喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响

研究了不同喷淋距离下连铸小方坯二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型分析了82B钢连铸坯的热行为。该模型特别考虑了二冷区铸坯表面宽度方向的水流密度分布，并根据铸坯表面测温结果进行了模型校正。采用凝固传热模型研究了喷嘴喷淋距离对连铸二冷均匀性的影响。结果表明：喷嘴喷淋距离的增加有助于提高二冷水横向分布的均匀性，导致铸坯表面温度横向均匀性降低、纵向均匀性提高。这些效果有助于改善铸坯内部裂纹，但是会对角部裂纹产生不利影响。在二冷区前段喷嘴采用低喷淋距离，二冷区末段采用高喷淋距离，既可以提高铸坯角部温度，又能降低表面最大回温速率，有助于同时改善连铸坯角部和内部裂纹。在此基础上，提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式，即二冷区每段喷嘴喷淋距离沿拉坯方向逐渐增加，该方法有助于提高连铸坯“纵?横”冷却均匀性。

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工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响韩延中张江山邹雷雷曾凡政管敏刘青 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet HAN Yan-shen,ZHANG Jiang-shan,ZOU Lei-lei,ZENG Fan-zheng.GUAN Min,LIU Qing 引用本文：韩延申，张江山，邹雷雷，曾凡政，管敏，刘青.喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响.工程科学学报，2020,42(6)： 739-746.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.12.26.001 HAN Yan-shen,ZHANG Jiang-shan,ZOU Lei-lei,ZENG Fan-zheng.GUAN Min,LIU Qing.Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(6):739-746.doi: 10.13374-issn2095-9389.2019.12.26.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.12.26.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 小方坯齿轮钢连铸过程中的宏观偏析模拟 Simulation of the Macrosegregation in the Gear Steel Billet Continuous Casting Process 工程科学学报.优先发表https:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.02.27.001 基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法 Calculation of continuous casting billet solidification based on element-free Galerkin method 工程科学学报.2020,42(2：186 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.02.001 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 Melt flow and heat transfer at the crater end of round billet continuous casting using final electromagnetic stirring 工程科学学报.2019,41(6：748 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.006 Q420C角钢铸坯凝固传热分析及AIN析出控制 Analysis of billet solidification heat transfer and AIN precipitation on Q420C angle steel 工程科学学报.2017,3911：1661htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.11.008 ND钢连铸坯两相区内的微观偏析模型 A microsegregation model in the two-phase region of an ND steel continuous casting billet 工程科学学报.2019,41(4)：461hps:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.04.006 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报.2019,41(2：199 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.006

喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响韩延申张江山邹雷雷曾凡政管敏刘青 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet HAN Yan-shen, ZHANG Jiang-shan, ZOU Lei-lei, ZENG Fan-zheng, GUAN Min, LIU Qing 引用本文: 韩延申, 张江山, 邹雷雷, 曾凡政, 管敏, 刘青. 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(6): 739-746. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001 HAN Yan-shen, ZHANG Jiang-shan, ZOU Lei-lei, ZENG Fan-zheng, GUAN Min, LIU Qing. Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(6): 739-746. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 小方坯齿轮钢连铸过程中的宏观偏析模拟 Simulation of the Macrosegregation in the Gear Steel Billet Continuous Casting Process 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.001 基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法 Calculation of continuous casting billet solidification based on element-free Galerkin method 工程科学学报. 2020, 42(2): 186 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.02.001 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 Melt flow and heat transfer at the crater end of round billet continuous casting using final electromagnetic stirring 工程科学学报. 2019, 41(6): 748 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.006 Q420C角钢铸坯凝固传热分析及AlN析出控制 Analysis of billet solidification & heat transfer and AlN precipitation on Q420C angle steel 工程科学学报. 2017, 39(11): 1661 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.008 ND钢连铸坯两相区内的微观偏析模型 A microsegregation model in the two-phase region of an ND steel continuous casting billet 工程科学学报. 2019, 41(4): 461 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.006 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(2): 199 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.006

工程科学学报.第42卷，第6期：739-746.2020年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.6:739-746,June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001;http://cje.ustb.edu.cn 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响韩延申”，张江山，邹雷雷，曾凡政)，管敏)，刘青)四 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湘潭4111013)江苏博际喷雾系统有限公司.扬州225267 ☒通信作者，E-mai:qliu@ustb.edu.cn 摘要研究了不同喷淋距离下连铸小方坯二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型分析了82B钢连铸坯的热行为.该模型特别考虑了二冷区铸坯表面宽度方向的水流密度分布，并根据铸坯表面测温结果进行了模型校正.采用凝固传热模型研究了喷嘴喷淋距离对连铸二冷均匀性的影响.结果表明：喷嘴喷淋距离的增加有助于提高二冷水横向分布的均匀性，导致铸坯表面温度横向均匀性降低、纵向均匀性提高.这些效果有助于改善铸坯内部裂纹，但是会对角部裂纹产生不利影响.在二冷区前段喷嘴采用低喷淋距离，二冷区末段采用高喷淋距离，既可以提高铸坯角部温度，又能降低表面最大回温速率，有助于同时改善连铸坯角部和内部裂纹.在此基础上，提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式，即二冷区每段喷嘴喷淋距离沿拉坯方向逐渐增加，该方法有助于提高连铸坯“纵-横”冷却均匀性. 关键词连铸小方坯：喷嘴喷淋距离：水量分布：凝固传热：二冷均匀性分类号TF777.3 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet HAN Yan-shen,ZHANG Jiang-shan.ZOU Lei-lei,ZENG Fan-zheng.GUAN Min,LIU Qing 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Xiangtan Iron Steel Co.,Ltd.of Hunan Valin.,Xiangtan 411101,China 3)Jiangsu Boji Spraying Systems Co.,Ltd.,Yangzhou 225267,China Corresponding author,E-mail:qliu @ustb.edu.cn ABSTRACT In the secondary cooling zone of continuous casting,the cooling uniformity of the billet largely depends on water flux distribution and is closely related to crack formation.Nozzle spray distance is the main influencing factor of water flux distribution in continuous casting billet.Therefore,the investigation of the effect of nozzle spray distance on secondary cooling uniformity is of considerable importance in the design and optimization of the secondary cooling system of the billet.In the present study,the water flux distributions of the nozzles used in the secondary cooling zone of continuous casting of the billet were measured under different spray distances.A heat transfer and solidification model was established to analyze the thermal behavior of 82B steel billet.The model specifically considered the distribution of secondary cooling water along the transverse direction and was calibrated via comparing the measured and simulated surface temperatures.The effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of the billet was investigated using the model.Results show that the increase in nozzle spray distance helps to improve the uniformity of secondary cooling water along the transverse direction,resulting in the decreased transverse uniformity and increased longitudinal uniformity of surface temperature.These effects are beneficial for the internal cracks but harmful for the corner cracks of the billet.Increasing the 收稿日期：2019-12-26 基金项目：江苏省双创人才资助项目(2016A426)

喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响韩延申1)，张江山1)，邹雷雷1)，曾凡政2)，管敏3)，刘青1) 苣 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湘潭 411101 3) 江苏博际喷雾系统有限公司，扬州 225267 苣通信作者，E-mail: qliu@ustb.edu.cn 摘要研究了不同喷淋距离下连铸小方坯二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型分析了 82B 钢连铸坯的热行为. 该模型特别考虑了二冷区铸坯表面宽度方向的水流密度分布，并根据铸坯表面测温结果进行了模型校正. 采用凝固传热模型研究了喷嘴喷淋距离对连铸二冷均匀性的影响. 结果表明：喷嘴喷淋距离的增加有助于提高二冷水横向分布的均匀性，导致铸坯表面温度横向均匀性降低、纵向均匀性提高. 这些效果有助于改善铸坯内部裂纹，但是会对角部裂纹产生不利影响. 在二冷区前段喷嘴采用低喷淋距离，二冷区末段采用高喷淋距离，既可以提高铸坯角部温度，又能降低表面最大回温速率，有助于同时改善连铸坯角部和内部裂纹. 在此基础上，提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式，即二冷区每段喷嘴喷淋距离沿拉坯方向逐渐增加，该方法有助于提高连铸坯“纵‒横”冷却均匀性. 关键词连铸小方坯；喷嘴喷淋距离；水量分布；凝固传热；二冷均匀性分类号 TF777.3 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet HAN Yan-shen1) ，ZHANG Jiang-shan1) ，ZOU Lei-lei1) ，ZENG Fan-zheng2) ，GUAN Min3) ，LIU Qing1) 苣 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Xiangtan Iron & Steel Co., Ltd. of Hunan Valin., Xiangtan 411101, China 3) Jiangsu Boji Spraying Systems Co., Ltd., Yangzhou 225267, China 苣 Corresponding author, E-mail: qliu@ustb.edu.cn ABSTRACT In the secondary cooling zone of continuous casting, the cooling uniformity of the billet largely depends on water flux distribution and is closely related to crack formation. Nozzle spray distance is the main influencing factor of water flux distribution in continuous casting billet. Therefore, the investigation of the effect of nozzle spray distance on secondary cooling uniformity is of considerable importance in the design and optimization of the secondary cooling system of the billet. In the present study, the water flux distributions of the nozzles used in the secondary cooling zone of continuous casting of the billet were measured under different spray distances. A heat transfer and solidification model was established to analyze the thermal behavior of 82B steel billet. The model specifically considered the distribution of secondary cooling water along the transverse direction and was calibrated via comparing the measured and simulated surface temperatures. The effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of the billet was investigated using the model. Results show that the increase in nozzle spray distance helps to improve the uniformity of secondary cooling water along the transverse direction, resulting in the decreased transverse uniformity and increased longitudinal uniformity of surface temperature. These effects are beneficial for the internal cracks but harmful for the corner cracks of the billet. Increasing the 收稿日期: 2019−12−26 基金项目: 江苏省双创人才资助项目 (2016A426) 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期：739−746，2020 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 6: 739−746, June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001; http://cje.ustb.edu.cn

·740 工程科学学报，第42卷，第6期 nozzle spray distance in the first segment of the secondary cooling zone and decreasing the nozzle spray distance in the second segment of the secondary cooling zone can decrease the maximum reheating rate and increase the corner temperature,thereby achieving the purpose of simultaneously improving the internal and corner cracks of the billet.On this basis,a nozzle arrangement method,i.e., gradually increasing the nozzle spray distance along the casting direction of each segment in the secondary cooling zone was proposed. This method contributes to the improvement of "longitudinal-transverse"cooling uniformity of the continuous casting billet. KEY WORDS continuous casting billet;nozzle spray distance;water flux distribution;heat transfer and solidification;secondary cooling uniformity 在连铸过程中，铸坯的凝固冷却依次在结品却均匀性器、二冷区和空冷区实现.由于结晶器和空冷区 1连铸机参数和喷淋水分布测试冷却条件相对稳定，二冷区是调控铸坯冷却的关键区域.在二冷区，喷嘴喷水是冷却铸坯的主要方 1.1连铸机参数式，由于喷嘴的水量分布不均匀，且受坯型影响，本文研究的连铸机为直弧形连铸机.此连铸铸坯凝固冷却本身是不均匀的-)，不均匀的冷却机有4流，弧半径为8m,生产铸坯的断面尺寸主容易导致表面和内部裂纹的产生).因此，提高二要为150mm×150mm.图1所示为连铸机示意图. 冷均匀性是改善连铸坯质量的重要手段为提高铸坯内部质量，该连铸机装配有结晶器电连铸坯二冷均匀性的提高主要有以下措施：磁搅拌(M-EMS).电磁搅拌可以产生旋转磁场并优化二冷区长度、水量及分配习，调整二冷喷嘴采用连续搅拌模式.在足辊区、二冷区一段和二布置方式0其中，优化二冷区长度、水量及分冷区二段，采用3种类型的水喷嘴对铸坯进行冷配主要用于提高铸坯沿拉坯方向（纵向）的冷却均却，分别为喷嘴A、喷嘴B和喷嘴C,这3种喷嘴匀性，且相关研究较多.Dou等m确定了合适的二都为锥形喷嘴.足辊区沿铸坯宽度方向布置有两冷强度来控制铸坯内部质量；Fan等通过适当增个喷嘴，二冷区沿铸坯宽度方向布置有一个喷嘴加二冷区长度来降低铸坯表面回温：Ma等9优化不同冷却区喷嘴的喷淋距离都为125mm. 了二冷水分配来提高铸坯质量.调整喷嘴布置方式主要用于提高铸坯沿宽度方向（横向）的冷却均 M-EMS Mold,0.87 m 匀性，该方法大多用于连铸板坯.Long等2-优 Foot-roller zone,0.20 m Nozzle A ×4 化了二冷喷嘴布置方式，用以改善板坯表面温度 Secondary cooling zone : Nozzle B 横向均匀性和液芯形状.占贤辉等6从喷嘴喷射 first segment,1.76 m ×2 角度、安装高度、喷嘴间距等方面对特厚板坯喷 Secondary cooling zone, Nozzle C second segment,2.30 m ×12 嘴选型和布置进行了分析，并提出了弱化边部冷却、均匀化水流密度的策略 Air-cooling zone 125mm 对于连铸小方坯，由于断面尺寸较小，铸坯宽度方向上大多只布置有一个喷嘴.在以往的研究 8m adiu 中，通常假设二冷水横向均匀分布7-20因此，很少有研究涉及喷嘴布置方式对铸坯二冷均匀性的影响.喷淋距离是小方坯二冷喷嘴布置的主要参数，调整喷淋距离会改变二冷区铸坯表面横向水图1连铸机示意图量分布，从而影响连铸坯的凝固冷却过程.探究喷 Fig.I Schematic of the continuous caster 嘴喷淋距离对二冷均匀性的影响，对于小方坯二 1.2 喷淋水分布测试冷系统的设计及优化具有重要指导作用采用USTB-BOI连铸喷淋测试设备对喷嘴的针对小方坯连铸机，本文测量了不同喷淋距水量分布进行测试.图2所示为该设备的示意图离下二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型设备主要包含有4部分，水源-气源装置、水-气调分析了喷嘴喷淋距离对82B钢连铸坯二冷均匀性节装置、综合机械平台和电气控制柜.其中，综合的影响.基于喷嘴喷淋距离，提出了一种连铸小方机械平台用于喷嘴的安装及性能测量，水源-气源坯二冷喷嘴布置方式，用于提高连铸坯“纵-横”冷装置能够提供足够的水压和气压，水-气调节装置

