D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1985.04.001 北京钢铁学院学报 1985年第4期 3/8BD3型喷嘴流股扩张角度研究 炼钢教研室张克强 搞 要 本文分析了.8/3BD3型连铸二冷喷嘴冷却水雾化的机理，导出了喷嘴结构对流 股扩张角度影响的理论公式，用计算结果和实际测定结果进行了比较。并用此公式 分析了喷嘴结构对流股扩张角度的影响，指出了提高喷嘴喷水量的途径。 前 言 最近几年，从西德曼内斯曼一德马克公司引进的小方坯连铸机，以及在邯钢移植的小 坯连铸机的二冷区都使用了3/8BD3型喷嘴。经过对喷嘴的冷态特性测定」（其中包括：压 力一流量、扩张角度、水流密度分布、颗粒直径、复盖面积等)表明：这种喷嘴属于弱冷 形喷嘴，喷出流股的形状近似于空心锥型。它能使铸坯在矫直点处的温度高于900℃，使铸 方坯能够避开钢的脆性温度区700~900℃，进行矫直，从而减少了铸坯产生裂纹的机会。 喷嘴工作的冷态、热态特性直接影响着铸坯的产量和质量。因此研究喷嘴工作的冷态、 热态特性，研究获得较好的工作特性所需要的条件，这对进一步消化和提高引进的连铸技术 是非常重要的。本文在分析冷却水出喷嘴前运动的基础上，建立了计算流股扩张角度的理论 公式，并用理论公式讨论了喷嘴结构对流股扩张角度的影响，为设计同类型各种扩张角度的 喷嘴提供了理论依据。 一、8/3BD3型喷嘴的基本结构及雾化机理 8/3BD3型喷嘴有一个可使水旋转的圆柱型空腔，空腔的一瑞在切线方向开有一个小 孔，在空腔另一端接有一个同心的圆锥型通道，圆锥型通道的另一端就是喷嘴的出口。基本 结构及有关尺寸见图1。 当冷却水经过管道进入喷嘴的小孔时，管道中的压力能转变为动能，使冷却水以一定的 运动速度进入喷嘴空腔。由于小孔开在圆柱型空腔的切线位置上，冷却水就沿着圆柱型空腔 :图18/3BD3型喷嘴基本结构及尺寸示意图 图2流股形状示意图 1
北京钢 铁学院学报 年 第 期 一 目， 闷 口 一 内目巨 一 电 口 山 ，‘ 一 型喷嘴流股扩张角度研究 炼钢教研 室 张 克 强 摘 要 本 文分析 了 型连铸二 冷喷 嘴冷却水雾 化的 机理 ， 导 出了喷嘴结构对流 股扩 张兔度 影响的理论 公 式 ， 用 计算结果和 实 际测定结果进行了 比较 。 并 用 此公 式 分 析 了喷 嘴结构对 流股 扩 张 角度 的影响 ， 指 出 了提 高喷 嘴喷水量 的途径 。 前 言 最 近几年 ， 从西德曼 内斯曼— 德 马克公司 引进 的小方坯连 铸机 ， 以及在邯 钢移植的 小 坯连铸 沉的二 冷区都 使用 了 型 喷嘴 。 经 过 对喷嘴的 冷态特性浏定 甲 其 中包括 压 力— 流量 、 扩张角度 、 水流密 度分布 、 颗 粒 直径 、 复盖面 积等 表明 这种喷嘴属于 弱冷 形喷嘴 ， 喷 出流股 的形状 近似于空心锥 型 。 它能使铸 坯 在矫 直 点处的温度高于 ℃ ， 使铸 方坯 能够 避 开钢 的脆性温度 区 ℃ ， 进 行矫直 ， 从而减少 了铸坯 产生裂纹的机会 。 喷嘴工 作的冷态 、 热 态特性直接影 响着铸坯 的产量和 质量 。 因此研究咬嘴工作的冷态 、 热态特性 ， 研究获得较好的工作特性所需要的条件 ， 这对进一 步 消化和提高引进的连铸技术 是非常 重要的 。 本文 在分 析冷却水出喷嘴前运动的基础 上 ， 建立 了计算流股扩张 角度的理论 公式 ， 并用理论公式讨 论 了喷嘴结 构对 流股扩张 角度的影 响 ， 为设计 同类型 各种扩张角度的 喷 嘴提供 了理论 依据 。 