小方坯连铸高效化改造中喷嘴冷态性能测试评估

郭 鹏

(安阳钢铁集团股份有限公司 河南安阳455004)

小方坯连铸高效化改造中喷嘴冷态性能测试评估

郭 鹏①

(安阳钢铁集团股份有限公司 河南安阳455004)

针对某钢厂小方坯高效化改造所选用的两种型号喷嘴进行了冷态性能测试评估。实验结果显示，两种型号喷嘴径向和周向水流密度分布均匀，雾化效果较好。验证了改造前所采用的两种型号喷嘴选型能够达到高效连铸的工况需求；改造后铸坯质量得以大幅度提高，说明高效化改造所带来的质量效益和经济效益十分显著，达到了预期的目标。

喷嘴 冷态性能 高效连铸

1 前言

近年来，连铸技术的迅猛发展使我国的连铸比跃居世界首位。然而，很多钢企普遍存在生产效率低、原料与能源消费高、浇铸钢种少且质量水平低等问题，为求生存谋发展，必须从提高生产能力和管理水平、降低能源消耗和生产成本、改善铸坯质量以及针对市场需求增加品种钢的开发等方面着手，结合自身实际对现有连铸机进行适用的高效化改造[1-3]。

针对国内某钢厂2#小方坯(断面120mm×120mm)连铸机炉机不匹配、二冷喷淋段过短而不能满足高效连铸要求的现实，为解决提拉速(由原来的2.1m/min～2.5m/min提高到3.2m/min～3.5m/min)的同时，降低铸坯内外部缺陷发生率，尤其对其高效化改造中所选用的两种型号喷嘴(Ⅰ型与Ⅱ型)进行了冷态性能测试评估，经回归分析，得到了两种喷嘴相应的冷态性能评估数据，为其投用生产提供了可靠性数据支撑，同时，根据投用前后铸坯质量检验结果，表明该型号喷嘴能够适应高效连铸的生产实践。

2 二冷喷嘴型号

对高效连铸而言，所选用的喷嘴的最大流量与最小流量间的比值应适当大一些较好。同时，由于高效连铸拉坯速度的变化范围也比较大，而且二冷水量大小要随拉速变化而改变，这要求喷嘴在保证喷淋雾化均匀的前提下，其相应的适用流量的变化范围较大，以确保二冷水的可调范围足够大。

该钢厂高效化改造所选用的两种型号的实心锥形水喷嘴的具体参数见表1。

表1 二冷喷嘴型号与布置

上述Ⅰ型与Ⅱ型喷嘴结构上有如下几个显著特点：

1)属于实心锥形水喷嘴。对于小方坯而言，该型号喷嘴具有工艺适应性强的特点被广泛采用。

2)喷嘴材质采用了黄铜/不锈钢匹配结构，强化了其热态适应性。

3)该型号喷嘴的流量特性更能适应高效连铸的浇注特点。

4)该型号喷嘴设计中考虑了雾化器的设置，并保证其机加工精度。其中，雾化器内腔及喷头内腔共同构成了短管式的雾化腔，起到了混合、引导和积压的综合作用。

3 喷嘴的冷态性能测试

3.1 测试内容与测试方法

喷嘴冷态性能测试内容主要包括以下4个方面：

1)喷嘴压力与流量间的关系。

2)喷嘴的喷射角。

3)喷嘴平均水流密度与压力间的关系。

4)喷嘴喷淋水的雾化均匀性。

3.2 测试方法与步骤

1)连通管路，并确保管路的密封性，尤其是水管与喷嘴以及水管与胶管间的密封性。

2)调整支撑台架，使喷嘴中心与试管支架中心对中，同时，按照实际喷嘴距离铸坯表面的距离调节喷嘴位置。

3)实验喷水之前，先将试管口遮住，然后开启实验设备，恒定水压在实验值时，迅速开启试管口，并同时计时，经一定时长后，迅速遮住喷嘴口并将试管架移出，最后对试管水量进行逐个读数，从而确定喷嘴的雾化均匀性。实验时，每个压力测定3组数据并取其均值。

