噴嘴噴淋距離對連鑄小方坯二冷均勻性的影響

韓延申，張江山，鄒雷雷，曾凡政，管 敏，劉 青?

1) 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2) 湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湘潭 411101 3) 江蘇博際噴霧系統(tǒng)有限公司，揚(yáng)州 225267

在連鑄過程中，鑄坯的凝固冷卻依次在結(jié)晶器、二冷區(qū)和空冷區(qū)實(shí)現(xiàn).由于結(jié)晶器和空冷區(qū)冷卻條件相對穩(wěn)定，二冷區(qū)是調(diào)控鑄坯冷卻的關(guān)鍵區(qū)域.在二冷區(qū)，噴嘴噴水是冷卻鑄坯的主要方式.由于噴嘴的水量分布不均勻，且受坯型影響，鑄坯凝固冷卻本身是不均勻的[1?2]，不均勻的冷卻容易導(dǎo)致表面和內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生[3].因此，提高二冷均勻性是改善連鑄坯質(zhì)量的重要手段.

連鑄坯二冷均勻性的提高主要有以下措施：優(yōu)化二冷區(qū)長度、水量及分配[4?9]，調(diào)整二冷噴嘴布置方式[10?16].其中，優(yōu)化二冷區(qū)長度、水量及分配主要用于提高鑄坯沿拉坯方向（縱向）的冷卻均勻性，且相關(guān)研究較多.Dou等[7]確定了合適的二冷強(qiáng)度來控制鑄坯內(nèi)部質(zhì)量；Fan等[8]通過適當(dāng)增加二冷區(qū)長度來降低鑄坯表面回溫；Ma等[9]優(yōu)化了二冷水分配來提高鑄坯質(zhì)量.調(diào)整噴嘴布置方式主要用于提高鑄坯沿寬度方向（橫向）的冷卻均勻性，該方法大多用于連鑄板坯.Long等[12?13]優(yōu)化了二冷噴嘴布置方式，用以改善板坯表面溫度橫向均勻性和液芯形狀.占賢輝等[16]從噴嘴噴射角度、安裝高度、噴嘴間距等方面對特厚板坯噴嘴選型和布置進(jìn)行了分析，并提出了弱化邊部冷卻、均勻化水流密度的策略.

對于連鑄小方坯，由于斷面尺寸較小，鑄坯寬度方向上大多只布置有一個(gè)噴嘴.在以往的研究中，通常假設(shè)二冷水橫向均勻分布[17?20].因此，很少有研究涉及噴嘴布置方式對鑄坯二冷均勻性的影響.噴淋距離是小方坯二冷噴嘴布置的主要參數(shù)，調(diào)整噴淋距離會(huì)改變二冷區(qū)鑄坯表面橫向水量分布，從而影響連鑄坯的凝固冷卻過程.探究噴嘴噴淋距離對二冷均勻性的影響，對于小方坯二冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有重要指導(dǎo)作用.

針對小方坯連鑄機(jī)，本文測量了不同噴淋距離下二冷噴嘴的水量分布，建立了凝固傳熱模型分析了噴嘴噴淋距離對82B鋼連鑄坯二冷均勻性的影響.基于噴嘴噴淋距離，提出了一種連鑄小方坯二冷噴嘴布置方式，用于提高連鑄坯“縱-橫”冷卻均勻性.

1 連鑄機(jī)參數(shù)和噴淋水分布測試

1.1 連鑄機(jī)參數(shù)

本文研究的連鑄機(jī)為直弧形連鑄機(jī).此連鑄機(jī)有4流，弧半徑為8 m，生產(chǎn)鑄坯的斷面尺寸主要為150 mm×150 mm.圖1所示為連鑄機(jī)示意圖.為提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，該連鑄機(jī)裝配有結(jié)晶器電磁攪拌（M-EMS）.電磁攪拌可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并采用連續(xù)攪拌模式.在足輥區(qū)、二冷區(qū)一段和二冷區(qū)二段，采用3種類型的水噴嘴對鑄坯進(jìn)行冷卻，分別為噴嘴A、噴嘴B和噴嘴C，這3種噴嘴都為錐形噴嘴.足輥區(qū)沿鑄坯寬度方向布置有兩個(gè)噴嘴，二冷區(qū)沿鑄坯寬度方向布置有一個(gè)噴嘴.不同冷卻區(qū)噴嘴的噴淋距離都為125 mm.