nozzle spray distance in the first segment of the secondary cooling zone and decreasing the nozzle spray distance in the second segment of the secondary cooling zone can decrease the maximum reheating rate and increase the corner temperature, thereby achieving the purpose of simultaneously improving the internal and corner cracks of the billet. On this basis, a nozzle arrangement method, i.e., gradually increasing the nozzle spray distance along the casting direction of each segment in the secondary cooling zone was proposed. This method contributes to the improvement of “longitudinal–transverse” cooling uniformity of the continuous casting billet. KEY WORDS continuous casting billet； nozzle spray distance； water flux distribution； heat transfer and solidification； secondary cooling uniformity 在连铸过程中，铸坯的凝固冷却依次在结晶器、二冷区和空冷区实现. 由于结晶器和空冷区冷却条件相对稳定，二冷区是调控铸坯冷却的关键区域. 在二冷区，喷嘴喷水是冷却铸坯的主要方式. 由于喷嘴的水量分布不均匀，且受坯型影响，铸坯凝固冷却本身是不均匀的[1−2] ，不均匀的冷却容易导致表面和内部裂纹的产生[3] . 因此，提高二冷均匀性是改善连铸坯质量的重要手段. 连铸坯二冷均匀性的提高主要有以下措施：优化二冷区长度、水量及分配[4−9] ，调整二冷喷嘴布置方式[10−16] . 其中，优化二冷区长度、水量及分配主要用于提高铸坯沿拉坯方向（纵向）的冷却均匀性，且相关研究较多. Dou 等[7] 确定了合适的二冷强度来控制铸坯内部质量；Fan 等[8] 通过适当增加二冷区长度来降低铸坯表面回温；Ma 等[9] 优化了二冷水分配来提高铸坯质量. 调整喷嘴布置方式主要用于提高铸坯沿宽度方向（横向）的冷却均匀性，该方法大多用于连铸板坯. Long 等[12−13] 优化了二冷喷嘴布置方式，用以改善板坯表面温度横向均匀性和液芯形状. 占贤辉等[16] 从喷嘴喷射角度、安装高度、喷嘴间距等方面对特厚板坯喷嘴选型和布置进行了分析，并提出了弱化边部冷却、均匀化水流密度的策略. 对于连铸小方坯，由于断面尺寸较小，铸坯宽度方向上大多只布置有一个喷嘴. 在以往的研究中，通常假设二冷水横向均匀分布[17−20] . 因此，很少有研究涉及喷嘴布置方式对铸坯二冷均匀性的影响. 喷淋距离是小方坯二冷喷嘴布置的主要参数，调整喷淋距离会改变二冷区铸坯表面横向水量分布，从而影响连铸坯的凝固冷却过程. 探究喷嘴喷淋距离对二冷均匀性的影响，对于小方坯二冷系统的设计及优化具有重要指导作用. 针对小方坯连铸机，本文测量了不同喷淋距离下二冷喷嘴的水量分布，建立了凝固传热模型分析了喷嘴喷淋距离对 82B 钢连铸坯二冷均匀性的影响. 基于喷嘴喷淋距离，提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式，用于提高连铸坯“纵‒横”冷却均匀性. 1 连铸机参数和喷淋水分布测试 1.1 连铸机参数本文研究的连铸机为直弧形连铸机. 此连铸机有 4 流，弧半径为 8 m，生产铸坯的断面尺寸主要为 150 mm×150 mm. 图 1 所示为连铸机示意图. 为提高铸坯内部质量，该连铸机装配有结晶器电磁搅拌（M-EMS）. 电磁搅拌可以产生旋转磁场并采用连续搅拌模式. 在足辊区、二冷区一段和二冷区二段，采用 3 种类型的水喷嘴对铸坯进行冷却，分别为喷嘴 A、喷嘴 B 和喷嘴 C，这 3 种喷嘴都为锥形喷嘴. 足辊区沿铸坯宽度方向布置有两个喷嘴，二冷区沿铸坯宽度方向布置有一个喷嘴. 不同冷却区喷嘴的喷淋距离都为 125 mm. 1.2 喷淋水分布测试采用 USTB-BOJI 连铸喷淋测试设备对喷嘴的水量分布进行测试. 图 2 所示为该设备的示意图. 设备主要包含有 4 部分，水源‒气源装置、水‒气调节装置、综合机械平台和电气控制柜. 其中，综合机械平台用于喷嘴的安装及性能测量，水源‒气源装置能够提供足够的水压和气压，水‒气调节装置 M-EMS Mold, 0.87 m Foot-roller zone, 0.20 m Secondary cooling zone, first segment, 1.76 m Secondary cooling zone, second segment, 2.30 m Air-cooling zone 125 mm Nozzle C × 12 Nozzle B × 12 Nozzle A × 4 Radius, 8 m 图 1 连铸机示意图 Fig.1 Schematic of the continuous caster · 740 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

韩延申等：喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 .741 用于调整水压和气压到所需的值，电气控制柜用切片依次通过结晶器、二冷区和空冷区，在各冷却于远程控制喷嘴的移动和参数的调节区采用不同的边界条件.模型的具体描述，包括控制方程、边界条件和初始条件等可以由之前的研究-2获得 Radius,6 mm, ① ①Water and gas tank ②Water-gas regulator condary cooling ④ 3Integrated mechanical platform 4Electrical control cabinet 图2喷淋测试设备示意图 Casting direction Air cooling Fig.2 Schematic of the spray test apparatus 75mm×75mm×10mm 本研究主要使用该设备的水量分布测试功能图4切片法示意图和几何模型综合机械平台中，喷嘴下方布置有一个集水装置 Fig.4 Schematic of the slice moving method and geometric model 集水装置由一排透明的玻璃管组成，玻璃管的内该模型特别考虑了二冷区铸坯表面横向水量径和外径分别为10和12mm.集水装置由伺服电分布.根据喷嘴水量分布测量结果，将铸坯表面沿机控制，可以左右移动，其精度为0.1mm.在集水宽度方向分为14个区域.其中，靠近角部的区域装置的前方固定有一个照相机，用来拍摄水量分宽度为3mm,其它区域宽度为l2mm.在不同区布照片，并通过相关软件分析水柱高度.在测量过域根据测量的局部水量，采用不同的传热系数.本程中，将喷嘴安装在喷淋架上，调整喷嘴的水压和文中，二冷区传热系数是跟局部水流密度相关的气压，待喷嘴流量稳定后进行水量分布的测量.测函数，具体如式(1)所示1 量过程，集水装置以10mms的速率通过喷嘴的 h=1570w0.55(1-0.0075Tw)/a (1) 喷淋范围，然后拍照并分析水柱高度，如图3所示式中，h为二冷区传热系数，Wm2.K;W为水流密最后以水柱的高度用来表征水量分布的比例度，Lm2s;Tw为二冷水温度，K;a为校正系数. 2.2钢的热物性参数所研究钢种为82B钢，其主要化学成分如表1 所示.钢的固相率、密度、热焓和导热系数随温度的变化采用JMatPro软件中的热力学数据库计算，如图5所示.为了考虑结晶器电磁搅拌对钢液传 Water flux distribution 热的影响，在结晶器液相的导热系数扩大7倍P, Water collector 糊状区的导热系数随温度线性变化：在二冷区和空冷区，导热系数采用计算值表182B钢的主要化学成分（质量分数）图3喷嘴水量分布测量 Fig.3 Measurement of water flux distribution of the nozzle Table 1 Main chemical composition of 82B steel % Si Mn 2凝固传热模型 0.82 0.20 0.73 0.017 0.004 2.1模型建立 3 结果和讨论采用切片法建立凝固传热模型，图4所示为切片法的示意图和几何模型.为了简化计算，几何模 31喷嘴喷淋距离对二冷水横向分布的影响型采用铸坯断面的四分之一，厚度为10mm,即尺现行连俦工艺下不同喷嘴的喷淋距离和水压寸为75mm×75mm×10mm.几何模型考虑了铸坯值如表2所示.在喷淋距离为125mm、水压为0.6MPa 的圆角，圆角半径为6mm.在模拟过程中，假设的条件下，测量喷嘴A的水量分布，结果如图6(a)