4)在移开试管架后，重新调整喷嘴高度，使之与地面之间的距离满足实验要求，再次开启实验设备，调节压力并使之逐渐降低，在各个压力下对流量计进行读数并测量喷嘴的喷水圆直径，根据这些数据计算出流量与压力间的关系式以及喷嘴的喷射角度。

3.2 喷嘴压力与流量间的关系

高效连铸条件下，拉速变化范围较大，相应二冷比水量也会在较大范围进行适应性改变，这就使得喷嘴实际服役的最大水量与最小水量的比值应该在较大的范围。

对该厂改造时所选用的两种类型喷嘴的喷水压力与流量间的关系进行了测定，测试数据见表2。

表2 两种型号喷嘴压力与流量间的关系

经SPSS统计分析软件回归处理，符合二次曲线的变化特征，拟合程度较高：

Ⅰ型：Q=3.060+14.205P-6.543P2(R=1.000；R2=0.999，调整R2=0.999；估计值的标准误为0.051，说明拟合度较高)。

Ⅱ型：Q=8.422+0.511P+22.455P2(R=0.995；R2=0.990，调整R2=0.984；估计值的标准误为0.295，说明拟合度相对较高)。

式中Q—喷嘴流量，L/min；P—喷淋压力，MPa。

3.3 喷嘴的喷射角

喷嘴出口距离铸坯表面一定距离的条件下，喷嘴的喷射角度决定了喷射面积及其有效喷淋系数。喷射角度测定示意图如图1。

两种型号喷嘴测试数据见表3。

图1 喷射角测定示意图

h-有效喷射距离，mm；d-喷射圆直径，mm；α-喷射角度，°

表3 喷嘴测试数据

由表3数据可以看出：

1)两种型号喷嘴的喷射角度存在一定差异。

2)根据“压力—流量”测试多组测试条件的测试数据，两种型号喷嘴的喷射角度与喷淋压力及流量之间没有太大的联系，说明喷嘴喷射角不受喷淋压力或流量的影响。这一点也是符合工况条件下喷嘴特性的。

3.4 喷嘴的平均水流密度与压力间的关系

投用前的两种型号喷嘴的平均水流密度与压力间的关系(有效喷淋距离93mm条件下)的测试结果如表4。

表4 两种型号喷嘴平均水流密度与压力间的关系

根据表4的测试数据，同样采用SPSS统计分析软件对其进行了二次曲线回归，获得了两种型号喷嘴平均水流密度与压力间的曲线关系(两条曲线同样符合二次曲线的变化特征，拟合程度较高)：

Ⅰ型：W=3.023+12.753P-5.219P2(R=1.000；R2=0.999，调整R2=0.999；估计值的标准误为0.053，说明拟合度较高)。

Ⅱ型：W=5.003+4.924P+5.184P2(R=0.999；R2=0.998，调整R2=0.997；估计值的标准误为0.072，说明拟合度较高)。

式中W—喷嘴流量,L·m-2·s-1；P—喷淋压力，MPa。

3.5 喷淋水的雾化均匀性

水喷嘴喷淋的雾化均匀性对铸坯的均匀冷却进而对铸坯质量极为重要。

对锥形喷嘴而言，其雾化均匀性包含两个方面，一是喷淋水流量在圆周上的分布均匀性，二是喷淋水流量在半径方向上的分布均匀性。

不同压力条件下，在有效喷淋高度为93mm、测试压力0.40MPa和0.28MPa的情况下，测试了半径方向上和圆周方向上(一般取圆周半径50mm处)的实验数据，分别如图2、图3和表5。