圖1 連鑄機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of the continuous caster

1.2 噴淋水分布測試

采用USTB-BOJI連鑄噴淋測試設(shè)備對噴嘴的水量分布進(jìn)行測試.圖2所示為該設(shè)備的示意圖.設(shè)備主要包含有4部分，水源-氣源裝置、水-氣調(diào)節(jié)裝置、綜合機(jī)械平臺(tái)和電氣控制柜.其中，綜合機(jī)械平臺(tái)用于噴嘴的安裝及性能測量，水源-氣源裝置能夠提供足夠的水壓和氣壓，水-氣調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)整水壓和氣壓到所需的值，電氣控制柜用于遠(yuǎn)程控制噴嘴的移動(dòng)和參數(shù)的調(diào)節(jié).

圖2 噴淋測試設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic of the spray test apparatus

本研究主要使用該設(shè)備的水量分布測試功能.綜合機(jī)械平臺(tái)中，噴嘴下方布置有一個(gè)集水裝置.集水裝置由一排透明的玻璃管組成，玻璃管的內(nèi)徑和外徑分別為10和12 mm.集水裝置由伺服電機(jī)控制，可以左右移動(dòng)，其精度為0.1 mm.在集水裝置的前方固定有一個(gè)照相機(jī)，用來拍攝水量分布照片，并通過相關(guān)軟件分析水柱高度.在測量過程中，將噴嘴安裝在噴淋架上，調(diào)整噴嘴的水壓和氣壓，待噴嘴流量穩(wěn)定后進(jìn)行水量分布的測量.測量過程，集水裝置以10 mm·s?1的速率通過噴嘴的噴淋范圍，然后拍照并分析水柱高度，如圖3所示.最后以水柱的高度用來表征水量分布的比例.

圖3 噴嘴水量分布測量Fig.3 Measurement of water flux distribution of the nozzle

2 凝固傳熱模型

2.1 模型建立

采用切片法建立凝固傳熱模型，圖4所示為切片法的示意圖和幾何模型.為了簡化計(jì)算，幾何模型采用鑄坯斷面的四分之一，厚度為10 mm，即尺寸為75 mm×75 mm×10 mm.幾何模型考慮了鑄坯的圓角，圓角半徑為6 mm.在模擬過程中，假設(shè)切片依次通過結(jié)晶器、二冷區(qū)和空冷區(qū)，在各冷卻區(qū)采用不同的邊界條件.模型的具體描述，包括控制方程、邊界條件和初始條件等可以由之前的研究[21?22]獲得.

圖4 切片法示意圖和幾何模型Fig.4 Schematic of the slice moving method and geometric model

該模型特別考慮了二冷區(qū)鑄坯表面橫向水量分布.根據(jù)噴嘴水量分布測量結(jié)果，將鑄坯表面沿寬度方向分為14個(gè)區(qū)域.其中，靠近角部的區(qū)域?qū)挾葹? mm，其它區(qū)域?qū)挾葹?2 mm.在不同區(qū)域根據(jù)測量的局部水量，采用不同的傳熱系數(shù).本文中，二冷區(qū)傳熱系數(shù)是跟局部水流密度相關(guān)的函數(shù)，具體如式（1）所示[23].

式中，hs為二冷區(qū)傳熱系數(shù)，W·m?2·K?1；W為水流密度，L·m?2·s?1；Tw為二冷水溫度，K；α為校正系數(shù).

2.2 鋼的熱物性參數(shù)

所研究鋼種為82B鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示.鋼的固相率、密度、熱焓和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化采用JMatPro軟件中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計(jì)算，如圖5所示.為了考慮結(jié)晶器電磁攪拌對鋼液傳熱的影響，在結(jié)晶器液相的導(dǎo)熱系數(shù)擴(kuò)大7倍[24]，糊狀區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度線性變化；在二冷區(qū)和空冷區(qū)，導(dǎo)熱系數(shù)采用計(jì)算值.

