连铸二冷区喷水冷却传热系数的实验研究.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.04.014 北京钢铁学院学报 1983年第4期连铸二冷区喷水冷却传热系数的实验研究热能工程系张风禄周筠清· 摘要本文主要叙述二冷区喷嘴流量密度和喷水冷却传热系数的实验方法，并对某些喷嘴所做实验结果做简要分析。连铸二冷区喷水冷却的设计和操作对铸坯的产盘和质量影响很大。许多铸坯表面和内部的缺陷都是由于喷水冷却不当引起的。为合理设计二冷区和确定合理的喷水冷却制度就必须对喷嘴特性、喷嘴布置、喷嘴冷却的传热系数等进行深入地研究。所谓“喷嘴特性是指喷嘴的喷射张角、雾化粒度、喷水流量(1/s)、以及喷水流量密度(1/m2s)与水压和喷水距离的关系等等。而这些因素都直接影响着喷水冷却过程的传热系数。性能好的喷嘴可以在较小的流量密度下得到较高的传热系数。使用这样的喷嘴就可以缩短二冷区的长度、节约高压水。对于调节（包括计算机自动控制）二冷区喷水量来说，喷水冷却传热系数更是必不可少的参数。因此，研究喷嘴性能及其喷水冷却过程的传热系数是非常重要的。国外许多研究工作者在这方面作了大量的工作，其中主要是对各种类型喷嘴喷水冷却过程的传热系数做了很多实验工作，总结了一些实验公式可供实际计算使用[2]。我国虽有长期连锵生产的经验，但对所使用的喷嘴性能，尤其是喷嘴的传热系数还缺乏必要的实验研究。有的工厂自制喷嘴往往由于加工粗糙，雾化不好和喷水量过大，不仅造成高压水的浪费，而且使铸坯表面缺陷增多。既使从国外引进的连铸机也往往缺少这部分资料。因此，建立测定喷嘴传热系数实验台是非常必要的。通过模拟冷却实验确定喷水冷却过程的传热系数与铸坯表面温度、流量密度、水温的关系，然后将实验结果整理成实验公式供设计和生产使用。为此我们建立了实验台，并对三种不同类型喷嘴进行了喷嘴特性测定，对其中一种喷嘴进行模拟冷却实验，最后回归出喷水冷却传热系数的实验公式。喷嘴特性的测定参加实验工作的还有刘晓暖、任雁秋等。 130

北京钢铁攀晚学报年幼翔 3 8 9 4 1 连铸二冷区喷水冷却传热系数的实验研究热能工程系张风裸周药清 . 摘要本文主要叙述二冷区喷嘴流量密度和喷水冷却传热系数的实脸方法 , 并时某些喻嘴所做实验结果做简要分析 . 连铸二冷区喷水冷却的设计和操作对铸坯的产量和质量影响很大。许多铸坯表面和内部的缺陷都是由于喷水冷却不当引起的。为合理设计二冷区和确定合理的喷水冷却制度就必须对喷嘴特性、喷嘴布置、喷嘴冷却的传热系数等进行深入地研究。所谓 “ 喷嘴特性是指喷嘴的喷射张角、雾化粒度、喷水流量 ( l / s ) 、以及喷水流量密度 ( l/ m Z s) 与水压和喷水距离的关系等等。而这些因素都直接影响着喷水冷却过程的传热系数。性能好的喷嘴可以在较小的流量密度下得到较高的传热系数。使用这样的喷嘴就可以缩短二冷区的长度、节约高压水。对于调节 ( 包括计算机自动控制 ) 二冷区喷水量来说 , 喷水冷却传热系数更是必不可少的参数。因此 , 研究喷嘴性能及其喷水冷却过程的传热系数是非常重要的。国外许多研究工作者在这方面作了大量的工作 , 其中主要是对各种类型喷嘴喷水冷却过程的传热系数做了很多实验工作 , 总结了一些实验公式可供实际计算使用〔2〕。我国虽有长期连铸生产的经验 , 但对所使用的喷嘴性能 , 尤其是喷嘴的传热系数还缺乏必要的实验研究。有的工厂自制喷嘴往往由于加工粗糙 , 雾化不好和喷水量过大 , 不仅造成高压水的浪费 , 而且使铸坯表面缺陷增多。既使从国外引进的连铸机也往往缺少这部分资料。因此 , 建立测定喷嘴传热系数实验台是非常必要的。通过模拟冷却实验确定喷水冷却过程的传热系数与铸坯表面温度、流量密度、水温的关系 , 然后将实验结果整理成实验公式供设计和生产使用。为此我们建立了实验台 , 并对三种不同类型喷嘴进行了喷嘴特性测定 , 对其中一种喷嘴进行模拟冷却实验 , 最后回归出喷水冷却传热系数的实验公式。喷嘴特性的测定参加实验工作的还有刘晓霞、任雁秋等。 1 3 0 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1983. 04. 014