一 、 型 喷嘴 的基本 结构及 雾 化机理 型喷 嘴有 一 个可 使 水旋 转的 圆柱 型空腔 ， 空腔 的一 端在 切 线 方 向开有一个小 孔 ， 在 空腔 另一端接 有一 个 同心 的 圆锥型通道 ， 圆锥型通道 的 另一端就 是喷嘴的 出 口 。 基本 结 构 及有关尺寸见 图 。 当冷却 水经 过 管道 进 入喷 嘴的小孔时 ， 管道 中的压力能转变 为动能 ， 使 冷却水 以一定 的 运动速 度进 入喷嘴空腔 。 由于小孔 开在 圆柱 型空腔 的切线位 置 上 ， 冷却水就 沿着 圆柱型空腔 图 型喷嘴基本结构及尺 寸示 意图 图 流股形 状示 意图 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1985．04．001
的内表面旋转起来。后面的冷却水不断地进入，使冷却水在圆柱型空腔及圆锥型通道内呈螺 旋线运动。根据运动叠加原理，冷却水的螺旋线运动可分解为向前的运动和旋转的运动，亦 即冷却水具有向前运动的速度和旋转运动的线速度。喷嘴出口处，在这两种速度的影响下， 就形成了一定扩张角度近似空心锥型的雾化流股，见图2。 二、理论公式的推导 假定： 1.由于喷嘴内圆柱型空腔及圆锥型通道的内表面加工很光滑，冷却水除了受向心力作 用外，不受其它外力影响。 2.喷嘴流股的扩张角度主要依赖于喷嘴结构，'而喷嘴的工作压力对流股扩张角度影响 相对不大，因此这里不考虑喷嘴工作压力对流股扩张角度的影响。 在喷嘴小孔处，冷却水的流动速度了的模|？可用下式表示： 1P=√2 (1) 式中： 寸A:喷嘴入口处冷却水速度cm/s ,·g:重力加速度cm/s2 p:冷却水压力kg/cm2 Y:冷却水重度g/cm3 由于后孔开在圆柱体空腔的切线位置上，冷却水 进入圆柱形空腔后，旋转的线速度由(1)式确定。冷 却水旋转到圆锥型通道及喷嘴出口处，根据假定1，冷 却水旋转的线速度的值并没有改变，仍由(1)式确 定。在喷嘴出口处，寸的方向是喷嘴出口任一点M的 (a) (b) 切线方向，见图3(a)。 在嘴喷工作稳定以后，进入喷嘴的冷却水流量等于 图3冷却水出喷嘴外运动 示意图 喷出喷嘴的冷却水流量，即： I7小D2=1C.D2 式中： D:喷嘴入口处直径cm 寸。：喷嘴出口处冷却水速度cm/s DB:喷嘴出口处直径cm C:流量系数 公式（2)中，流量系数C≤1，这里忽略流量误差，使C等于1。根据假定2，在喷嘴出 口处冷却水向前运动的速度寸的模{寸1用(3)式表示。 |节l=ID2 D (3) 速度寸：的方向是在M点指向前方和圆心。它是由圆锥形通道的锥度确定的。见图3(b)。 2
的内表面旋转起来 。 后 面的 冷却水不断地进入 ， 使冷却水 在 圆柱型空腔及 回锥型通道 内呈 娜 旋线运动 。 根据运 动叠 加原理 ， 冷却水的 螺旋线运 动可 分解为向前的运动 和旋转的运动 ， 亦 即冷却水具 有向前运动 的速度和旋转运动的线速度 。 喷嘴出口 处 ， 在这 两种 速 度的影响下 ， 就形 成 了一定扩张角度近似 空心锥型的雾化流股 ， 见 图 。 二 、 理 论公式的推导 假定 由于喷嘴 内圆柱型 空腔 及 圆锥型通道的内表面 加工很光滑 ， 冷却水除 了受 向心 力作 用外 ， 不受其 它外力影响 。 喷嘴流股 的扩张 角度主 要 依赖于喷嘴结构 ， ’ 而喷嘴的工 作压力对流股 扩张 角度影响 相对不大 ， 因此这 里不考虑喷嘴 工作压力对流股扩张 角度的影响 。 