器便可對上百個集水管中的水量進(jìn)行測量, 極大地減少了傳感器數(shù)量，節(jié)省了部分設(shè)備投資, 消除了不同傳感器之間的測量誤差，但仍然存在集水系統(tǒng)復(fù)雜、電磁閥門多、維護(hù)工作量

9、大和整個過程測試時間長等不足。噴嘴沖擊壓力分布測試是采用多個壓力傳感器，計(jì)算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)，得到?jīng)_擊壓力分布曲線。該測試方法缺點(diǎn)是傳感器數(shù)量多，投資大，維護(hù)工作及維護(hù)費(fèi)用高，同樣也存在由于傳感器本身之間的誤差使得數(shù)據(jù)精度和可比性受到影響的問題。此外，現(xiàn)有的噴嘴水流密度分布和沖擊壓力分布測試均在兩套不同的裝置上進(jìn)行，能否在同一裝置上完成兩檢測參數(shù)的測定，同時又能克服現(xiàn)有檢測方法的不足是新的噴嘴性能測試系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題。2.2 噴嘴噴霧特性測試裝置開發(fā)針對現(xiàn)有噴嘴噴霧特性測試方法的不足，由重慶大學(xué)現(xiàn)代冶金技術(shù)研究所研制了一種基于移動噴嘴、定測試點(diǎn)方法的連鑄二冷噴嘴噴霧特性測試系統(tǒng)，分別采用一對

10、水量和壓力傳感器自動完成噴嘴水流密度分布和沖擊壓力的對稱測試。本系統(tǒng)采用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，測試原理示意圖如圖1所示，在儀器中沿水流噴射的方向在兩端固定壓力傳感器和水量傳感器，傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動噴嘴在這兩點(diǎn)間移動；移動的同時，計(jì)算機(jī)在定時間步長采集噴射水量的增量和沖擊壓力，根據(jù)水重的增量（式1.1）可以計(jì)算出噴射范圍內(nèi)各采集點(diǎn)的水流密度，由壓力傳感器采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)為噴嘴不同噴射位置的沖擊壓力，在水流密度分布的基礎(chǔ)上計(jì)算出噴嘴的噴射角度（式1.2）。 其中數(shù)據(jù)處理方法如下：（1）水流密度的計(jì)算公式為：wi-mi-1i=mS（1.1）式中：wi第i采集點(diǎn)的水流密度，L·m-2·s-1

11、；水的密度，g·L-1；采集時間步長，s；mi從測試起點(diǎn)到i采集點(diǎn)集水器收集的總水量，g；S集水器敞口面積，m2（2）噴嘴噴射角度的計(jì)算公式為：=2arctg(L/2H) （1.2）式中： 噴射角，°； L噴射長度，m；H噴嘴到鑄坯表面距離，m；其中L直接測量不準(zhǔn)確，所以這里根據(jù)計(jì)算的水流密度分布來確定噴射長度，選取的標(biāo)準(zhǔn)為噴嘴兩側(cè)水流密度第一次大于或等于水流密度最大值1/10所在位置之間的距離。1測試平臺；2集水器；3盛水器；4-壓力傳遞桿；5擋水器；7噴嘴；A、B、C、D-傳感器圖1 測試原理示意圖Fig.1 The sketch map of the testing

12、principle噴嘴噴霧特性測試系統(tǒng)包括水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和綜合測試柜、計(jì)算機(jī)控制部分。綜合測試柜由智能控制儀、噴嘴移動機(jī)構(gòu)、沖擊壓力測試裝置和水流密度測試裝置組成。綜合測試柜外觀圖如圖2所示。計(jì)算機(jī)控制部分：通過串口通訊計(jì)算機(jī)可以直接操縱控制測試系統(tǒng)，也可以通過測試柜上的控制面板進(jìn)行控制，測試結(jié)果可以直接讀取或進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在計(jì)算機(jī)中設(shè)置完測試參數(shù)后，啟動測試，自動記錄傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后得到?jīng)_擊壓力和水流密度的分布圖以及噴嘴的噴射角度。圖2測試柜外觀圖Fig.2 The appearance of the testing instrument3 噴嘴噴霧特性測試結(jié)果與分析3.1軟件測