表1 82B鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Main chemical composition of 82B steel %

3 結(jié)果和討論

3.1 噴嘴噴淋距離對二冷水橫向分布的影響

圖5 82B鋼的熱物性參數(shù)Fig.5 Thermal-physical properties of 82B steel

現(xiàn)行連鑄工藝下不同噴嘴的噴淋距離和水壓值如表2所示.在噴淋距離為125 mm、水壓為0.6 MPa的條件下，測量噴嘴A的水量分布，結(jié)果如圖6（a）所示.可知，噴嘴A水量分布對稱性較好，整體呈噴淋中心水量多、邊部水量少.由于足輥區(qū)鑄坯表面橫向布置有兩個(gè)噴嘴，對噴嘴A水量分布進(jìn)行疊加，如圖6（b）所示.兩個(gè)噴嘴水量分布疊加以后，在靠近噴淋中心有一個(gè)水量分布較均勻的區(qū)域.考慮到連鑄坯寬度方向尺寸為150 mm，將距離噴淋中心±75 mm的區(qū)間設(shè)置為有效范圍.在有效范圍內(nèi)，足輥區(qū)噴淋水橫向分布比較均勻，而且鑄坯角部附近水量略高于表面中心.由于足輥區(qū)有一部分噴淋水未噴到鑄坯表面，而這部分水對鑄坯的冷卻能力有限.將噴到鑄坯表面的水量定義為有效噴淋水，由圖6（b）可得，足輥區(qū)噴淋水有效率為65.0%.

表2 現(xiàn)行工藝下噴嘴的噴淋距離和水壓值Table 2 Spray distance and water pressure of the nozzles under the current process

在噴嘴B和噴嘴C各自的水壓力下測量水量分布，其中噴淋距離分別設(shè)置為100、125和150 mm，結(jié)果如圖7所示.噴嘴B和噴嘴C水量分布對稱性也比較好，噴淋中心區(qū)域水量多、邊部水量少.隨噴淋距離的增加，噴淋水覆蓋范圍逐漸增加，且水量變化逐漸平滑.當(dāng)噴淋距離為100、125和150 mm時(shí)，二冷區(qū)一段噴淋水有效率分別為100%、99.7%和97.8%，二冷區(qū)二段噴淋水有效率分別為98.8%、96.1%和87.2%.可知，隨噴嘴噴淋距離的增加，噴淋水有效率減小.當(dāng)噴嘴噴淋距離由100增加至150 mm，二冷區(qū)一段鑄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%；二冷區(qū)二段鑄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，噴嘴噴淋距離對二冷水橫向分布影響很大.隨噴淋距離的增加，鑄坯表面中心區(qū)域的水量減少，鑄坯角部附近水量增多，二冷水橫向均勻性提高.

3.2 凝固傳熱模型校正

圖6 足輥區(qū)水量橫向分布.（a）單個(gè)噴嘴；（b）兩個(gè)噴嘴Fig.6 Water flux distribution in the foot-roller zone: (a) one nozzle; (b) two nozzles

圖7 不同噴淋距離下噴嘴水量分布.（a）噴嘴B，100 mm；（b）噴嘴B，125 mm；（c）噴嘴B，150 mm；（d）噴嘴C，100 mm；（e）噴嘴C，125 mm；（f）噴嘴C，150 mmFig.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

根據(jù)測量所得的現(xiàn)行工藝下二冷水橫向分布，結(jié)合鑄坯表面測溫結(jié)果對凝固傳熱模型進(jìn)行校正.在現(xiàn)行工藝下進(jìn)行82B鋼的生產(chǎn)，具體連鑄工藝參數(shù)如表3所示.在生產(chǎn)過程中，對鑄坯表面溫度進(jìn)行測量.測溫采用高溫紅外測溫儀，其型號為RAYR312MSCL2U，誤差范圍為±1.5%.為了盡可能降低二冷水霧等因素對測量結(jié)果的影響，測溫位置避開了二冷區(qū).測溫時(shí)，測溫儀垂直于鑄坯側(cè)弧表面中心，距離約1 m，并將測量位置溫度最大值作為此位置溫度.根據(jù)表3中所示的連鑄參數(shù)和測量的二冷區(qū)水量分布，采用凝固傳熱模型計(jì)算鑄坯的表面溫度，并逐漸調(diào)整二冷區(qū)換熱系數(shù)公式中校正系數(shù)α的值，使測量結(jié)果和模擬結(jié)果相匹配.圖8所示為校正系數(shù)為3時(shí)鑄坯表面測量溫度和模擬溫度的對比.可知，在誤差允許范圍內(nèi)測量溫度和計(jì)算溫度符合較好，表明所建凝固傳熱模型具有較好的精度，可以用來計(jì)算連鑄坯的熱行為.

