连铸用气-水雾化喷嘴的传热特性

D0I:10.13374/i.is8n1001-053x.1991.s1.006 北京科技大学学报 第13卷第4(I)期 Vo1.13N5.4(I) 1991年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju1y1991 连铸用气一水雾化喷嘴的传热特性 张克强·田乃媛 摘要：报导了一种气一水雾化喷嘴的测定结果，并与一种水喷嘴进行了比较。研究表 明，采用气一水雾化喷嘴时，铸还二冷的传热系数不仅和水流密度有关，而且与喷射状况， 诸如水滴宜径、水流密度、气-水雾化喷嘴的用气量等条件有关， 关键词：传热系数，湖定，气-水雾化喷嘴，连铸 Characteristic of Heat Transfer on An Air-mist Nozzle in Continuous Casting Zhang Keqiang'Tian Naiyuan. ABSTRACT:The measurement on an air-mist mozzle is reported and the results are compared with that on a water mozzle,Both results are in disagreement and show that heat transfer coefficient of strand not only depends on the water flux but depends on the spraying conditions,such as the droplet size,the droplet velocity,the air amount if using air-mist nozzle, KEY WORDS:heat transfer coefficient,measurement,air-mist nozzle,continuous casting 近来，气-水雾化喷嘴已在一些钢厂连铸机的二冷段上应用，并且使铸坯的产量和质量 均获得了令人满意的效果〔一6？。气~水雾化喷嘴与水喷嘴相比，冷却效率高、水量调节灵 活、操作简便、喷嘴种类及使用数量减少，可相应提高拉坯速度从而使连铸生产率提高、 对铸坯表面冷却均匀，在相同的冷却温度下，二冷段如采用气一水雾化喷嘴时，历用水量仅为 1991一05一10收稿 ◆治金系(Department of Metallurgy) 37

和3 卷第 4( I ) 期 北 京 科 技 大 1 9 5 1年 7 月 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e 学 学 报 a n d T e e h n o l o g y V o l 。 1 3N 5 . 4 ( I ) B e i j i n g J u l y l 。。x 一 - 一 ~ ~ ~ ~ ~ , 护 ~ . ~ . ~ , . _ _ _ _ 一一 一一 - ~ - 一一一 - 一 - 连铸用气 一水雾化喷嘴 的传热特性 张 克强 · 田乃媛 · 摘 要 : 报导了一种气一水雾 化喷 嘴 的测定结果 , 并与一 种水 喷嘴进行 了比 较 。 研究表 明 , 采 用气一水雾化喷嘴时 , 铸 坯二冷的 传热系数不 仅和水流密度有 关 , 而且与喷射 状况 , 诸如 水滴直径 、 水 流密 度 、 气 一水雾化喷 嘴的用 气量等条件有关 . 关键词 : 传热 系数 , 测 定 , 气 一 水 雾化喷 嘴 , 连铸 C h a r a e t e r i s t i e o f H e a t T r a t s f e r o n A n A i r 一 m i s t N o z z l e i n C o n t i n u o u s C a s t i n g 加卜 Z h a n 夕 K e g i a ” 夕 ` T i a n N a i夕 u a n . AB S T R AC T : T h e m e a s u r e m e n t o n a n a i r 一 m i s t m o z z l e 1 5 r e P o r t e d a n d t h e r e s u l t s a r e e o