節(jié)能型霧化噴嘴在連鑄工藝上的發(fā)展

1、連鑄生產(chǎn)中的智能數(shù)字化KOICHI TSUTSUMI 1, JUN KUBOTA 2, AKIRA HOSOKAWA: SATOSHI UEOKA 1,HISATSUGUAKANO 4, AKIMASA KURAMOTO 5 AND IKUHIRO SUMI Steel Research Laboratory, JFE Steel Corporation, 1-1 Minamiwatarida-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki,Kanagawa Pref., 210-0855, Japan, TEL +81-44-322-6090, FAX +81-44-3226519,

2、E-mail : HYPERLINK mailto:ktsutsumijfe-steel.co.jp ktsutsumijfe-steel.co.jp2 Steel Research Laboratory, JFE Steel Corporation, now Intellectual Property Dept.3 West Japan Works, JFE Steel Corporation4 Research & Development Division, H. Ikeuchi & Co., Ltd.5 Spray Nozzle Division, H. Ikeuchi & Co., L

3、td.摘要：從穩(wěn)定的工業(yè)運(yùn)行和鑄坯的質(zhì)量來看，二冷是煉鋼連鑄過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。從歷史上看，最初 在連鑄工藝中使用的是水噴嘴，但隨后為防止噴咀堵塞和鑄坯表面裂紋開發(fā)了霧化噴嘴。而且，在二次冷 卻過程中，在較寬的噴水速率范圍內(nèi)，需要滿足較高的鑄坯冷卻能力。然而，關(guān)于二冷過程的冷卻能力， 特別是在噴射方向上的噴淋密度和沖擊壓力的報(bào)道很少。本研究通過研制幾種水和霧化噴嘴并通過實(shí)驗(yàn)測 試它們在不同工況下的冷卻能力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在噴嘴設(shè)計(jì)中，要選擇合適的噴淋密度和沖擊壓力， 才能獲得較高的冷卻能力。關(guān)鍵詞：連鑄；氣霧；沖擊壓力；噴淋密度，熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱流，熱電偶，氣噴嘴，水噴嘴Keywords:

4、continuous casting, air mist, collision pressure, spray thickness, heat transfer coefficient, heat flux, thermocouple, pneumatic spray nozzle, hydraulic spray nozzle1引言從穩(wěn)定的工業(yè)運(yùn)行和鑄坯的質(zhì)量來看，二冷是煉鋼連鑄過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。從歷 史上看，最初在連鑄工藝中使用的是水噴嘴，但隨后為防止噴咀堵塞和鑄坯表面裂紋開發(fā) 了霧化噴嘴。許多研究人員已經(jīng)基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)給出了不同冷卻能力條件下水噴嘴和霧化 噴嘴對連鑄工藝的影響報(bào)告1-

5、6。近年來，在煉鋼廠商業(yè)化運(yùn)作中的二次冷卻工藝?yán)?，有著較高冷卻能力的霧化噴嘴被 應(yīng)用于板坯連鑄高速作業(yè)操作的比例超過了水噴嘴。然而，關(guān)于二冷過程的冷卻能力，特 別是在噴射方向上的噴淋密度和沖擊壓力的報(bào)道很少。因此，在本研究中，通過采用熱態(tài)板子和幾種轉(zhuǎn)為本研究開發(fā)的噴嘴，各種條件對噴水噴嘴和霧化噴嘴冷卻能力的影響在實(shí) 驗(yàn)室中被定量明確。此外，基于冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，提出了基于噴淋密度和沖擊壓力的總傳熱系數(shù) 估算公式。2試驗(yàn)和評估方法本實(shí)驗(yàn)制備了用于實(shí)驗(yàn)的噴嘴包括三種噴霧噴嘴（常規(guī)型、A型、B型）和一種噴水噴嘴（C型）。圖1展示了噴嘴的發(fā)展理念。噴淋密度定義為在輻子之間噴淋作業(yè)中，沿著連 鑄機(jī)的鑄造方向上的

6、長度。本研究中，通過劇烈變化噴淋密度從而明確其對冷卻能力的影 響。A型霧化噴嘴比常規(guī)的霧化噴嘴有著較大的噴淋密度，同時(shí)還在鑄造方向上保持著恒定 的沖擊壓力。在保持恒定的情況下，比常規(guī)霧化噴嘴的厚度要大。鑄造方向的沖擊壓力。C型與骸型具有相同的特性，但與噴水噴嘴具有相同的理念。網(wǎng)噴嘴基于Okumura 7 等人B型噴嘴可的報(bào)告生產(chǎn)出來，雖然噴嘴下的的水密度很低且在鑄造方向的沖擊壓力不均勻, 以保持較寬的噴淋密度。Mist spray (water+air)Hydrau ic sprayConventional Improved OlmprovedImprovedType A) (Type B)(