图2 Ⅰ型喷嘴水流密度的径向分布

图3 Ⅱ型喷嘴水流密度的径向分布

圆周角度水流密度(0.28MPa)/L·m2·s-1水流密度(0.40MPa)/L·m2·s-1Ⅰ型Ⅱ型Ⅰ型Ⅱ型05.1016.5235.8428.764π/25.0096.5325.8098.609π5.1006.5245.7838.6913π/25.0066.5615.8338.547

注：圆周上的分布指的是半径50mm的圆周上

通过跟踪实验过程以及所测试数据来看：

1)两种型号喷嘴径向水流密度分布曲线较好，雾化效果较好。

2)两种型号喷嘴周向水流密度分布同样比较均匀，这有利于确保铸坯的冷却均匀性。

3)改造前所采用的两种型号喷嘴选型均能达到高效连铸的工况需求。

3.6 管路铺设中需要注意的问题

装上喷咀后竖管“减压”现象有可能发生，造成这种现象产生的相关影响因素包括：拉速、配水参数、喷嘴堵塞等。如果出现上述情况可考虑从如下几个方面进行分析排查：

1)压力不够。如果管道(总管)压力满足要求，而一旦装上喷嘴，管道压力不变，而流量降低了，说明问题不在压力方面。

2)喷嘴选型有可能相对较小。

3)滤网必须用。改造前有过这样的实际情况发生：滤芯的滤网去掉后，喷咀经常堵塞，说明必须用滤网，但到喷咀前的管路积垢不严重，说明水质问题是根本，因为较板坯连铸而言，方坯连铸对结晶器及二冷水质更为敏感。

4)管径不变的情况下，管路铺设弯道过多，阻损过大，导致管路减压。可考虑“适当加大管径”、“圆角拐接方式”重新铺设管路。

4 铸坯质量改善效果

小方坯高效化改造后，进行了热试车，以HRB400

为例，改造前该钢种该断面铸坯低倍评级中经常有缩孔等级超过3.5级、中心疏松超过3.0级、V型偏析超过3.0级的情况发生。改造后该钢种该断面铸坯低倍评级中上述指标分别降低到了<2.0级、<1.5级、<2.0级的水平。同时，接单量也远大于改造前的水平，说明高效化改造所带来的质量效益和经济效益十分显著。

5 结论

连铸的高效化改造是一个系统工程，而二冷的合理化改造又是其中一项极为重要的一部分，此次改造所涉及的喷嘴选型评估实验测试得出如下结论：

1)两种型号喷嘴径向和周向水流密度分布曲线较好，雾化效果较好。验证了改造前所采用的两种型号喷嘴选型能够达到高效连铸的工况需求。

2)改造后铸坯质量得以大幅度提高，说明高效化改造所带来的质量效益和经济效益十分显著，达到了预期的目标。

[1]唐恒国等.罗克普方坯连铸机的高效化改造[J].连铸，2000(2)：18-19.

[2]蔡开科著.连铸坯质量控制[M].北京：冶金工业出版社，2010：260-269.

[3]罗永生等.小方坯连铸机的高效化改造实践[J].天津冶金,2000(4)：16-28.

Characters Testing and Evaluation of Nozzle in Normal Temperature During the High-efficiency Rebuilding for Billet Caster

Guo Peng

(Anyang Iron and Steel Group Co., Ltd. Anyang 455004)

Character testing and evaluation of two nozzle (Ⅰmodle and Ⅱ model) in normal temperature had been conducted during the high-efficiency rebuilding for billet in a certain steel mill. The results showed that the two modle nozzle had a unniform current density distribution, and had a better atomization effect, which could meet the need for the high-efficiency rebuilding. Meanwhile, the quality of the billet had been improved greatly, which accounted for the remarkable quality benefits and economic benefits brought by the transformation, and the desired goal had come true.

Nozzle Characters in normal temperature High-efficiency continuous casting

郭鹏，男，1978年出生，毕业于郑州轻工业学院机械工程及自动化专业，机械工程师，长期从事设备管理工作

TF777.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.009

2014-07-21)