m P a r e d w i t h t h a t o n a w a t e r m o z z l e . B o t h r e s u l t s a r e i n d i s a g r e e m e n t a n d s h o w t h a t h e a t t r a n s f e r e o e f f i e i e n t o f s t r a n d n o t o n l y d e p e n d s O n f l u x b u t d e p e n d s o n t h e 亏p r a y i n g e o n d i t i o n s , s u e h a s t h e d r o p l e t s i z e , t h e w a t e r t h e d r o P l e t v e l o e i t y , t h e a i r W O R DS : a m o u n t i f u s i n g a i r 一 m i s t n o z z l e . h e a t t r a n s f e r e o e f f i e i e n t , m e a , u r e m e n t , a i r 一 组 i s t n o z z l e , e o n t i n u o u s c a s t i n g , 气 一 水 雾 化喷嘴已在一些钢厂 连铸机的二 冷段上 应 用 , 并且使铸坯的产量和 质量 均获得 了令人满 意的效果 亡 ’ 一 “ ’ 。 气 一 水雾化喷嘴 与水喷嘴相 比 , 冷却 效率高 、 水 量 调 节 灵 活 、 操作简便 、 喷嘴种类及使用数量减少 , 可相应 提高拉坯速 度从而使连 铸 生 产 率 提高 、 对铸坯 表面冷却 均 匀 , 在相 同的冷却温度下 , 二 冷段如采用 气一水雾化喷嘴 时 , 所用水量仅为 1 9 9 1一 05一 1 0收 稿 · 冶金系 ( D e P a r t m e n t o f M e t a l l u r g y ) 盯 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. s1. 006

水喷嘴的50%，且铸坯表面由于冷却均匀而使其质量得以改善。 在连铸机上，使用水喷嘴时，铸坯表面通过喷射水冷却来降低其表面温度，同时将坯内部 热量传出，故冷却水和铸坯表面内的传热是十分重要的。为了揭示冷却水流密度对传热的影 响，许多研究介绍了冷却水和热坯表面间的传热系数测定的方法7~12)。因为有些测定仅限 于考虑水流密度对传热系数的影响，所以显示出的结论大不相同。事实上，不仅与喷射水量 有关，而且也与喷射的状况，诸如水滴速度、水滴直径有关，甚至不同的实验方法也会产生 不同的结果。 本文的研究涉及到对气一水雾化喷嘴传热系数的测定及空气量对传热系数影响的讨论， 然后将两种用水量相同的水喷嘴和气-水雾化喷嘴的冷却效果进行了比较。 1测定原理和方法 将试样加热至高温，并在这一温度下保温一段时间，然后用喷水冷却它的表面，通过两 个预先插在试样不同位置上的热电偶，将温度的变化由计算机记录下来，见图1。 假设传热只是单方向的，则一维传热方程的初始条件和边界条件如下： Cm0”-(=0 T (x,T)14-0=T (x,0) Tx,r)x=1=T1,) aOT =h(T（o,i)-Tw) T)t-0=T(0) T(s,)}=1=T1) 图1试样的示意图 (1)测温位置 (2)金属试样(3)加热线图 20T) ()耐火材料 (5)外壳(6)两个热电偶 dx =h(T (o,:)-Tw) (7)导线 x0 Fig.1 Scheme of the sample 以上的方程可用有限差分方程求解，而试样的表面温度和温度梯度则可用计算机所记录 的数据来计算，最后就可确定传热系数。 在实验室中，用这种方法经改进后，可分段分阶段加热试样，能实现通过仪表自动地把 所得的传热系数打印出来。 2 喷嘴的特点 通过喷水冷却，从热坯中将热传出的过程中，不同结构的喷嘴有不同的传热能力，因此 在研究中必须把喷嘴的构造考虑进去。 图2是一个喷嘴结构的剖面示意图。水和空气分别由各自的水管和气管输人，二者均由 38