在喷嘴小孔 处 ， 冷却水的流动速 度 犷 人 的模 护 人 可用下 式表示 护 人 杯竿 哈 式 中 犷 人 喷嘴入 口 处冷却水速 度 。 重力加速 度 、 。 护 冷却水压 力 ’ 丫 一 冷却水重度 ， 由于后 孔 开 在 圆柱 体空 腔的切线位 置 上 ， 冷却水 进入 圆柱 形空腔后 ， 旋转的线速度由 〔 式 确定 。 冷 却水旋转到 圆锥型通道 及喷嘴出口 处 ， 根据假定 ， 冷 却水旋转的线速 度的值 并 没 有改 变 ， 仍由 式确 定 。 在喷嘴出口 处 ， 护 的方向是喷嘴 出口 任一 点 的 切 线 方向 ， 见 图 。 在嘴喷工作稳定 以后 ， 进 入喷嘴 的冷却水 流量等于 喷 出喷嘴的冷却水流量 ， 即 父 二洋 图 冷却水出喷嘴外运 动 示 意图 犷 卜 一李 “ 扩 。 。 一匹 式 中 人 喷嘴入 口 处直径 护 。 喷嘴 出口 处冷却水速 度 喷嘴 出 口 处直径 流量 系数 公 式 中 ， 流量 系数 三 ， 这 里忽略流量误差 ， 使 等于 。 根据假定 ， 在喷嘴出 口 处冷却水向前运动 的速度材 。 的模 护 。 ，用 式 表示 。 ， 。 ， 一 卜 ， 习 一 一一一一下寸一丁一一一一 ‘ 口 日 速 度扩 。 的方 向是 在 点 指向前方 和 圆心 。 它是 由 圆锥形通道 的锥度确定 的 。 见图
寸λ和寸两个速度的合成寸就确定了冷却水出喷 嘴后运动的方向。这只是在M点处冷却水运动的方向。 而喷嘴喷出的冷却水流股的形状实际上是在喷嘴出口各 点冷却水运动方向的组成。流股的扩张角度可以从寸AB 与垂直于喷嘴出口平面的夹角确定。 喷出口+ 建立直角坐标系见图4。 从图4可以看出，流股的扩张角度是2倍的寸A与Z 图4直角坐标系 轴之间的夹角r。 Z轴与市的夹角，可用方向余弦公式表示。 |产·co8β co6r=(coB)+(lsinB) (4) 式中： r:寸AB与Z轴之间夹角。 B:圆锥型通道锥度。 把(1)式(3)式代入(4)式整理后可得 cosr= D2.C08B VD+D。- (5) r=arccog- D2.CoBB (6) D+D 喷嘴流股的扩张角度a为 a=2arcco8 D.CoBB (7) VD+D 三、计算结果与实测结果的比较 把喷嘴的有关数据（见图1)代入公式（7)，经过计算，流股扩张角度a值为85°把 同类型的不同喷嘴在工作压力为2kg/cm、4kg/cm2、6kg/cm2下进行测定，得出流股的 扩张角度见表1。 表1 不同喷嘴的流股扩张角度 工作压力kg/cm2 喷嘴号 来源 2 4 6 7 天津钢厂 82.7 842 86.6 12 邯钢 84.6 85.8 86.4 18 进口 72.7 81.8 84.8 19 仿制 82 84.5 87.2 平均 805 84.1 86.3 与理论计算的误差 5.2% 1.1% 1.5% 3
护 人 和 护 。 两个速度的 合 成 犷 。 就 确定 了冷却水出喷 嘴后 运动的 方 向 。 这 只是在 点处冷却水运 动的 方 向 。 而喷嘴喷出的 冷却水 流股 的形状实际 上是 在喷嘴 出 口 各 点冷却水运动 方 向的组 成 。 流股 的扩张 角度可 以 从 护 人 。 与垂直于喷嘴出口 平面 的 夹 角确定 。 建立直 角坐标 系见 图 。 从图 可 以看 出 ， 流 股的 扩张角度是 倍的 犷 人 。 与 轴之 间的 夹 角 。 