接高压气接水孤喷嘴特性测定实验台包括二大部分。一部分是由觳止侧压力罐为主体的供水系统，一部分为喷水室。供水系统采用高压气体（如使用瓶氮）充入压力罐中的上部空间，靠不同压力的高压气体压挤罐下部的水，以得到所需要的压力。图1为供水系统的示意图。这种高压供水系统与水泵供水系统相比，它的优点是结构简单，调压范围大(0~10kg/cm2),压力控制灵话，，,商水无臊音，投资费用低等，是实验室内较理想的供水系压力统。图1压力罐供水示意图喷嘴的流量密度分布测定是采用集水测量法。在城水室内装有特制的集水板，在集水板上打有许多排孔，在其背后装有集水管。当一定压力下的水通过喷嘴喷向集水板时，水流入排孔，经集水管流入瓶中，在一定时间内测量瓶中收集到水的体积，就可以计算出喷嘴的流量密度分布。我们对扁缝式喷嘴、带有旋流片式喷嘴及在咀内分为二股交叉后喷出的嘴子（简称分流式)等三种喷嘴做了喷嘴特性测定。测定是在喷嘴距集水板50mm条件下进行的。喷嘴的几何特性见表1。表1 喷嘴的几何特性喷嘴类型喷射张角喷射距离mm 喷射直径mm 喷射面积mm 扁缝式 109" 50 150×5 0.75-10" 旋诚式 71· 50 72 .072◆10 分流式 81° 50 81 5.153-10 三种喷嘴的流量密度与水压的关系扁缝式见图2。为了对比在图中还列出佐佐木 0 旋流式 180 分沛式宽太郎[8]实验中№3扁嘴的流量密度曲线。从图中可以看出，我们所测定的 1G0 这三种喷嘴的流量密度比资料[6】大的 1A0 很多。因此，资料[2][6们中所列的传热 120 系数实验公式对上述三种喷嘴是不适用 100 的。同时，从下面的喷水冷却模拟实验还可以看出，过大的流量密度除了浪费 80 高压水外，对提高传热系数影响不大。喷水冷却传热系数的测定 0 喷水冷却传热系数测定的目的是找〔6) 出喷水冷却过程中的传热系数与喷水流 20 量密度，铸坯表面温度以及水温间的关 2.02.53.03.64.01.5rkg/km 系。传热系数的测定是采用对试样进行图2喷嘴流量密度与压力的关系模拟冷却的方法。一般模拟喷水冷却实 131

接离压气接水诬截止阀压力一大君丑杯竺水图 1 压力罐供水示意图喷嘴特性测定实验台包括二大部分。一部分是由压力罐为主体的供水系统 , 一部分为喷水室。供水系统采用高压气体 ( 如使用瓶氮 ) 充入压力罐中的上部空间 , 靠不同压力的高压气体压挤雄下部的水 , 以得到所带要的压力。图 1 为供水系统的示意图。这种高压供水系统与水泵供水系统相比 , 它的优点是结构简单 , 调压范围大 ( 0 ~ 10 k g / e m Z ) , 压力控制灵活 , 无蹂音 , 投资费用低等 , 是实验室内较理想的供水系统。喷嘴的流量密度分布测定是采用集水测量法。在峨水室内装有特制的集水板 , 在集水板上打有许多排孔 , 在其背后装有集水管。当一定压力下的水通过喷嘴喷向集水板时 , 水流入排孔 , 经集水管流入瓶中 , 在一定时间内侧量瓶中收集到水的体积 , 就可以计算出喷嘴的流量密度分布。我们对扁缝式喷嘴、带有旋流片式喷嘴及在咀内分为二股交叉后喷出的嘴子 (简称分流式 ) 等三种喷嘴做了喷嘴特性测定。测定是在喷嘴距集水板 50 o m 条件下进行的。喷嘴的几何特性见表 1 。衰1 喷嘴的几何特性喷嘴类型一望竺竺一一 … 一 . 竺燮竺兰、一 — 一竺三一 _ }— 竺一一 _ 喷射直径 m m 喷射面积 m m . 扁缝式 0 。 7 5 . 1 0 . 旋流式 1 5 0 x s 72 4 。 0犷2 . 10 . 分流式 5 。 1 5 3 一 1 0 . 一 · 一一扩 W l / uI ` . 扁缝式旋流式分流式卜且,卫卜. l 八U O O口内匕八. . d 1 `,且, ` - 舟一勺一气一O 一 0 一 . . . . 自 . . 0 侧. . . , . . . 路户 ` ` 口、口一口口月一一 O 尸口口 , ~ 0 . . . .口 . 0 一一 _ _ 一 _ 二 _ _ _ _ 〔6 〕 . . . . 日 . . . . . . 曰 . 