水喷嘴的 05 % , 且铸坯表面 由于冷却均匀而使其质量得以 改善 。 在连铸机上 , 使用 水喷嘴时 , 铸 坯表面通过喷 射水 冷却来降低 其表面温度 , 同时将坯内部 热量传 出 , 故冷却水和 铸 坯表面内的传 热是十分重 要的 。 为 了 揭示 冷却水流密度对传热的影 响 , 许多研究介绍 了冷却水和 热 坯表面 间的传热系数测定 的方法 〔 7 一 ’ 2 ’ 。 因 为有些 测定仅限 于考虑水流密度 对传热系数的影响 , 所以显示出的 结论大 不相 同 。 事实上 , 不 仅 与喷射水量 有 关 , 而 且也与喷射 的状况 , 诸如水 滴速 度 、 水滴直径有关 , 甚 至不 同的 实 验方法也会产生 不同的结果 。 本文 的研究涉及到 对 气 一 水雾化喷嘴传热 系数的测定及 空气量对传热系数影响的讨论 , 然后将 两种用水量相 同的 水喷嘴和 气 一 水雾化 喷嘴的 冷却效果进 行了 比较 。 1 测定原理和方法 将试样加 热 至高温 , 并在这一温度下保 温一 段时间 , 然后用 喷水冷却它 的表面 , 通过两 个预先插在试 样不同位置上 的 热电 偶 , 将 温度的变化由计算机记录下来 , 见图 1 。 假设传 热只是单方 向的 , 则一维传热方 程的初始条件和边界条 件如下 : C P d T ( 二 , , ) d t d , . d 7 、 , _ 。 , 、 一 二犷二 口 人 一一七于 ` 上 ~ 二 0 U 弄 \ U 万 久口r , 括 T (二 , : , { 。 一 。 = T ( : , 。 , T (: , : , ! x 一 : = T 。 : , : , J T J x = h ( T ( 。 , ; ) 一 T w ) T ( 二 , , , T ( 二 , ` , ` 一 。 = T ( 二 , 。 z : 一 i = T ( i , , ) 娜. . ,尸擎a 八 、 … , r r · 护 」 , J 确 口 ( l) 测温位置 (4 ) 耐火材料 图 1 试 样的示意图 (2 ) 金属试样 (3 ) 加热线圈 * 些节兴 { 二 . 。 = ” `少 ( 。 , ( 5 ) 外壳 ( 6) 两个热 电偶 一 T w ) :;最 线 S e h e m e o f t h e s a m P l e 以上的方程可 用有限差分方程求解 , 的 数据来计算 , 最 后就 可确定传热 系 数 。 在实 验室 中 , 用这种 方法经 改进后 , 所 得的 传热 系数 打 印出来 。 而试样 的表面温度和 温度梯度则 可用计算机 所记录 可分段分 阶段加 热试 样 , 能实 现通过仪表 自动地把 2 喷嘴 的特点 通过喷水 冷却 , 从热坯 中将热传 出的过程 中 , 不 同结构 的喷嘴有不同的传热能力 , 因此 在研究 中必须把喷嘴的 构造 考虑 进去 。 图 2 是一 个喷嘴结 构的剖 面示意图 。 水 和 空气分 别 由各 自的水管和气管输人 , 二者均 由

压力来控制。水和气在喷嘴内混合，然后，混合的气水流以很高的速度自喷口射出，从而形 成细小的雾滴。 Mixture 1,2o 0.9 E 0.6 Air Symbol Type pressure !Hater nozzle 0.3 Air-mist nozzle 350kPa Air-mist nozzle 300kPa Air-mist nozzle 250kPa 6 8 1012 14 r/L.m-2,s-1 Air Water 图2气一水露化喷嘴的示意图 图8传热系数与流密度的关系 Fig.2 Scheme of the air-mist nozzle Fig3 Dependence of the heat transfer Coefficient on the water flux 3实验结果和讨论 在不同条件下测定的水喷嘴和气-水雾化喷嘴的传热系数h与水流密度W(L/m2·s)的 关系如图3所示。 由此可见，在获得相同的冷却效果时，连铸二冷区采用气~水雾化喷嘴能比水喷嘴节约 用水50%以上。 在900℃时，在不同气体压力下，采用回归分析法得到传热系数与水流密度的关系式如 : h=0.37+0.035W0·954 (p。ir=250kPa) h=0.28+0.08W9.989 (P=300kPa) h=1.03÷0.03W0.980 (.