7、Type C)Spray thickness.Casting direction.圖1幾種噴嘴水流分布示意圖30個(gè)丙烯酸樹脂箱子組成橫截面積為10m偵，30mm:的區(qū)域。這些箱子被粘合在一起并置于噴嘴之下。在噴嘴將冷卻水注入這些箱子里以后，箱子里累計(jì)的冷卻水高度可以被檢測到。這些水箱平行于鑄造方向呈 3排布置，分別位于噴嘴下部 0,80以及180mrmj位置，在測量總共90只箱子內(nèi)的冷卻水高度的基礎(chǔ)上，可以得到噴淋分布圖以及相較于最大高度的25%高度處可以被找到。噴淋密度被定義為：“獲得25%賁射范圍處的長度”。沖擊壓力采用一個(gè)傳感器頭（10 x10mn積）測量，并且采用原始測量數(shù)據(jù)中的最大值

8、。測量噴嘴換熱的研究方法參考了先前的研究。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。表1熱模擬試驗(yàn)條件Sample plateMaterialSUS304(A：15.9 WW/K atOP)Size (mm)20tx280wx600LWeight (kg)25ThermocoupleNumber7Position (mm)150,100, 50, 25, 0, 工務(wù)75 (Distance from center of sample plate)Extraction temperature of sample plat from heating lurnace (吧)1200Start temperatejre f

9、or cooling ()1040-1080WaterFlow rate (Umin)6.6 - 47.8Pressure (MPa)0.17-0.60AirFlow rate (Umin)75 - 480Pressure (MPa)0J1 0.35Cooling time 120-240Water temperature of spray nozzle (七)29 31(flVft. 29.6)Sampling time (s)OJEmission rate (-)0.8Stefan-Boltzmann constant (-)5,67*104無縫管用來模仿輻道，這些管子被間隔300mm（置

10、，如同在連主機(jī)上的輻道一樣。噴嘴高度可從110mm-252mm間變化。一塊長 600mm寬280mmi度20mmi業(yè)不銹鋼板（SUS304作為模擬板坯。沿著板子中心線低于板面2mn置了七只熱電偶。數(shù)據(jù)記錄器每隔0.1s自動(dòng)采集一次溫度數(shù)據(jù)。這塊 SUS30七銹鋼板采用一個(gè)電加熱爐進(jìn)行加熱，并將其加熱至 1200c，保溫20分鐘后，將不銹鋼板從電爐內(nèi)移出并被放置在試驗(yàn)裝置上，開始冷卻試驗(yàn)，雖然這塊鋼板從電爐中移出時(shí)的溫度為1200c，但是由于板子重量較重（25kg）以及處置熱電偶等作業(yè)，使得板子從出爐到開始冷卻經(jīng)過約50s的時(shí)間，這就導(dǎo)致熱電偶在冷卻開始階段就有1040-1080 C的溫度。換熱

11、率基于日本鋼鐵協(xié)會(huì)加熱爐委員會(huì)的方法通過有限差分法數(shù)值模擬推得8。.試驗(yàn)及討論冷態(tài)試驗(yàn)（噴淋密度及沖擊壓力）圖2所示為噴淋密度與沖擊壓力關(guān)系曲線。所有數(shù)據(jù)基于每個(gè)噴嘴水流量47.8 L/min且噴嘴高度126mriU得。A型噴口f基于A型霧化噴嘴?？梢钥闯鲭S著噴淋密度的增長，沖擊壓 力有所下降，從圖中可見，盡管噴嘴的形式不同，但是郵噴嘴也大致遵循同樣的曲線。00 2 50 OO 1 50圖2噴淋密度與沖擊壓力關(guān)系曲線（水流量 47.8 L/min ,噴嘴高度126mm熱態(tài)試驗(yàn)圖3所示為采用這四種噴嘴的熱態(tài)試驗(yàn)中對流換熱系數(shù)的推算結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為同樣冷卻條件下繪制的平均值。結(jié)果表明，相對于常

12、規(guī)噴嘴，A型噴嘴的換熱系數(shù)隨著噴淋密度的增加而增加；即使是考慮到因?yàn)閲娏苊芏仍黾訉?dǎo)致噴頭下方不均勻噴射分布，與常 規(guī)噴嘴相比，B型噴嘴的換熱系數(shù)仍然是較大的。而且，雖然叫噴嘴的換熱系數(shù)與常規(guī)噴嘴相比較小，但是在這些新開發(fā)的水噴嘴和霧化噴嘴中，它的噴淋密度是最寬的，而且在 溫度為700-1000 C范圍內(nèi)，它的換熱系數(shù)絕對偏差也是這項(xiàng)研究中最小的。噴霧厚度和碰撞壓力對傳熱影響的估算方程熱態(tài)試驗(yàn)基于水流量6.6 to 47.8 L/min ,噴嘴高度為110-252 mm的冷卻條件下執(zhí)行。 研究發(fā)現(xiàn)?；诳偟膿Q熱系數(shù)是噴淋密度和沖擊壓力乘積成正比的假設(shè)，將這些結(jié)果用最 小二乘法擬合，作為擬合結(jié)果，