表3 82B鋼主要連鑄工藝參數(shù)Table 3 Main casting parameters of 82B steel

3.3 噴嘴噴淋距離對連鑄坯凝固冷卻的影響

圖8 表面中心測量溫度和模擬溫度對比Fig.8 Comparisons of the measured and simulated temperatures of the surface center

根據(jù)噴嘴在不同噴淋距離下的二冷水橫向分布，采用校正過的凝固傳熱模型計(jì)算連鑄坯的熱行為.圖9所示為不同噴淋距離下鑄坯角部和表面中心溫度變化.現(xiàn)行工藝下，即噴嘴噴淋距離為125 mm時(shí)，二冷區(qū)一段鑄坯表面溫度橫向分布相對均勻，二冷區(qū)二段鑄坯角部和表面中心最大溫差為177 ℃.改變噴嘴噴淋距離影響鑄坯表面水量分布，尤其是鑄坯角部和表面中心的水量，從而影響鑄坯表面溫度分布.減小噴嘴噴淋距離至100 mm，鑄坯角部附近水量減少，冷卻變?nèi)?，?dǎo)致鑄坯角部溫度升高；同時(shí)，鑄坯表面中心區(qū)域水量增加，冷卻增強(qiáng)，導(dǎo)致表面中心溫度降低.因此，二冷區(qū)鑄坯角部和表面中心最大溫差減小至118 ℃.相反，增加噴嘴噴淋距離至150 mm，鑄坯角部溫度降低，表面中心溫度提高，二冷區(qū)鑄坯角部和表面中心最大溫差增加至225 ℃.由此可知，增加噴嘴噴淋距離會(huì)降低鑄坯表面溫度橫向均勻性.當(dāng)噴嘴噴淋距離由100增加至150 mm時(shí)，由于鑄坯表面中心區(qū)域水量減少，鑄坯表面溫度沿拉坯方向變化逐漸平緩，最大回溫速率由173降低至147 ℃·m?1，鑄坯表面溫度縱向均勻性得到了提高.圖10所示為噴嘴在不同噴淋距離下連鑄坯中心固相率變化.當(dāng)噴嘴噴淋距離分別為100、125和150 mm時(shí)，鑄坯液相穴長度分別為8.856、8.886和8.976 m，表明增加噴嘴噴淋距離會(huì)延長液相穴長度.

圖9 噴嘴在不同噴淋距離下連鑄坯角部和表面中心溫度變化.（a）100 mm;（b）125 mm;（c）150 mmFig.9 Temperature variations of the billet corner and surface center under different nozzle spray distances: (a) 100 mm; (b) 125 mm; (c) 150 mm

圖10 不同噴嘴噴淋距離下鑄坯中心固相率變化Fig.10 Variation of the central solid fraction of the billet under different nozzle spray distances

由圖9可知，當(dāng)噴嘴噴淋距離分別為100、125和150 mm時(shí)，鑄坯表面最大回溫速率分別為173、160和147 ℃·m?1，矯直點(diǎn)角部溫度分別為883、874和870 ℃.這兩個(gè)參數(shù)與連鑄坯內(nèi)部裂紋和角部裂紋的形成密切相關(guān).為控制內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，鑄坯表面最大回溫應(yīng)控制在100 ℃·m?1以內(nèi)[25].為避免角部裂紋的產(chǎn)生，鑄坯矯直點(diǎn)角部溫度應(yīng)避開鋼的第三脆性區(qū)[3].增加噴嘴噴淋距離，鑄坯表面最大回溫速率降低，有助于改善內(nèi)部裂紋，但同時(shí)會(huì)降低鑄坯角部溫度，容易導(dǎo)致角部裂紋的產(chǎn)生.相反，減小噴嘴噴淋距離，有助于改善角部裂紋，但會(huì)對鑄坯內(nèi)部裂紋產(chǎn)生不利影響.