用于调整水压和气压到所需的值，电气控制柜用于远程控制喷嘴的移动和参数的调节. 本研究主要使用该设备的水量分布测试功能. 综合机械平台中，喷嘴下方布置有一个集水装置. 集水装置由一排透明的玻璃管组成，玻璃管的内径和外径分别为 10 和 12 mm. 集水装置由伺服电机控制，可以左右移动，其精度为 0.1 mm. 在集水装置的前方固定有一个照相机，用来拍摄水量分布照片，并通过相关软件分析水柱高度. 在测量过程中，将喷嘴安装在喷淋架上，调整喷嘴的水压和气压，待喷嘴流量稳定后进行水量分布的测量. 测量过程，集水装置以 10 mm·s−1 的速率通过喷嘴的喷淋范围，然后拍照并分析水柱高度，如图 3 所示. 最后以水柱的高度用来表征水量分布的比例. 2 凝固传热模型 2.1 模型建立采用切片法建立凝固传热模型，图 4 所示为切片法的示意图和几何模型. 为了简化计算，几何模型采用铸坯断面的四分之一，厚度为 10 mm，即尺寸为 75 mm×75 mm×10 mm. 几何模型考虑了铸坯的圆角，圆角半径为 6 mm. 在模拟过程中，假设切片依次通过结晶器、二冷区和空冷区，在各冷却区采用不同的边界条件. 模型的具体描述，包括控制方程、边界条件和初始条件等可以由之前的研究[21−22] 获得. 该模型特别考虑了二冷区铸坯表面横向水量分布. 根据喷嘴水量分布测量结果，将铸坯表面沿宽度方向分为 14 个区域. 其中，靠近角部的区域宽度为 3 mm，其它区域宽度为 12 mm. 在不同区域根据测量的局部水量，采用不同的传热系数. 本文中，二冷区传热系数是跟局部水流密度相关的函数，具体如式（1）所示[23] . hs = 1570W0.55(1−0.0075Tw)/α （1）式中，hs 为二冷区传热系数，W·m−2·K−1 ；W 为水流密度，L·m−2·s−1 ；Tw 为二冷水温度，K；α 为校正系数. 2.2 钢的热物性参数所研究钢种为 82B 钢，其主要化学成分如表 1 所示. 钢的固相率、密度、热焓和导热系数随温度的变化采用 JMatPro 软件中的热力学数据库计算，如图 5 所示. 为了考虑结晶器电磁搅拌对钢液传热的影响，在结晶器液相的导热系数扩大 7 倍[24] ，糊状区的导热系数随温度线性变化；在二冷区和空冷区，导热系数采用计算值. 3 结果和讨论 3.1 喷嘴喷淋距离对二冷水横向分布的影响现行连铸工艺下不同喷嘴的喷淋距离和水压值如表2 所示. 在喷淋距离为125 mm、水压为0.6 MPa 的条件下，测量喷嘴 A 的水量分布，结果如图 6（a） 1 2 3 Water and gas tank Electrical control cabinet Water-gas regulator Integrated mechanical platform 1 2 3 4 4 图 2 喷淋测试设备示意图 Fig.2 Schematic of the spray test apparatus Nozzle Water collector Water flux distribution 图 3 喷嘴水量分布测量 Fig.3 Measurement of water flux distribution of the nozzle Mold Casting direction Air cooling Secondary cooling Radius, 6 mm 75 mm×75 mm×10 mm Y X Z 图 4 切片法示意图和几何模型 Fig.4 Schematic of the slice moving method and geometric model 表 1 82B 钢的主要化学成分 (质量分数) Table 1 Main chemical composition of 82B steel % C Si Mn P S 0.82 0.20 0.73 0.017 0.004 韩延申等：喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 · 741 ·

742 工程科学学报，第42卷，第6期 1.0a 7800 (b) 1400 (c) 1200 200 7600 1000 150 7400 800 0.4 600 7200 100 400 7000 200 50 6800 0 0 13501380141014401470 0 40080012001600 0 40080012001600 Temperature/℃ Temperature/℃ Temperature/℃ 图582B钢的热物性参数 Fig.5 Thermal-physical properties of 82B steel 所示.可知，喷嘴A水量分布对称性较好，整体呈结果如图7所示.喷嘴B和喷嘴C水量分布对称喷淋中心水量多、边部水量少.由于足辊区铸坯性也比较好，喷淋中心区域水量多、边部水量少表面横向布置有两个喷嘴，对喷嘴A水量分布进随喷淋距离的增加，喷淋水覆盖范围逐渐增加，行叠加，如图6(b)所示.两个喷嘴水量分布叠加以且水量变化逐渐平滑.当喷淋距离为100、125和后，在靠近喷淋中心有一个水量分布较均匀的区 150mm时，二冷区一段喷淋水有效率分别为100%、域.考虑到连铸坯宽度方向尺寸为l50mm,将距 99.7%和97.8%，二冷区二段喷淋水有效率分别为离喷淋中心±75mm的区间设置为有效范围.在有 98.8%、96.1%和87.2%.可知，随喷嘴喷淋距离的效范围内，足辊区喷淋水横向分布比较均匀，而且增加，喷淋水有效率减小.当喷嘴喷淋距离由铸坯角部附近水量略高于表面中心.由于足辊区 100增加至150mm,二冷区一段铸坯表面中心水有一部分喷淋水未喷到铸坯表面，而这部分水对量比例由13.1%降低至9.4%，角部水量由0增加铸坯的冷却能力有限.将喷到铸坯表面的水量定至1.3%：二冷区二段铸坯表面中心水量比例由10.9% 义为有效喷淋水，由图6(b)可得，足辊区喷淋水有降低至7.9%，角部水量由1.4%增加至4.6%.可效率为65.0% 知，喷嘴喷淋距离对二冷水横向分布影响很大.随喷淋距离的增加，铸坯表面中心区域的水量减少，表2现行工艺下喷嘴的喷淋距离和水压值铸坯角部附近水量增多，二冷水横向均匀性提高 Table 2 Spray distance and water pressure of the nozzles under the current process 3.2凝固传热模型校正 Nozzle type Spray distance/mm Water pressure/MPa 根据测量所得的现行工艺下二冷水横向分 A 125 0.40 布，结合铸坯表面测温结果对凝固传热模型进行 B 125 0.80 校正.在现行工艺下进行82B钢的生产，具体连铸 0 125 0.60 工艺参数如表3所示.在生产过程中，对铸坯表面温度进行测量.测温采用高温红外测温仪，其型号在喷嘴B和喷嘴C各自的水压力下测量水量分为RAYR312MSCL2U,误差范围为±1.5%.为了尽布，其中喷淋距离分别设置为100、125和150mm, 可能降低二冷水雾等因素对测量结果的影响，测 (a) (b) Effective range. 10 150mm 8 6 xn 0 0口 120-96-72-48-24024487296120 -180-144-108-72-3603672108144180 Distance to spray center/mm Distance to spray center/mm 图6足辊区水量横向分布.(a)单个喷嘴：(b)两个喷嘴 Fig.6 Water flux distribution in the foot-roller zone:(a)one nozzle;(b)two nozzles