轴 与 衬 。 的 夹 角 ， 可 用 方 向余弦公 式 表示 。 喷嘴出 口 图、 直 角坐标 系 日 二 护 。 一 日 侧 了 我 卜材 。 一 日 犷 。 。 日 “ 式 中 犷 人 。 与 轴之 间夹角 。 日 圆锥型通道锥 度 。 把 式 式 代入 日 式 整理后可得 人 “ · 日 侧 ‘ 。 咭 · 日日 喷嘴 流股 的扩张 角度 为 日 三 、 计算结果 与实测 结果 的 比较 把喷嘴 的 有关数 据 见 图 代入公式 ， 经 过 计算 ， 流股 扩张 角度 值为 把 同类型的 不 同喷嘴 在工 作压 力 为 么 、 。 、 “ 下进 行测定 ， 得 出流股 的 扩张 角度见 表 。 表 不 同喷嘴 的 流股扩张 角度 喷嘴 号 来源 工作压力 “ 天津钢 厂 一 邯钢 …进 口 仿制 平均 与 理论计算的误差 吓
可以看出，计算结果与测定结果是比较吻合的。 四、讨 论 从（7)式可以看出流股的扩张角度a与喷嘴进口和出口直径D.和D,·以及喷嘴圆锥型 通道的锥度有关。 前水口直径D.增加，其它参数不变，.流股扩张角度a减小，见图5。由于进水口直径增 鼎，使进水量增加，亦即冷却水出口向前的速度增加，而切线方向速度不变，因些流股扩张 角度减小。 110 流10C 120 股90叶 80 名og 股110 ( 6 (o)90 504 80 70 0 22.5335 3.32.73 喷嘴进口直径(mm) 喷嘴出口直径(nm) 图5喷嘴进口直径与流股扩张 图6喷嘴出口直径与流股扩张 角度关系 角能关系 喷嘴出口直径D,增加，其它参数保持不变，流股扩张角度a增加，见图6。由于在流量不 变的情况下，增加喷嘴出口直径，会使冷却水向前的速度减小，因此使流股扩张角度增加。 喷嘴进口和出口直径一样时，流股扩张角度只与圆锥形通道的锥角有关。见(8)式。 a 2arccos- cosB (8) v 2 喷嘴圆锥形通道的锥度B增加，其它参数不变，流股扩张角度a增加，见图7。由于冷却 水向前运动的方向偏斜增大，因此使流股的扩张角度增加。 此种喷嘴在使用过程中发现设计喷水量偏少， 使铸坯在矫直点处温度偏高。如果想增加此种喷嘴 1u0 的喷水量，而不改变喷嘴的结构，只能靠提高喷嘴工 浅。 作压力的办法来解决。但喷嘴工作压力提高会使喷 角90 嘴流股的扩张角度有所增大（见表1)，使部分冷却 度85 () 水打到铸坯外面，实际没有起到增加冷却水量的效 果。因此增加冷却水量应从改进喷嘴本身入手。适 10152 当增加喷嘴的进口直径可增加喷嘴喷水量，但会引 喷嘴圆银形通道维度(·) 起流股扩张角度的减小，为保证原有流股的扩张角 图7喷嘴圆锥形通道锥度与流 度，可通过调整喷嘴的出口直径或圆锥形通道的锥 股角度关系 度，使喷嘴喷出冷却水量增加，而又不改变流股的扩张角度。 对不同断面方坯的冷却要求，根据(7)式所确定的喷嘴结构对雾化流股扩张角度影响 的关系，采取不同的喷嘴结构，可使喷嘴的雾化冷却达到更加满意的效果