曰. . . 州0 | 的80.l幼六厂称厂兹厂节了六一寸讥/ 。、图 2 喷嘴流 t 密度与压力的关系三种喷嘴的流量密度与水压的关系见图 2 。为了对比在图中还列出佐佐木宽太郎 6[ 1 实验中预 3 扁嘴的流量密度曲线。从图中可以看出 , 我们所侧定的这三种喷嘴的流量密度比资料〔 6 〕大的很多。因此 , 资料〔幻〔 6 〕中所列的传热系数实验公式对上述三种喷嘴是不适用的。同时 , 从下面的喷水冷却棋拟实验还可以看出 , 过大的流量密度除了浪费高压水外 , 对提高传热系数影响不大 ` 喷水冷却传热系数的测定喷水冷却传热系数测定的目的是找出喷水冷却过程中的传热系数与喷水流量密度 , 铸坯表面温度以及水温间的关系。传热系数的测定是采用对试样进行模拟冷却的方法。一般模拟喷水冷却实 1 3 1

温度快速自验有稳态法和不稳态法二种。我们的实验是采动记承仪用不稳态法。图3为喷水冷却实验的示意图。测定试样的面积为125×125mm2,厚40mm, 由45·钢制成。在试样的厚度中心和距表面 4mm处二个钻深孔直至喷水面的中心处。孔内焊有XA热电偶。将带热电偶的试样放入通氮保护的电阻炉内加热。当试样被加热至一定温度，并内外温度均匀时，取出试样，在喷水室试样内喷水。温度自动平衡记录仪快速纪录下中心温度t。和距表面4mm处温度tB的温度降。模图3喷水冷却实验装置示意图拟冷却实验条件为：水压2~5kg/cm2,喷嘴距试样表面距离50mm,喷水温度22°C,在试样两侧同时喷水。在上述水玉下，喷嘴流量密度大约为100~2001/m2s。试验数据处理方法由于喷水冷却时间很短，试样在Y、Z方向的尺寸较X方向大，故可简化为一维冷却问题。描述一维冷却的导热微分方程为：盟] p 由于对称冷却，上述微分方程的单值条件如下：几何条件，0≤x≤s(s=20mm) 初始条件：T=0,00，x=5,9=-号x=g=1(。-t 初始条件是这样确定的：实验时试样从电炉取出至开始喷水大约经历30秒左右。在这段时间内，高温试样向空间散热，其温度变化可根据辐射冷却的情况加以计算。经计算，当τ>12.4秒时断面温度分布呈二次抛物线型，即此时试样已处于正规冷却过程。故喷水冷却的初始条件取二次抛物线温度分布。上述导热微分方程为变系数的一维偏微分方程，应用解析法求解比较困难。我们采用有限差分方法进行数值计算。为便于计算在分网格时将实测点放在网格节点上。经差分变换，上述微分方程转变为下列差分方程：内部节点：i=1~m-2 H'=Hi+B[入：(t+1-t)-入2(t-t-i)] (1) 式中： B=分a1=A(*=) 边界节点：i=m Hm'=Hm+2B[λ2(tm-1-tm)-2△xq'] (2) 从(2)式中可以导出边界热流： q'=[(Hm-H.)+2Bλz(tm-1-tm)]/(4B△x) (3) 132

… 一一 L ! 限火、一刁满 - { } l 图 3 喷水冷却实验装里示意图距试样表面距离 05 m m , 喷水温度 2 O C , 密度大约为 1 0 0~ 2 0 0一/ m Z s 。试验数据处理方法由于喷水冷却时间很短 , 试样在 Y 、间题。描述一维冷却的导热微分方程为 : 验有稳态法和不稳态法二种。我们的实验是采用不稳态法。图 3 为喷水冷却实验的示意图。测定试样的面积为 12 5 X 1 2 5 m m ’ , 厚 4 0 m m , 由4 5 。钢制成。在试样的厚度中心和距表面 4 m m 处二个钻深孔直至喷水面的中心处。孔内焊有 X A 热电偶。将带热电偶的试样放入通盆保护的电阻护内加热。当试样被加热至一定温度 , 并内外温度均匀时 , 取出试样 , 在喷水室内喷水。温度自动平衡记录仪快速纪录下中心温度 t 。和距表面 4 m m 处温度 t 。的温度降。模拟冷却实验条件为 : 水压 2~ s k g / 。 m “ , 喷嘴在试样两侧同时喷水。在上述水压下 , 喷嘴流量 Z方向的尺寸较 X 方向大 , 故可简化为一维冷却 p 擎 = 具r 、 ( t )擎1 U T U 工 L 口 X J 由于对称冷却 , 上述微分方程的单值条件如下 : 几何条件 : o ( x 《 s ( s = Z o m m ) 初始条件 : : = 0 , o .0 x = s , q = 一入赞 I _ _ _ = h( t 二一 .t ) ~ 。 , 、 . . . - - 一 , - - 一 ” 一口x l x = s 一、一 “ 初始条件是这样确定的 : 实验时试样从电炉取出至开始喷水大约经历 30 秒左右。在这段时间内 , 高温试样向空间散热 , 其温度变化可根据辐射冷却的情况加以计算。经计算 , 当 : > 1 2 . 4秒时断面温度分布呈二次抛物线型 , 即此时试样已处于正规冷却过程。故喷水冷却的初始条件取二次抛物线温度分布。上述导热微分方程为变系数的一维偏微分方程 , 应用解析法求解比较困难。我们采用有限差分方法进行数值计算。为便于计算在分网格时将实测点放在网格节点上。经差分变换 , 上述微分方程转变为下列差分方程 : 内部节点 : i = 1~ m 一 2 H : , = H i + B [ 入l ( t , 十一 t i ) 一入2 ( t : 一 t s _ 一 ) 〕 ( 1 ) 式中 : n △丫、 , I t ; 二 1 + t . \ 、 , I t 卜 1 + t 八 D = ~ 二二二 , - 一二- 一一二一 t A 一 = A l ~ ` 二` es 二 we es e es 二 I一八 , = A I — l ( 八 x 少 ` P 一 \ 2 1 ’ “ \ 2 1 、, 夕、7 , 了、八éO 了、r 边界节点 : i = m H 。 , = H 二 + ZB [ 入: ( t二一 x 一 t 。 ) 一 2 △x q , 〕从 (2 ) 式中可以导出边界热流 : q 产 = 〔 ( H一 H . , ) + ZB 入: ( t二一 , 一 t , ) 〕 / ( 4 B △x ) 1 3 2

h k e o l / m . 卜℃ p 二 4 k g / e m . 2 。。。卜 p = 3 k g ` e \ 、、 h , l k e a l力1’1 h ℃ q = Z k叭雨、、、 ` ~ . 1 00 0` · 8 0 0 85 0 . 9 00 95 0 1 00 0 ℃ 表面退度 12 0 1 4 0 I 6 0 W 遥/ n 、 : s 图 6 表面温度与传热系数的关系 \ V I/ m . s 1 1 0 0 ,C · 13 w l · ` . t奋o · , . ` 1801604 止 h 二 2 5 7 · 1 0 ; \\ . 。 ·了“ 嵘 · , + 1 0 0 . , . 芬答岁乡 ’ 。。℃ 1 0 0 0 2 0 0 0 一渝犷一不称一加 : 、 ℃ L . . .e ēUJ n甘. 0 勺` 图 8 传热系数与流盆密度的关系比较 · 公式中W的单位为 1/ cm . m in 图 7 水流密度与传热系数的关系我们对扁缝喷嘴所做的传热系数表达式与资料〔 6 」的实验结果相差较大。这主要是喷嘴流量密度相差很大的缘故。资料〔 6〕的流量密度范围为 1 . 6 了< W < 4 1 . 7 1/ m , s 。而我们这次实验的扁缝式喷嘴流量密度范围是 1 16 ~ 1 56 1/ m Z s ( 见图 2 ) , 表面温度7 8 0~ 1 0 0 0 “ C 。我们将资料 6[ 〕地 3 扁嘴曲线应用该文中给出的实验公式计算不同流量密度下的传热系数和本实验公式计算结果对比得出 , 虽然它们之间流量密度相差很大 , 但传热系数的变化大致在 1 5 0 0 ~ 3 0 0 0千卡/米 2 时。 C 同一范围内。计算结果见图 8 。图中上部为本次实验结果 , 下部是按资料〔们的实验式计算结果。从以上计算可以看出 , 过大的流量密度对提高喷水传热系数影响很小。结束语二冷区喷水冷却传热系数的测定对合理制定喷水制度和喷水区的设计是非常重要的。我们所采用的不稳态法测定喷水传热系数的实验装置和方法是可行的。对某厂扁嘴测定的结果整理出的实验公式可供参考。这次实验所测喷嘴不多 , 所叙看法难免有一定的片面性 , 欢迎批评指正。今后我们将对我国目前使用的典型喷嘴进行普遍测定 , 供生产和设计部门使用。 1 3 4