所示. 可知，喷嘴 A 水量分布对称性较好，整体呈喷淋中心水量多、边部水量少. 由于足辊区铸坯表面横向布置有两个喷嘴，对喷嘴 A 水量分布进行叠加，如图 6（b）所示. 两个喷嘴水量分布叠加以后，在靠近喷淋中心有一个水量分布较均匀的区域. 考虑到连铸坯宽度方向尺寸为 150 mm，将距离喷淋中心±75 mm 的区间设置为有效范围. 在有效范围内，足辊区喷淋水横向分布比较均匀，而且铸坯角部附近水量略高于表面中心. 由于足辊区有一部分喷淋水未喷到铸坯表面，而这部分水对铸坯的冷却能力有限. 将喷到铸坯表面的水量定义为有效喷淋水，由图 6（b）可得，足辊区喷淋水有效率为 65.0%. 在喷嘴 B 和喷嘴 C 各自的水压力下测量水量分布，其中喷淋距离分别设置为 100、125 和 150 mm，结果如图 7 所示. 喷嘴 B 和喷嘴 C 水量分布对称性也比较好，喷淋中心区域水量多、边部水量少. 随喷淋距离的增加，喷淋水覆盖范围逐渐增加，且水量变化逐渐平滑. 当喷淋距离为 100、125 和 150 mm 时，二冷区一段喷淋水有效率分别为 100%、 99.7% 和 97.8%，二冷区二段喷淋水有效率分别为 98.8%、96.1% 和 87.2%. 可知，随喷嘴喷淋距离的增加，喷淋水有效率减小. 当喷嘴喷淋距离由 100 增加至 150 mm，二冷区一段铸坯表面中心水量比例由 13.1% 降低至 9.4%，角部水量由 0 增加至 1.3%；二冷区二段铸坯表面中心水量比例由 10.9% 降低至 7.9%，角部水量由 1.4% 增加至 4.6%. 可知，喷嘴喷淋距离对二冷水横向分布影响很大. 随喷淋距离的增加，铸坯表面中心区域的水量减少，铸坯角部附近水量增多，二冷水横向均匀性提高. 3.2 凝固传热模型校正根据测量所得的现行工艺下二冷水横向分布，结合铸坯表面测温结果对凝固传热模型进行校正. 在现行工艺下进行 82B 钢的生产，具体连铸工艺参数如表 3 所示. 在生产过程中，对铸坯表面温度进行测量. 测温采用高温红外测温仪，其型号为 RAYR312MSCL2U，误差范围为±1.5%. 为了尽可能降低二冷水雾等因素对测量结果的影响，测 1.0 0.8 (a) 0.6 0.4 0.2 Solid fraction 1350 1380 1410 Temperature/℃ 1440 1470 0 200 150 100 50 (c) Thermal conductivity/ (W·m−1·K−1 ) 0 400 800 Below the mold In the mold Temperature/℃ 1200 1600 0 7800 7600 (b) 7400 7200 7000 Density/(kg·m−3 ) Enthalpy/(kJ·kg−1 ) 0 400 800 Temperature/℃ 1200 1600 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 6800 图 5 82B 钢的热物性参数 Fig.5 Thermal–physical properties of 82B steel −120 0 2 4 6 8 10 (a) −96 −72 −48 −24 0 24 Distance to spray center/mm Water flux distribution/ % 48 72 96 120 −180 0 2 1 3 4 5 6 (b) −144−108 −72 −36 0 36 Distance to spray center/mm Effective range, 150 mm Water flux distribution/ % 72 108 144 180 图 6 足辊区水量横向分布. （a）单个喷嘴；（b）两个喷嘴 Fig.6 Water flux distribution in the foot-roller zone: (a) one nozzle; (b) two nozzles 表 2 现行工艺下喷嘴的喷淋距离和水压值 Table 2 Spray distance and water pressure of the nozzles under the current process Nozzle type Spray distance/mm Water pressure/MPa A 125 0.40 B 125 0.80 C 125 0.60 · 742 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

韩延申等：喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 743· 16 (a)Effective range,150 mm 16(b)Effective range,150 mm 这 16 (c)Effective range,150 mm 12 8 4 -72-48-2402448 72 -72-48-240244872 96 -48 0 48 96 Distance to spray center/mm stance to spray center/mm Distance to spray center/mm (d):Effective range,150 mm (e) Effective range,150 mm 12 .(f)Effective range,150 ma 10 8 8 6 6 6 4 4 4 2 2 0 0 -72-48-240-244872 -96 -48 0 48 96 -96-480 48 96 Distance to spray center/mm Distance to spray center/mm Distance to spray center/mm 图7不同喷淋距离下喷嘴水量分布.(a)喷嘴B.100mm:(b)喷嘴B.125mm:(c)喷嘴B.150mm:(d)喷嘴C,100mm:(e)喷嘴C.125mm:(f)喷嘴C,150mm Fig.7 Water flux distributions of the nozzles under different spray distances:(a)nozzle B,100 mm;(b)nozzle B,125 mm:(c)nozzle B,150 mm;(d) nozzle C,100 mm;(e)nozzle C,125 mm;(f)nozzle C,150 mm 温位置避开了二冷区.测温时，测温仪垂直于铸坯 1600 侧弧表面中心，距离约1m,并将测量位置温度最 1400 Calculated temperature 大值作为此位置温度.根据表3中所示的连铸参 .Measured temperature 1200 数和测量的二冷区水量分布，采用凝固传热模型计算铸坯的表面温度，并逐渐调整二冷区换热系 1000 数公式中校正系数α的值，使测量结果和模拟结 800 果相匹配.图8所示为校正系数为3时铸坯表面 600 测量温度和模拟温度的对比.可知，在误差允许范 0 4 6810 12 14 围内测量温度和计算温度符合较好，表明所建凝 Distance to meniscus/m 固传热模型具有较好的精度，可以用来计算连铸图8表面中心测量温度和模拟温度对比坯的热行为 Fig.8 Comparisons of the measured and simulated temperatures of the surface center 表382B钢主要连铸工艺参数行为.图9所示为不同喷淋距离下铸坯角部和 Table 3 Main casting parameters of 82B steel 表面中心温度变化，现行工艺下，即喷嘴喷淋距离 Item Value 为125mm时，二冷区一段铸坯表面温度横向分布 Sectional dimension/(mmxmm) 150×150 相对均匀，二冷区二段铸坯角部和表面中心最大 Casting speed/(m'min) 1.8 温差为177℃.改变喷嘴喷淋距离影响铸坯表面 Pouring temperature/C 1503 水量分布，尤其是铸坯角部和表面中心的水量，从 Water flux of mold cooling/(m3.h) 112 而影响俦坯表面温度分布，减小喷嘴喷淋距离至 Temperature difference between inlet and 6.02 outlet of mold water/.℃ 100mm,铸坯角部附近水量减少，冷却变弱，导致 Water flux of secondary cooling/(m'h) 35.8 铸坯角部温度升高：同时，铸坯表面中心区域水量 Water temperature/.℃ 35 增加，冷却增强，导致表面中心温度降低.因此， Ambient temperature/C 25 二冷区铸坯角部和表面中心最大温差减小至 118℃.相反，增加喷嘴喷淋距离至150mm,铸坯 33喷嘴喷淋距离对连铸坯凝固冷却的影响角部温度降低，表面中心温度提高，二冷区铸坯角根据喷嘴在不同喷淋距离下的二冷水横向分部和表面中心最大温差增加至225℃.由此可知，布，采用校正过的凝固传热模型计算连铸坯的热增加喷嘴喷淋距离会降低铸坯表面温度横向均匀

温位置避开了二冷区. 测温时，测温仪垂直于铸坯侧弧表面中心，距离约 1 m，并将测量位置温度最大值作为此位置温度. 根据表 3 中所示的连铸参数和测量的二冷区水量分布，采用凝固传热模型计算铸坯的表面温度，并逐渐调整二冷区换热系数公式中校正系数 α 的值，使测量结果和模拟结果相匹配. 图 8 所示为校正系数为 3 时铸坯表面测量温度和模拟温度的对比. 可知，在误差允许范围内测量温度和计算温度符合较好，表明所建凝固传热模型具有较好的精度，可以用来计算连铸坯的热行为. 3.3 喷嘴喷淋距离对连铸坯凝固冷却的影响根据喷嘴在不同喷淋距离下的二冷水横向分布，采用校正过的凝固传热模型计算连铸坯的热行为. 图 9 所示为不同喷淋距离下铸坯角部和表面中心温度变化. 现行工艺下，即喷嘴喷淋距离为 125 mm 时，二冷区一段铸坯表面温度横向分布相对均匀，二冷区二段铸坯角部和表面中心最大温差为 177 ℃. 改变喷嘴喷淋距离影响铸坯表面水量分布，尤其是铸坯角部和表面中心的水量，从而影响铸坯表面温度分布. 减小喷嘴喷淋距离至 100 mm，铸坯角部附近水量减少，冷却变弱，导致铸坯角部温度升高；同时，铸坯表面中心区域水量增加，冷却增强，导致表面中心温度降低. 因此，二冷区铸坯角部和表面中心最大温差减小至 118 ℃. 相反，增加喷嘴喷淋距离至 150 mm，铸坯角部温度降低，表面中心温度提高，二冷区铸坯角部和表面中心最大温差增加至 225 ℃. 由此可知，增加喷嘴喷淋距离会降低铸坯表面温度横向均匀 16 (a) −72 −48 −24 0 Effective range, 150 mm 24 48 72 12 8 4 0 Distance to spray center/mm Water flux distribution/ % 16 (b) −72 −48 −24 0 Effective range, 150 mm 24 48 72 12 8 4 0 Distance to spray center/mm Water flux distribution/ % 16 (c) −96 −48 0 Effective range, 150 mm 48 96 12 8 4 0 Distance to spray center/mm Water flux distribution/ % 12 (d) −72 −48 −24 0 Effective range, 150 mm −24 48 72 10 8 6 2 4 0 Distance to spray center/mm Water flux distribution/ % 12 (e) −96 −48 0 Effective range, 150 mm 48 96 10 8 6 2 4 0 Distance to spray center/mm Water flux distribution/ % 12 (f) −96 −48 0 Effective range, 150 mm 48 96 10 8 6 4 2 0 Distance to spray center/mm Water flux distribution/ % 图 7 不同喷淋距离下喷嘴水量分布. （a）喷嘴 B，100 mm；（b）喷嘴 B，125 mm；（c）喷嘴 B，150 mm；（d）喷嘴 C，100 mm；（e）喷嘴 C，125 mm；（f）喷嘴 C，150 mm Fig.7 Water flux distributions of the nozzles under different spray distances: (a) nozzle B, 100 mm; (b) nozzle B, 125 mm; (c) nozzle B, 150 mm; (d) nozzle C, 100 mm; (e) nozzle C, 125 mm; (f) nozzle C, 150 mm 1600 1400 Calculated temperature Measured temperature 1200 1000 800 600 0 2 4 6 Distance to meniscus/m 8 10 12 14 Temperature/ ℃ 图 8 表面中心测量温度和模拟温度对比 Fig.8 Comparisons of the measured and simulated temperatures of the surface center 表 3 82B 钢主要连铸工艺参数 Table 3 Main casting parameters of 82B steel Item Value Sectional dimension/(mm×mm) 150×150 Casting speed/(m·min−1) 1.8 Pouring temperature/℃ 1503 Water flux of mold cooling/(m3 ·h−1) 112 Temperature difference between inlet and outlet of mold water/℃ 6.02 Water flux of secondary cooling/ (m3 ·h−1) 35.8 Water temperature/℃ 35 Ambient temperature/℃ 25 韩延申等：喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 · 743 ·