13、試結(jié)果與分析測試結(jié)果以兩種方式形式表示。一是以圖形的方式直接顯示測試結(jié)果，噴射角由軟件計(jì)算，在測試報(bào)告中給出，圖3給出了某水噴嘴的水流密度和沖擊壓力分布測試結(jié)果。圖3 測試結(jié)果Fig.3 The result of the testing二是以數(shù)據(jù)文件的方式給出測試結(jié)果，該數(shù)據(jù)文件可以在Excel電子表格下進(jìn)行圖形繪制。圖4給出了某扁平型氣水噴嘴在水壓0.3MPa、氣壓0.2MPa測試結(jié)果（在Excel中的處理后的結(jié)果）。表1列出此噴嘴在相同條件下連續(xù)三次的測試結(jié)果偏差比較。該噴嘴噴射角測試為120.5°，該噴嘴工藝參數(shù)中噴射角為120°，相同條件下的連續(xù)測試偏差保持在3以

14、內(nèi)，測試數(shù)據(jù)具有良好的重現(xiàn)性。圖4 水流密度（a）和沖擊壓力（b）的分布情況 Fig.4 The distribution of the water flow density (a) andimpacting force (b)表1 相同條件下的三次噴嘴測試結(jié)果的比較 Table 1 Comparison between three times test results of thenozzle in the same condition測試次數(shù)平均最大偏 參 數(shù) 1 2 3 值 差（） 水流密度 最大值 89.44 86.67 86.67 87.59 2.1 /L·m-2s-1 平

15、均值 31.73 32.04 32.16 31.97 0.7 沖擊壓力 最大值 7.09 7.19 7.10 7.13 0.9 /KPa平均值 4.07 3.95 3.93 3.98 2.2 噴射角 /°120.1121.5119.8120.50.83.2噴嘴布置方式優(yōu)化在優(yōu)化噴嘴布置方式時，可以根據(jù)噴嘴布置的間距，同時對多個噴嘴進(jìn)行測試，檢驗(yàn)在此種布置方式下，水量分布情況是否滿足鑄坯冷卻的要求，為保證良好的鑄坯質(zhì)量提供了理論依據(jù)。如圖5所示，兩個扁平型氣水噴嘴在水壓0.3MPa、氣壓0.2MPa的測試結(jié)果（虛線為第一個噴嘴的中心位置），其中圖a、b、c分別為兩噴嘴布置間距在400m

16、m、500mm、700mm時水流密度分布情況，布置方式a中，兩噴嘴中間位置的水流密度較大，冷卻不均勻，局部冷卻強(qiáng)度過大，容易引起鑄坯缺陷；布置方式c中，中間位置的水流密度較小，不利于均勻冷卻；在布置方式b下，水量分布比較均勻，能夠使鑄坯均勻冷卻。abc圖5 不同布置方式下的水流密度分布曲線（噴嘴間距a：400mm；b：500mm；c：700mm）Fig.5 The distribution of the water flow density betweendifferent nozzle arrangements比較三種布置方式可知，布置方式b為兩個氣水噴嘴在此條件下的最佳布置方式，能夠使鑄坯

17、均勻冷卻，保證較好的鑄坯質(zhì)量。當(dāng)噴嘴數(shù)目增多時，也可以利用同樣的方法來選擇最佳的噴嘴布置方式。本系統(tǒng)縮短了測試時間，由于測試過程減少了人為因素的影響，提高了測試的精度，同一噴嘴多次測試結(jié)果的偏差可以控制在3%以內(nèi)。測試系統(tǒng)投入成本低，操作簡單、界面友好，易于噴嘴生產(chǎn)廠和鋼鐵廠噴嘴噴霧性能檢測使用，達(dá)到如下目標(biāo)：1） 對生產(chǎn)和購進(jìn)的連鑄二冷噴嘴性能進(jìn)行檢測，檢驗(yàn)是否滿足噴嘴指標(biāo)要求；2） 對正在使用的噴嘴進(jìn)行抽檢，發(fā)現(xiàn)噴嘴磨損和堵塞狀況，決定繼續(xù)使用、修復(fù)或更換；3) 根據(jù)噴嘴性能參數(shù)，優(yōu)化噴嘴布置方式，滿足連鑄不同斷面冷卻要求。4 結(jié)論(1) 采用移動噴嘴、定點(diǎn)測試的方法來測試噴嘴不同噴射位置的水流密度和沖擊壓力，實(shí)現(xiàn)了同一裝置上水流密度和沖擊壓力分布的自動對稱性測試。(2) 該測試系統(tǒng)極大地減少了傳感器數(shù)量，一方面是節(jié)省了設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用,