13、從一個(gè)新的參數(shù)，即：噴淋密度與沖擊壓力的乘積，得到 了新的總換熱系數(shù)均值估算方程（單位：W/n2K）,如下：% =6.21xZrfxP + 397式中：Ld是噴淋密度（單位：成，P是沖擊壓力（單位：N/m2）。這是一個(gè)噴嘴下部總分換熱系數(shù)均值的精確方程。所以，這個(gè)方程可以用來估計(jì)噴嘴沒有采用加熱樣板進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)候的冷卻能力。7 DC .11020(K)4000 BOCO S000 1WO0C&nvctiv tranfr 0口而eoa _,置ea-o-七T-MOt7配七tTOOtType A-100-100-t 1000%*MO1C- -S-的 01-7smc7(10七20004000 SOW

14、Convtothft ht tranvfv oo-fficXntCJ/ni/K)CQnv*vtiv Mt tnnf*rJ/m 1/IO-100 ss0秘制4W0 1WIWConvwdv* M*at tranifwCUIEW里wod黑藍(lán)m黑一三三圖3對流換熱系數(shù)比較.推論為了估算連鑄機(jī)二冷過程的冷卻能力，并證明噴淋密度與沖擊壓力對其定量的影響，開發(fā)了幾種噴水和霧化噴嘴用于冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)。(1)、為了實(shí)現(xiàn)高冷卻能力，設(shè)計(jì)噴嘴時(shí)很重要的一點(diǎn)就是選擇適合的噴淋密度和沖擊壓力。(2)、提出了新的噴淋冷卻總的換熱系數(shù)估算公式，如下所示：力2 =6.21xZy/xP + 397式中：Ld是噴淋密度，P是沖擊

15、壓力。這個(gè)方程可以用來估計(jì)不進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)噴嘴的 冷卻能力。參考文獻(xiàn)：E.A.Mizikar : Iron and Steel Engineer, (1970, June), p.53M.Mitsutsuka : Tetsu-to-Hagan e , (1968, Volume 54), p.1457M.Mitsutsuka, Y.Fukuhisa, M.Wake, M.Okajima, N.Miyashita andY.Takeda : Tetsu-to-Hagan e , (1984, Volume 70), p.694T.Teshima, T.Kitagawa, S.Miyashita,

16、 H.Funanokawa, K.Ozawa andK.Okimoto : Tetsuto-Hagan e , (1988, Volume 74), p.1282Y.Ito, T.Murai, Y.Miki, M.Mitsuzono and T.Goto : ISIJ Int. (2011,Volume 51), p.1454T.Kawawa and T.Kitagawa : Tetsu-to-Hagan e , (1974, Volume 60),p.S103H.Okumura, M.Okimori, T.Masuda, K.Inaoka, T.Imai, E.Ikezaki andY.Hi

17、ramoto: CAMP-ISIJ, (1988, Volume 1), p.1241Small Heating Furnace Committee, Thermal Economy Section, Iron andSteel Institute of Japan: Heat transfer experiment and calculationmethod about continuous casting slab in the heating furnace, Iron andSteel Institute of Japan, Tokyo, (1971), p.68KURT HERZOE

18、INHOLD LEITNER THOMAS KUEHAMARKUSRINGHOFE RCCM 4.0 - DIGITALIZATION FOR INTELLIGENT PRODUCTION IN CONTINUOUS CASTINGKOICHI TSUTSUMI 1, JUN KUBOTA 2, AKIRA HOSOKAWA 3, SATOSHI UEOKA 1,HISATSUGU AKANO 4, AKIMASA KURAMOTO5 AND IKUHIRO SUMI 1Abstract: Secondary cooling is an important process in continu

19、ous casting in the steelmaking division from the viewpoints of stable industrial operation and the quality of cast slabs. Historically, hydraulic spray nozzles were originally used in the continuous casting process, but mist spray nozzles were developed subsequently to prevent clogging of the nozzle tip and surface cracks of cast slabs. Moreover, higher slab cooling capacities have been needed to cope with high speed casting operation over the wide range of water spray rates in the secondary cooling process. However, there are few reports on the cooling capacity of the secondary cooling p