44 工程科学学报，第42卷，第6期 Secondary cooling Air cooling (a) Secondary Air cooling (b) Secondary cooling cooling Air cooling (c) 1400 1400 1400 Surface center -Surface center -Surface center 1200 Billet center 1200 -.--Billet center 1200 --Billet center 1000 1000 1000 173℃m- 160℃m- 1147℃m-1 800 883℃ 800 874℃ 800 870℃7 600 600 600 0 4 6 8101214 0 4 6 1012 14 0 4 6 8.101214 Distance to meniscus/m Distance to meniscus/m Distance to meniscus/m 国9喷嘴在不同喷淋距离下连铸坯角部和表面中心温度变化.(a)100mm;(b)125mm,(c)150mm Fig.9 Temperature variations of the billet comer and surface center under different nozzle spray distances:(a)100 mm;(b)125 mm;(c)150 mm 性，当喷嘴喷淋距离由100增加至150mm时，由因此，在连铸过程中，可以根据钢种特性和需于铸坯表面中心区域水量减少，铸坯表面温度沿求，在二冷区选择合适的喷嘴喷淋距离来控制铸拉坯方向变化逐渐平缓，最大回温速率由173降坯质量.对于内裂纹敏感性高的钢种，可以适当增低至147℃m,铸坯表面温度纵向均匀性得到了加喷嘴喷淋距离降低铸坯表面中心回温，控制铸提高.图10所示为喷嘴在不同喷淋距离下连铸坯坯内部裂纹的产生；对于角部裂纹敏感性高的钢中心固相率变化.当喷嘴喷淋距离分别为100、种，可以适当减小喷嘴喷淋距离提高角部温度，降 125和150mm时，铸坯液相穴长度分别为8.856、低铸坯角部裂纹产生几率 8.886和8.976m,表明增加喷嘴喷淋距离会延长液 3.4一种有助于提高二冷均匀性的喷嘴布置方式相穴长度由图9可知，同时增加二冷区一段和二冷区二段喷嘴喷淋距离，不能兼顾连铸坯内部裂纹和角 1.0 Liquid core length 51.0 8.856,8.885,8.976 部裂纹的改善.结合喷嘴在不同喷淋距离下的水 0.8 量分布特征，在二冷区一段和二段采用不同的喷淋距离.具体方案为：足辊区喷嘴喷淋距离不变，二冷 0.6 区一段喷嘴喷淋距离由125mm减小至100mm,二 8.788 8.9 9.0 冷区二段喷嘴喷淋距离由125mm增加至150mm. 0.2 100mm 125mm 图11所示为此方案下铸坯表面温度和中心固相 150mm 0 率的变化.可知，与现行工艺相比，此方案下铸坯 0 4 6 8 10 液相穴长度由8.886延长至8.946m,表面最大回 Distance to meniscus/m 温速率由160降至150℃m,矫直点角部温度由困10不同喷嘴喷淋距离下铸坯中心固相率变化 Fig.10 Variation of the central solid fraction of the billet under different 874提高至880℃，有助于同时改善铸坯内部裂纹 nozzle spray distances 和角部裂纹由图9可知，当喷嘴喷淋距离分别为100、125 Air cooling 1.0 和150mm时，铸坯表面最大回温速率分别为173、 1400 8.946m 160和147℃m,矫直点角部温度分别为883、 Solid fraction 0.8 Surface center 874和870℃.这两个参数与连铸坯内部裂纹和角 .Billet corner 150℃m 部裂纹的形成密切相关.为控制内部裂纹的产生， 1000 铸坯表面最大回温应控制在100℃m以内2.为 800 880℃ 0.2 避免角部裂纹的产生，铸坯矫直点角部温度应避开钢的第三脆性区)增加喷嘴喷淋距离，铸坯表 600 0 面最大回温速率降低，有助于改善内部裂纹，但同 4 6 8 10 14 Distance to meniscus/m 时会降低铸坯角部温度，容易导致角部裂纹的产图11铸坯表面温度和中心固相率变化生.相反，减小喷嘴喷淋距离，有助于改善角部裂 Fig.11 Variations of the surface temperature and central solid fraction 纹，但会对铸坯内部裂纹产生不利影响. of the billet