=350kPa) 式中h-传热系数，kW/m2·℃；W-水流密度，L/m名·s。 从上面的关系式可以看出，即使水流密度为零时，由于气流的存在，传热系数仍有一定 的数值。 传热系数与水流密度和气流量之间的关系如图4所示。由此可见，对气~水雾化喷嘴来 说，水流密度和气流量都对传热系数有很大的影响。但在水流密度小于8.6L/m2·s时，随 着气流量的增加，使传热系数迅速增大。为了节约用水，在传热系数要求一定的情况下可采 用较小的水流密度和较大气流量来达到（见图5）。 对气-水雾化喷嘴而言，空气流量对传热系数影响大的原因如下： (1)气-水雾化喷嘴能将喷射水破碎成细小的珠滴，从而使冷却水的表面积增加，随着 雾滴的增多，使冷却水和热坯表面接触面积亦相应增加，因此加快了传热。 39

压 力来控制 。 水和 气在喷嘴内混合 , 然后 , 混 合的 气水流以很 高的速度 自喷 口射 出 , 从而形 成 细小的 雾滴 卜 Mi x t u r e 曰 . ` . . . . . 口 . . . . . . . . . 一 心 声试沪户 , , . . . . , 气厂 」 O一 。 门 尸洲 尸尸 户尸尸尸 护 , 一 。 洲 / 尸 口甲 - . . 碑 ` . . 口 口口 二 声口目口口 . . .一 S y m b o l 杠 一 O 一 } 。 } . 10 ónCU 宁尸 . 今主召任之\ l } } ’ 、 ` / ` 葵脸 牙夕L . nr 一 2 . 台 一 1 1 Ai r 图 2 l Ws t e r 气一水露化喷嘴的示 意 图 r 19 . 2 s e h e m e o f t h e Z i r 一 m i s t n o z z l e 图 3 传热系数与流密 度的关 系 F 19 3 D e P e n d e n e e o f t h e h e a t t r a n s f e r C o e f f i e i e n t o n t h e w a t e r f l u x 3 实验结果和讨论 在不 同条 件下 测定的 水 喷嘴和气 一 水雾 化喷嘴的 传热 系数 h与 水流 密 度牙 ( L Znr Z 一 ) 的 关系如图 3 所示 。 由此可见 , 在获得相 同的冷却效 果时 , 连铸 二冷区采用气 一 水雾化喷嘴能 比水喷嘴 节 约 用 水 50 % 以上 。 在 90 0 ℃ 时 , 在不同气 体压 力下 , 采 用回 归分析 法得 到传 热系 数 与水流 密度的 关系 式 如 主 : h 二 0 。 3 7 + 0 。 0 3 5评 。 . 9 5 4 ( P : : r = 2 5 0 k P a ) h 二 0 。 2 8 + 0 。 0 8牙 9 . ” 3 “ h = l 。 0 3 十 0 。 0 3 W o · 9 6 0 ( P 。 i r = 3 0 0 k P a ) ( P 。 i : = 3 5 0 k P a ) 式中h 一 传 热系数 , k w / m Z · ℃ ; 班 一 水流密 度 , 1 , / m Z · s 。 从上 面的关 系式可 以看 出 , 即 使水流密 度 为零时 , 由于 气流 的存 在 , 传热 系数仍 有一定 的 数值 。 传热 系数与 水流密度和 气流量之 间的关系 如图 4 所示 。 由此可见 , 对 气 一 水雾化喷嘴来 说 , 水流密度和气流 量都对传 热系 数有很 大 的影响 。 但在水流密 度小于 8 . 6 L 厂m ” · “ 时 , 随 着气流量的增加 , 使传热系 数迅速增大 。 为 了节约用 水 , 在 传热 系数要 求一定 的 情况下可采 用较小的 水流密度和较大气 流量来 达到 ( 见 图 5 ) 。 对气 一 水雾化喷嘴而 言 , 空气流量对 传热 系数影 响大的 原 因如下 : ( 1) 气 一 水雾化喷嘴能将 喷射水破碎成细 小的珠 滴 , 从而 使冷却水的 表面 积增加 , 随 着 雾摘的增多 , 使冷却水和热坯 表面接触面 积亦相应增加 , 因此加快了传热