可 以 看 出 ， 计算结果与测定结果是 比较吻合的 四 、 讨 论 从 式 可以 看 出流股 的扩张 角度 与喷嘴进 口 和 出口 直径 人 和 。 ， 以及 喷嘴 圆锥型 通道 的锥度 有关 。 前水 口 直 径 增加 ， 其它 参 数 不变 ， 流股 扩张 角度 减小 ， 见图 。 由于进 水 口 直径增 加 ， 使进 水量增 加 ， 亦 即冷却水 出 口 向前的速度 增 加 ， 而切 线 方 向速度不变 ， 因些 流股 扩张 角度减小 。 度角股流 。 盛 一 ’ 呼勺咬」口料舟‘一 口魂︸ 伪流度股角 喷嘴 进口 直径 拼 ，一亨一峥 图 喷 嘴进 口 直径 与流股扩 张 角度 关 系 喷嘴出口 直径 ，。 二 图 喷 嘴 出 口 直径与流股 扩 张 角能关 系 喷嘴 出 口 直 径 增加 ， 其它参数保持不变 ， 流股扩张角度 增加 ， 见 图 。 由于 在流 且不 变的情 况下 ， 增加喷嘴 出 口 直径 ， 会使冷却水向前的 速度减小 ， 因此 使流股 扩张 角度增 加 。 喷嘴进 口 和 出口 直径一样时 ， 流股扩张角度 只 与 圆锥形 通道 的锥角有关 。 见 式 。 一 “ 喷嘴圆 锥形通道 的锥度日增加 ， 其它兴参数不变 ， 流股扩张 角度 增加 ， 见 图 。 由于冷 却 水向前运动的 方向偏斜增大 ， 因此使 流股 的扩张 角度增 加 。 此种喷嘴在使用过 程 中发现 设计喷水量 偏少 ， 使铸坯 在矫直点处温度偏高 。 如果想增加此种喷嘴 的 喷水量 ，而不 改变喷嘴 的结 构 ， 只能靠提高喷嘴 工 作压 力的办法来解决 。 但喷嘴工 作压 力提高会使喷 嘴流股 的扩张角度有所增大 见 表 ， 使部分冷却 水打到铸坯 外面 ， 实际没有起到增加冷却水量 的效 果 。 因此 增加冷却水量应 从改进 喷嘴本 身入手 。 适 当增加喷嘴的进 口 直径可增加喷 嘴喷 水量 ， 但 会引 起流股扩张 角度的减小 ， 为保证原 有流股 的扩张 角 度 ， 可通过调整喷嘴 的 出 口 直径 或圆锥 形通道 的锥 一 ，户尸尹， 尹 洲 流股角度工肠如 扮一岔一节甲书犷一玄钾 喷嘴圆锥形通 道 锥 度 “ 图 喷嘴 圆锥 形 通道锥 度 与流 股 角度关 系 度 ， 使 喷嘴喷 出冷却水量 增加 ， 而 又不 改变流股 的扩张角度 。 对不 同断面 方坯 的 冷却要求 ， 根据 式所 确定 的喷嘴结构对雾 化流股 扩张 角度影响 的关系 ， 采取 不 同的喷嘴结构 ， 可 使喷嘴 的雾化冷却达到更加满意的效 果
参考文献 〔1)邯钢小方坯连铸机二冷喷嘴冷态特性研究：连铸工艺鉴定会议资料之九1983.10. STUDY ON ANGLE OF'SPRAY COOLING WATER FOR 3/8 BD3 TYPE NOZZLE Zhang Keqiang Abstract Spraying mechanism of cooling water using 3/84 BD3 type nozzle in continuous casting machine is investigated.Theoretical formula of the effect of the nozzle structure on angle of spray cooling water is induced. The result obtainted from the formula agree well with practical ones. Based on discussing influence of the nozzle structure on angle of spray cooling water,the method to increase volume of the cooling water is proposed. 0
参 考 文 献 〔 〕 邯 钢小方坯连铸机二冷喷嘴冷态特性研究 连铸工艺鉴定 会议 资料之九 勺室 、 ，’