性. 当喷嘴喷淋距离由 100 增加至 150 mm 时，由于铸坯表面中心区域水量减少，铸坯表面温度沿拉坯方向变化逐渐平缓，最大回温速率由 173 降低至 147 ℃·m−1，铸坯表面温度纵向均匀性得到了提高. 图 10 所示为喷嘴在不同喷淋距离下连铸坯中心固相率变化. 当喷嘴喷淋距离分别为 100、 125 和 150 mm 时，铸坯液相穴长度分别为 8.856、 8.886 和 8.976 m，表明增加喷嘴喷淋距离会延长液相穴长度. 由图 9 可知，当喷嘴喷淋距离分别为 100、125 和 150 mm 时，铸坯表面最大回温速率分别为 173、 160 和 147 ℃·m−1，矫直点角部温度分别为 883、 874 和 870 ℃. 这两个参数与连铸坯内部裂纹和角部裂纹的形成密切相关. 为控制内部裂纹的产生，铸坯表面最大回温应控制在 100 ℃·m−1 以内[25] . 为避免角部裂纹的产生，铸坯矫直点角部温度应避开钢的第三脆性区[3] . 增加喷嘴喷淋距离，铸坯表面最大回温速率降低，有助于改善内部裂纹，但同时会降低铸坯角部温度，容易导致角部裂纹的产生. 相反，减小喷嘴喷淋距离，有助于改善角部裂纹，但会对铸坯内部裂纹产生不利影响. 因此，在连铸过程中，可以根据钢种特性和需求，在二冷区选择合适的喷嘴喷淋距离来控制铸坯质量. 对于内裂纹敏感性高的钢种，可以适当增加喷嘴喷淋距离降低铸坯表面中心回温，控制铸坯内部裂纹的产生；对于角部裂纹敏感性高的钢种，可以适当减小喷嘴喷淋距离提高角部温度，降低铸坯角部裂纹产生几率. 3.4 一种有助于提高二冷均匀性的喷嘴布置方式由图 9 可知，同时增加二冷区一段和二冷区二段喷嘴喷淋距离，不能兼顾连铸坯内部裂纹和角部裂纹的改善. 结合喷嘴在不同喷淋距离下的水量分布特征，在二冷区一段和二段采用不同的喷淋距离. 具体方案为：足辊区喷嘴喷淋距离不变，二冷区一段喷嘴喷淋距离由 125 mm 减小至 100 mm，二冷区二段喷嘴喷淋距离由 125 mm 增加至 150 mm. 图 11 所示为此方案下铸坯表面温度和中心固相率的变化. 可知，与现行工艺相比，此方案下铸坯液相穴长度由 8.886 延长至 8.946 m，表面最大回温速率由 160 降至 150 ℃·m−1，矫直点角部温度由 874 提高至 880 ℃，有助于同时改善铸坯内部裂纹和角部裂纹. 1.0 0.8 0.6 100 mm 1.0 0.8 8.7 8.8 8.9 9.0 0.6 125 mm 150 mm 0.4 0.2 0 0 2 Solid fraction Solid fraction 4 6 Distance to meniscus/m Distance to meniscus/m Liquid core length 8.856, 8.886, 8.976 8 10 图 10 不同喷嘴喷淋距离下铸坯中心固相率变化 Fig.10 Variation of the central solid fraction of the billet under different nozzle spray distances 1400 1200 1000 800 600 0 2 4 6 8 10 12 14 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Temperature/ ℃ Distance to meniscus/m Air cooling Solid fraction Surface center Solid fraction 8.946 m Billet corner Secondary cooling 880 ℃ 150 ℃·m−1 图 11 铸坯表面温度和中心固相率变化 Fig.11 Variations of the surface temperature and central solid fraction of the billet 1400 Air cooling Surface center Billet center Secondary cooling (a) 1200 1000 800 0 2 4 6 8 10 12 14 600 Distance to meniscus/m 883 ℃ 118 ℃ 173 ℃·m−1 Temperature/ ℃ 1400 Air cooling Surface center Billet center Secondary cooling (b) 1200 1000 800 0 2 4 6 8 10 12 14 600 Distance to meniscus/m 874 ℃ 177 ℃ 160 ℃·m−1 Temperature/ ℃ 1400 Air cooling Surface center Billet center Secondary cooling (c) 1200 1000 800 0 2 4 6 8 10 12 14 600 Distance to meniscus/m 870 ℃ 225 ℃ 147 ℃·m−1 Temperature/ ℃ 图 9 喷嘴在不同喷淋距离下连铸坯角部和表面中心温度变化. （a）100 mm;（b）125 mm;（c）150 mm Fig.9 Temperature variations of the billet corner and surface center under different nozzle spray distances: (a) 100 mm; (b) 125 mm; (c) 150 mm · 744 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

韩延申等：喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 745· 在以上研究的基础上，为了提高二冷均匀性， heat flux distribution.Ironmaking Steelmaking,2015,42(1):1 提出一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式，该布置 [3] Brimacombe J K,Sorimachi K.Crack formation in the continuous 方式如图12所示.在二冷区每段开始，喷嘴采用 casting of steel.Metall Trans B,1977,8(2):489 [4] Han C J,Cai KK,Zhao J G,et al.Solidification heat transfer 低喷淋距离，喷淋水刚好覆盖铸坯表面；随后，沿 process and control for secondary cooling zone of slab casting.J 拉坯方向喷嘴喷淋距离越来越高.采用此喷嘴布 Univ Sci Technol Beijing,1999,21(6):523 置方式，在二冷区每段开始时铸坯表面中心水量 (韩传基，蔡开科，赵家贵，等.板坯连铸二冷区凝固传热过程与多，角部水量少，有利于铸坯横向冷却均匀性；之控制.北京科技大学学报，1999,21(6)：523) 后，铸坯表面中心水量逐渐减少，角部水量逐渐增 [5] Min Y,Liu CJ.Wang D Y.et al.Prediction of equiaxed crystal 多，可以降低铸坯进入下一冷却段时表面回温，有 ratio of continuous casting round billet of 37Mn5 steel.J Iron Steel Res,2011,23(10):38 利于铸坯纵向冷却均匀性.综上所述，采用此方法 (闵义，刘承军，王德永，等.3Mn5连铸圆坯中心等轴品率预测有助于提高铸坯“纵-横”冷却均匀性钢铁研究学报，2011,23(10)：38) Nozzle Spray frame [6]Zeng J,Chen W Q.Effect of secondary cooling conditions on solidification structure and central macrosegregation in continuously cast high-carbon rectangular billet.High Temp Mater Processes,2015,34(6):577 [7]Dou K,Yang Z G,Liu Q,et al.Influence of secondary cooling mode on solidification structure and macro-segregation behavior Casting direction ●Spray coverage for high-carbon continuous casting bloom.High Temp Mater 图12喷嘴布置方式示意图 Process,.2017,36(7):741 Fig.12 Schematic of the nozzle arrangement [8]Fan HL,Long M J,Yu S,et al.Uniform secondary cooling pattern for minimizing surface reheating of the strand during round bloom 4结论 continuous casting.JOM,2018,70(2):237 [9] (1)喷嘴喷淋距离影响铸坯表面二冷水横向 Ma J C,Wang B,Zhang D,et al.Optimization of secondary cooling water distribution for improving the billet quality for a 分布.随喷淋距离增加，喷淋水覆盖范围增加，二 small caster.ISI/Int,2018,58(5):915 冷水有效率减小，铸坯表面中心水量减少，角部水 [10]Wang X Y.Liu Q,Wang B,et al.Optimal control of secondary 量增加，二冷水横向分布均匀性提高 cooling for medium thickness slab continuous casting./ronmaking (2)增加喷嘴喷淋距离，可以提高铸坯纵向冷 Steelmaking,2011,38(7):552 却均匀性，但会降低横向冷却均匀性.随喷淋距离 [11]Wang X Y,Liu Q,Hu Z G,et al.Influence of nozzle layouts on 增加，铸坯液相穴延长，二冷区横向温度梯度增 the secondary cooling effect of medium thickness slabs in continuous casting.J Univ Sci Technol Beijing,2010,32(8):1064 加，表面中心最大回温降低，角部温度降低，有助 (王先勇，刘青，胡志刚，等.喷嘴布置方式对中厚板坯连铸二次于改善连铸坯内部裂纹，但对角部裂纹不利冷却效果的影响.北京科技大学学报，2010,32(8)：1064) (3)减小二冷区一段喷嘴喷淋距离，增加二冷 [12]Long M J,Chen D F.Study on mitigating center macro- 区二段喷嘴喷淋距离，可以降低铸坯表面中心最 segregation during steel continuous casting process.Steel Res Int, 大回温，提高角部温度，有助于同时改善铸坯角部 2011,82(7):847 裂纹和内部裂纹.在连铸二冷区各段，喷嘴采用沿 [13]Long M J,Chen D F,Zhang L F,et al.A mathematical model for 拉坯方向喷淋距离逐渐增加的布置方式，有助于 mitigating centerline macro segregation in continuous casting slab. Metalurgia Int,2011,16(10):19 提高连铸坯“纵一横”冷却均匀性 [14]Ji C,Luo S,Zhu M Y,et al.Uneven solidification during wide- 参考文献 thick slab continuous casting process and its influence on soft reduction zone.ISI/Int,2014,54(1):103 [1]Zhang F Q,Wang X H.Simulation of uneven cooling along the [15]Ji C,Cai ZZ,Wang W L,et al.Effect of transverse distribution of width of continuously cast slab in secondary cooling zone.Iron secondary cooling water on corner cracks in wide thick slab Seel,2006,41(9):30 continuous casting process.Ironmaking Steelmaking,2014,41(5): (张言强，王新华.连铸板坯二冷区宽度方向不均匀冷却的研究 360 钢铁，2006,41(9)：30) [16]Zhan X H,Mao J H,Yan J W,et al.Selection and layout of nozzle [2]Assuncao C,Tavares R,Oliveira G.Improvement in secondary for ultra-thick slab continuous caster./ron Steel,2014,49(5):42 cooling of continuous casting of round billets through analysis of (占贤辉，毛敏华，阎建武，等.特厚板坯连铸机二冷区喷嘴选型