因此，在連鑄過程中，可以根據(jù)鋼種特性和需求，在二冷區(qū)選擇合適的噴嘴噴淋距離來控制鑄坯質(zhì)量.對于內(nèi)裂紋敏感性高的鋼種，可以適當(dāng)增加噴嘴噴淋距離降低鑄坯表面中心回溫，控制鑄坯內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生；對于角部裂紋敏感性高的鋼種，可以適當(dāng)減小噴嘴噴淋距離提高角部溫度，降低鑄坯角部裂紋產(chǎn)生幾率.

3.4 一種有助于提高二冷均勻性的噴嘴布置方式

由圖9可知，同時(shí)增加二冷區(qū)一段和二冷區(qū)二段噴嘴噴淋距離，不能兼顧連鑄坯內(nèi)部裂紋和角部裂紋的改善.結(jié)合噴嘴在不同噴淋距離下的水量分布特征，在二冷區(qū)一段和二段采用不同的噴淋距離.具體方案為：足輥區(qū)噴嘴噴淋距離不變，二冷區(qū)一段噴嘴噴淋距離由125 mm減小至100 mm，二冷區(qū)二段噴嘴噴淋距離由125 mm增加至150 mm.圖11所示為此方案下鑄坯表面溫度和中心固相率的變化.可知，與現(xiàn)行工藝相比，此方案下鑄坯液相穴長度由8.886延長至8.946 m，表面最大回溫速率由160降至150 ℃·m?1，矯直點(diǎn)角部溫度由874提高至880 ℃，有助于同時(shí)改善鑄坯內(nèi)部裂紋和角部裂紋.

圖11 鑄坯表面溫度和中心固相率變化Fig.11 Variations of the surface temperature and central solid fraction of the billet

在以上研究的基礎(chǔ)上，為了提高二冷均勻性，提出一種連鑄小方坯二冷噴嘴布置方式，該布置方式如圖12所示.在二冷區(qū)每段開始，噴嘴采用低噴淋距離，噴淋水剛好覆蓋鑄坯表面；隨后，沿拉坯方向噴嘴噴淋距離越來越高.采用此噴嘴布置方式，在二冷區(qū)每段開始時(shí)鑄坯表面中心水量多，角部水量少，有利于鑄坯橫向冷卻均勻性；之后，鑄坯表面中心水量逐漸減少，角部水量逐漸增多，可以降低鑄坯進(jìn)入下一冷卻段時(shí)表面回溫，有利于鑄坯縱向冷卻均勻性.綜上所述，采用此方法有助于提高鑄坯“縱-橫”冷卻均勻性.

圖12 噴嘴布置方式示意圖Fig.12 Schematic of the nozzle arrangement

4 結(jié)論

（1）噴嘴噴淋距離影響鑄坯表面二冷水橫向分布.隨噴淋距離增加，噴淋水覆蓋范圍增加，二冷水有效率減小，鑄坯表面中心水量減少，角部水量增加，二冷水橫向分布均勻性提高.

（2）增加噴嘴噴淋距離，可以提高鑄坯縱向冷卻均勻性，但會(huì)降低橫向冷卻均勻性.隨噴淋距離增加，鑄坯液相穴延長，二冷區(qū)橫向溫度梯度增加，表面中心最大回溫降低，角部溫度降低，有助于改善連鑄坯內(nèi)部裂紋，但對角部裂紋不利.

（3）減小二冷區(qū)一段噴嘴噴淋距離，增加二冷區(qū)二段噴嘴噴淋距離，可以降低鑄坯表面中心最大回溫，提高角部溫度，有助于同時(shí)改善鑄坯角部裂紋和內(nèi)部裂紋.在連鑄二冷區(qū)各段，噴嘴采用沿拉坯方向噴淋距離逐漸增加的布置方式，有助于提高連鑄坯“縱-橫”冷卻均勻性.