1:6 12 Symbol Scope: 11 至1.15一1.38kH/m2,℃ 1.2 9.D.440.65kw/m乙℃ 10 0.8 9 8 0.4 Symbol water 0 flow 12.414.5L/m2s 9 8.38.6L/m2s 兰 7 0 5.0L/m2s 61 2 。2.0L/ms 10 6 8101214 12 Air flow/m3.h-1 w九：m-2.s-1 图4传热系数与水流密度和气流量的关系 图5传热系数等值线 Fig.4 Dependencc of heat transfer coefficient Fig.5 Equal lines of heat transfer on the water flux and air flow coefficient (2)具有很大喷射能量的气流和喷嘴中的水流完全混合，致使雾滴能以较高的速度冲击 热坯表面，与此同时还能消除当坯表面温度处于膜态沸腾区时所形成的雾滴之下的蒸气薄膜， 而这层蒸气薄膜导热能力低，对传热不利。此外，具有高速度的小雾滴在冲击热坯表面时， 能使自身破碎成几个更小的微谪，这也是导致接触面积增大的原因。 (3)当气流从喷嘴口喷射出后，本身也能使铸坯变冷，因此它也是冷却剂。 本实验测定的传热系数与各测定者的比较表示在图6中，图中粗实线为本实验测定的结 果，具有较大的数值。各测定者之间的差别是由于喷嘴类型，实验条件等不同所致。 如Brimacombe给出的气-水雾化喷嘴的传热系数与水流密度的关系式为： 4.0r 3.0 2.0l .0 0 600 700 800 900 10D0 T/℃ 图6传热系数与表面温度的关系（各研究的报导数据） Fig.6 Dependence of heat transfer coefficients on surface temperatures (the data from references) 40

叮二 , 协任 \工卜了。 子 护 , 产产夕 户 / 一 / / / . 产 丫 r / / 了 《 加曰 / . ,任. 魂宝召\ 2。 s 份 《 口. , 、 味尺_ \ 、 、 、 、 、 { 仗 卜 一 人 . . . . . 、 、 、 、 \ 卜 ]产 Ai r f l o 脚m/ 3 . h 一 1 图 4 传热 系数与水流密 度和气流量 的关系 F i g . 4 D e P e n d e n e e o f h e a t t r a n s f e r e o e f f i e i e n t o n t h e w a r e r f l u x a n d a i r f l o w 6 8 门0 1 2 14 刀亨L , m 一 2 一 s 一 1 图 6 传热 系数等值 线 F 19 . 5 E q u a l 1 1众 e s o f h e a t t r a n s f e r e o e r f i e i e n t ( 2) 具有很大 喷射 能量的气流和 喷嘴中的水流完全混合 , 致使雾滴 能以较高的速度冲击 热坯表面 , 与此同 时还能消除当坯 表面温度处于 膜态沸腾区时 所形成的 雾滴之下 的蒸气薄膜 , 而 这层蒸气薄膜导 热 能力低 , 对传热不利 。 此外 , 具有高速度的小雾滴在冲击热 坯 表面时 , 能使 自身破碎成几个更小的微滴 , 这也是导致接触面积增大的原因 。 ( 3) 当气流从喷嘴口喷射 出后 , 本身也 能使铸坯变冷 , 因此 它也是冷却剂 。 本实验测定 的传热系数与各 测定 者的比较表示在图 6 中 , 图中粗实线为本实验测定 的结 果 , 具有较大的 数值 。 各测定者之 间的差别是 由于喷嘴 类 型 , 实 验 条 件 等 不 同 所 致 。 如 B r i m a c o m be 给出的气 一 水雾 化喷嘴的传 热系 数与 水流密度的关系式为 : 人飞 帷热 沁泛 , 匆 k 衰毅诀 卜 隆 . . . . 又尧 渔子试 泛劝从气二乙 ~二二二告目生目 应. 目甲二. .竺日局生曰 三石二一导了 l { 一一~ 下于卿~ 一气 ǎ ù 。次 . 甲一u . à盆呈\ T / , C 图 6 传热系数 与表面温度的关 系 (各研究 的报导数据) F i g . 6 D e P e n d e n e e o f h e a t t r a n s 厂e r e o e f f i e i e n t s o n s u r f a e e r 亡 m P e r a t u r e s ( t h e d a t a f r o m r e f e r e n e e s )