在以上研究的基础上，为了提高二冷均匀性，提出一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式，该布置方式如图 12 所示. 在二冷区每段开始，喷嘴采用低喷淋距离，喷淋水刚好覆盖铸坯表面；随后，沿拉坯方向喷嘴喷淋距离越来越高. 采用此喷嘴布置方式，在二冷区每段开始时铸坯表面中心水量多，角部水量少，有利于铸坯横向冷却均匀性；之后，铸坯表面中心水量逐渐减少，角部水量逐渐增多，可以降低铸坯进入下一冷却段时表面回温，有利于铸坯纵向冷却均匀性. 综上所述，采用此方法有助于提高铸坯“纵‒横”冷却均匀性. 4 结论（1）喷嘴喷淋距离影响铸坯表面二冷水横向分布. 随喷淋距离增加，喷淋水覆盖范围增加，二冷水有效率减小，铸坯表面中心水量减少，角部水量增加，二冷水横向分布均匀性提高. （2）增加喷嘴喷淋距离，可以提高铸坯纵向冷却均匀性，但会降低横向冷却均匀性. 随喷淋距离增加，铸坯液相穴延长，二冷区横向温度梯度增加，表面中心最大回温降低，角部温度降低，有助于改善连铸坯内部裂纹，但对角部裂纹不利. （3）减小二冷区一段喷嘴喷淋距离，增加二冷区二段喷嘴喷淋距离，可以降低铸坯表面中心最大回温，提高角部温度，有助于同时改善铸坯角部裂纹和内部裂纹. 在连铸二冷区各段，喷嘴采用沿拉坯方向喷淋距离逐渐增加的布置方式，有助于提高连铸坯“纵‒横”冷却均匀性. 参考文献 Zhang F Q, Wang X H. Simulation of uneven cooling along the width of continuously cast slab in secondary cooling zone. Iron Steel, 2006, 41（9）: 30 （张富强, 王新华. 连铸板坯二冷区宽度方向不均匀冷却的研究. 钢铁, 2006, 41（9）：30） [1] Assuncao C, Tavares R, Oliveira G. Improvement in secondary cooling of continuous casting of round billets through analysis of [2] heat flux distribution. Ironmaking Steelmaking, 2015, 42（1）: 1 Brimacombe J K, Sorimachi K. Crack formation in the continuous casting of steel. Metall Trans B, 1977, 8（2）: 489 [3] Han C J, Cai K K, Zhao J G, et al. Solidification heat transfer process and control for secondary cooling zone of slab casting. J Univ Sci Technol Beijing, 1999, 21（6）: 523 （韩传基, 蔡开科, 赵家贵, 等. 板坯连铸二冷区凝固传热过程与控制. 北京科技大学学报, 1999, 21（6）：523） [4] Min Y, Liu C J, Wang D Y, et al. Prediction of equiaxed crystal ratio of continuous casting round billet of 37Mn5 steel. J Iron Steel Res, 2011, 23（10）: 38 （闵义, 刘承军, 王德永, 等. 37Mn5连铸圆坯中心等轴晶率预测. 钢铁研究学报, 2011, 23（10）：38） [5] Zeng J, Chen W Q. Effect of secondary cooling conditions on solidification structure and central macrosegregation in continuously cast high-carbon rectangular billet. High Temp Mater Processes, 2015, 34（6）: 577 [6] Dou K, Yang Z G, Liu Q, et al. Influence of secondary cooling mode on solidification structure and macro-segregation behavior for high-carbon continuous casting bloom. High Temp Mater Process, 2017, 36（7）: 741 [7] Fan H L, Long M J, Yu S, et al. Uniform secondary cooling pattern for minimizing surface reheating of the strand during round bloom continuous casting. JOM, 2018, 70（2）: 237 [8] Ma J C, Wang B, Zhang D, et al. Optimization of secondary cooling water distribution for improving the billet quality for a small caster. ISIJ Int, 2018, 58（5）: 915 [9] Wang X Y, Liu Q, Wang B, et al. Optimal control of secondary cooling for medium thickness slab continuous casting. Ironmaking Steelmaking, 2011, 38（7）: 552 [10] Wang X Y, Liu Q, Hu Z G, et al. Influence of nozzle layouts on the secondary cooling effect of medium thickness slabs in continuous casting. J Univ Sci Technol Beijing, 2010, 32（8）: 1064 （王先勇, 刘青, 胡志刚, 等. 喷嘴布置方式对中厚板坯连铸二次冷却效果的影响. 北京科技大学学报, 2010, 32（8）：1064） [11] Long M J, Chen D F. Study on mitigating center macrosegregation during steel continuous casting process. Steel Res Int, 2011, 82（7）: 847 [12] Long M J, Chen D F, Zhang L F, et al. A mathematical model for mitigating centerline macro segregation in continuous casting slab. Metalurgia Int, 2011, 16（10）: 19 [13] Ji C, Luo S, Zhu M Y, et al. Uneven solidification during widethick slab continuous casting process and its influence on soft reduction zone. ISIJ Int, 2014, 54（1）: 103 [14] Ji C, Cai Z Z, Wang W L, et al. Effect of transverse distribution of secondary cooling water on corner cracks in wide thick slab continuous casting process. Ironmaking Steelmaking, 2014, 41（5）: 360 [15] Zhan X H, Mao J H, Yan J W, et al. Selection and layout of nozzle for ultra-thick slab continuous caster. Iron Steel, 2014, 49（5）: 42 （占贤辉, 毛敬华, 阎建武, 等. 特厚板坯连铸机二冷区喷嘴选型 [16] Nozzle Spray frame Casting direction Spray coverage 图 12 喷嘴布置方式示意图 Fig.12 Schematic of the nozzle arrangement 韩延申等：喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 · 745 ·

与布置. 钢铁, 2014, 49（5）：42） Wang B, Ji Z P, Liu W H, et al. Application of hot strength and ductility test to optimization of secondary cooling system in billet continuous casting process. J Iron Steel Res Int, 2008, 15（4）: 16 [17] Chaudhuri S, Singh R K, Patwari K, et al. Design and implementation of an automated secondary cooling system for the continuous casting of billets. ISA Trans, 2010, 49（1）: 121 [18] Ramírez-López A, Aguilar-López R, Palomar-Pardavé M, et al. Simulation of heat transfer in steel billets during continuous casting. Int J Miner Metall Mater, 2010, 17（4）: 403 [19] Yu Y, Luo X C, Zhang H X, et al. Dynamic optimization method of secondary cooling water quantity in continuous casting based on three-dimensional transient nonlinear convective heat transfer equation. Appl Therm Eng, 2019, 160: 113988 [20] Han Y S, Wang X Y, Zhang J S, et al. Comparison of transverse uniform and non-uniform secondary cooling strategies on heat transfer and solidification structure of continuous-casting billet. Metals, 2019, 9（5）: 543 [21] Han Y S, Yan W, Zhang J S, et al. Optimization of thermal soft reduction on continuous-casting billet. ISIJ Int, 2020, 60（1）: 106 [22] Nozaki T, Matsuno J, Murata K, et al. A secondary cooling pattern for preventing surface cracks of continuous casting slab. Trans Iron Steel Inst Jpn, 1978, 18（6）: 330 [23] Sediako D, Sediako O, Lin K J. Some aspects of thermal analysis and technology upgrading in steel continuous casting. Can Metall Q, 1999, 38（5）: 377 [24] Kulkarni M S, Subash Babu A. Optimization of continuous casting using simulation. Mater Manuf Processes, 2005, 20（4）: 595 [25] · 746 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

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