h=0.13+0.35W 这与本实验所得结果有些差别。 4结束语 本实验结果表明：冷却水的喷射条件不同，不同类型的喷嘴对传热系数则产生不同的影 响。因此，为了获得稳定的操作和较高的铸坯产量、质量，在设计或改进连铸机的二冷系统 时，应同时注意喷嘴类型、水流密度和气体流量等参数。 参考文献 1 Kuwahara T,et al.Tetsu-to-Hagane,1981,67:S173 2 Kohno T,et al Tetsu-to-Hagane,1982,68:118 3 Kohno T,et al Iron Steelmaker,1982,6:37 4 Nakao M,Tetsu-to-Hagane,1983,69:S166 5 Tsubakihara Q.et al Transactions ISIJ,1984,24:B50 6 Benoit P.et al.Rev,Met,,1978,75:363 7 Mizikar E A.Iron and Steel Engineer,1970,47:53 8 Sasaki K,et al.Tetsu-to-Hagane,1979,65:90 9 Nozaki T,et al.Trans ISIJ,1978,18:330 10 Shimada M,et al.Tetsu-to-Hagane,1966,52:1643 11 Lambert N,et al.J.Iron Steel inst.,1970,10:917 12 Sugitani Y,et al.Tetsu-to-Hagane,1973,59:S388 41

五二 0 。 1 3 + O 。 3 5 甲 这与本实验所得结 果有些 差别 。 4 结 束 语 本实验结果表明: 冷却水的喷射条件不 同 , 不 同类型的喷嘴 对传热系数则产生不同 的影 响 。 因此 , 为了获得稳定的操作和较高的铸坯产量 、 质量 , 在设计或改进连铸机 的二冷系统 时 , 应 同时注意喷嘴类型 、 水流密度和气 体流量等参数 。 参 考 文 献 1 K u w a h a r a T , e t a l 。 T e t s u 一 t o 一 H a g a n e , 1 9 8 1 , 6 7 ; 5 1 7 3 2 K o h n o T , e t a l T e t s u 一 t o 一 H a g a n e , 1 9 8 2 , 6 8 : 1 1 8 3 K o h n o T , e t a l l r o n s t e e l m a k e r , 1 9 8 2 , 6 : 3 7 4 N a k a o M , T e t s u 一 t o 一 H a g a n e , 1 9 8 3 , 6 9 : 5 16 6 5 T s u b a k i il a r a Q 。 e t a l T r a n s a e t i o n s I S I J , 1 9 8 4 , 2 4 : B 5 0 6 B e n o i t P 。 e t a l 。 R e v 。 M e t . , 1 9 7 8 , 7 5 : 3 6 3 7 M i z i k a r E A 。 I r o n a n d s t e e l E n g i n e e r , 1 9 7 0 , 4 7 : 5 3 8 S a s a k i K , e t a l 。 T e t s u 一 t o 一 H a g a n e , 1 9 7 9 , 6 5 : 9 0 9 N o z a k i T , e t a l 。 T r a n s I S I J , 1 9 7 8 , 1 8 : 3 3 0 1 0 S h i m a d a M , e t a l 。 T e t s u 一 t o 一 H a g a n e , 1 9 6 6 , 5 2 : 1 6 4 3 1 1 L a m b e r t N , e t a l 。 J 。 I r o n S t e e l i n s t . , 1 9 7 0 , 1 0 : 9 1 7 1 2 S u g i t a n i Y , e t a l 。 T e t s u 一 t o 一 H a g a n e , 1 9 7 3 , 5 9 : 5 3 8 8 4 1