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1、第 卷 第 期年 月钢 铁 , 璐 热 工 与 热 能 连 铸 二 冷 区 喷 水 冷 却 传 热 系 数 的 实 验 研 究张 凤 禄 周 药 清北 京 钢 铁 学 院连 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 。此 外 喷 水 用 量 还 影 响 到 能 耗 和 成 本 。 为 了 合理 设 计 二 冷 区 和 确 定 合 理 的 喷 水 冷 却 制 度 ,就 必 须 对 喷 水 冷 却 的 传 热 特 性 和 喷 嘴 特
2、性 等进 行 深 人 地 研 究 和 了 解 。 对 于 调 节 包 括 计算 机 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 喷水 冷 却 过 程 的 传 热 系 数 以 及 相 应 地 测 定 喷 嘴性 能 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 研 究 , 得 出了 一 些 实 验 公 式 。 然 而 研 究 结 果 彼
3、 此 存 在 很大 的 差 异 , 有 的 公 式 由 于 条 件 不 同 不 能 直 接应 用 。我 国 虽 有 长 期 连 铸 生 产 的 经 验 , 但 对 所使 用 喷 嘴 的 性 能 , 尤 其 是 对 喷 水 冷 却 的 传 热特 性 缺 乏 必 要 的 实 验 研 究 。 有 些 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 。 即 使 从 国 外 引 进 的 连 铸 机 也 缺少 这 部 分 资 料 。 因 此 , 为 适 应 我 国 连
4、铸 大 力发 展 的 需 要 , 迅 速 开 展 对 喷 水 冷 却 传 热 的 研究 , 并 对 各 种 喷 嘴 的 特 性 进 行 全 面 测 定 是 卜常 必 要 的 。 为 此 我 们 建 立 了 实 验 台 , 对 国 内一 些 工 厂 使 用 的 喷 嘴 及 引 进 的 一 些 喷 嘴 进 行了 喷 嘴 冷 态 特 性 和 传 热 系 数 的 测 定 。喷 嘴 冷 态 特 性 的 浦 定喷 嘴 冷 态 特 性 实 验 台 包 括 两 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
5、 如 使 用瓶 氮 充 人 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 要接 高 压 气高 压 水接 水 源图 压 力 罐 供 水 示 意 图的 压 力 。 图 所 示 的 高 压 供 水 系 统 与 水 泵 供水 系 统 相 比 , 优 点 是 结 构 简 单 , 调 压 范 围 大, , 之 , 压 力 控 制 灵 犷 舌 , 无 噪音 , 投 资 费 用 低 等 , 是 实 验 室 内 较 理 想 的 供水 系 统 。 流 量 密 度 是 影 响 喷 水 冷 却 传 热 系 数的 最 重 要 的 参 数
6、 , 并 且 喷 水 的 流 量 密 度 分 布年 第 期还 直 接 影 响 铸 坯 冷 却 的 均 匀 性 。 因 此 流 量 密度 及 其 分 布 乃 是 喷 嘴 的 一 个 重 要 的 特 性 。喷 嘴 流 量 密 度 的 测 定 是 采 用 集 水 测 量法 。 在 喷 水 室 内 装 有 特 制 的 集 水 板 , 当 一 定 压力 下 的 水 通 过 喷 嘴 喷 向 集 水 板 时 流 人 排 孔 ,经 集 水 管 流 人 水 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 流 量 密 度分 布 。 测 定 是 在 不 同
7、的 使 用 压 力 范 围 和 不 同口日二 县、工二含二嘴 流 核 心图 在 不 同 压 力 和 距 离 条 件 下 流 密 度 分 布 横 座 标 单 位一 二 , 幻 一 一 一 的 距 离 下 进 行 的 。 从 图 中 可 以 看 出 , 流 量密 度 随 压 力 的 减 小 和 距 离 的 增 大 而 逐 渐 下降 。 并 且 随 着 喷 水 距 离 的 增 加 流 量 密 度 分 布趋 于 均 匀 。此 外 还 对 所 测 喷 嘴 绘 出 核 心 平 均 流 量 密度 与 喷 水 压 力 和 距 离 的 关 系 图 见 图 。 这圆 面 积 。 传 热 系 数 实 验 所 用 的
8、 流 量 密 度 就 是取 自 喷 流 核 心 的 平 均 流 量 密 度 。 喷 嘴 的 流 量 决 定 于 喷 嘴 出 口 直 径 及“ 二 了日、工 门门门门 。 。, 砂 灿 , 幻 。图 喷 流 核 心 随 压 力 和 距 离 的 变 化图 注 同 图 。里 喷 流 核 心 是 指 流 股 中 心 以 直 径 为 的图 某 厂 喷 嘴 流 量 特 性其 使 用 压 力 。 图 表 示 某 厂 扁 形 喷 嘴 的 流 量特 性 。 喷 嘴 的 喷 射 张 角 决 定 喷 水 对 铸 坯 表面 的 覆 盖 面 积 。 张 角 大 小 可 通 过 照 相 测 出 。 喷 嘴 的 水 滴 粒
9、 度 表 征 喷 流 的 雾 化 程度 , 水 滴 平 均 粒 度 越 小 则 传 热 效 率 越 好 , 并且 有 利 于 铸 坯 的 均 匀 冷 却 。 它 可 通 过 印 痕 法或 侧 面 光 照 相 法 侧 定 。喷 水 冷 却 传 热 系 数 的 浦 定喷 水 冷 却 是 一 种 十 分 复 杂 的 沸 腾 传 热 现象 。 研 究 表 明 , 喷 水 冷 却 的 沸 腾 曲 线 其 趋 势与 池 内 沸 腾 曲 线 相 近 似 , 也 划 分 为 非 沸 腾区 、 沫 态 沸 腾 区 、 过 渡 沸 腾 区 和 膜 态 沸 腾区 。 但 是 其 机 理 比 池 内 沸 腾 现 象
10、更 为 复 杂 。影 响 喷 水 冷 却 传 热 系 数 的 参 数 也 很 多 。 对 于铸 坯 喷 水 冷 却 来 说 , 影 响 因 素 有 喷 嘴 类 型 、喷 水 压 力 、 喷 嘴 与 表 面 的 距 离 、 流 量 密 度 、表 面 温 度 和 喷 水 温 度 等 。 由 于 流 量 密 度 决 定于 喷 嘴 类 型 、 喷 水 压 力 和 喷 嘴 与 表 面 之 间 的距 离 , 因 此 后 三 者 对 传 热 系 数 的 影 响 , 可 主要 通 过 流 量 密 度 的 影 响 反 映 出 来 。 至 于 冷 却水 温 度 对 传 热 系 数 的 影 响 , 据 前 人 研
11、究 认为 , 为 了 简 化 可 忽 略 不 计 。 因 此 笔 者 主 要 研电 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 内喷 水 。 温 度 自 动 平 衡 记 录 仪 快 速 记 录 下 中 心温 度 。 和 距 离 表 面 处 的 温 度 。 的 温 度 演变 。模 拟 冷 却 一 般 是 在 不 同 流 量 密 度 条 件 下通 过 改 变 水 压 和 喷 射 距 离 进 行 的 。 由 于喷 嘴 结 构 和 加 工 不 同 , 在 相 同 压 力 条 件 下 雾化 粒 度 和 颗
12、粒 动 能 是 不 同 的 , 因 此 传 热 系 数也 是 不 同 的 , 故 实 验 数 据 按 喷 嘴 整 理 。传 热 系 教 实 验 数 据 处 理 方 法由 于 喷 水 冷 却 时 间 很 短 , 试 样 夕 , 二 方 向的 尺 寸 较 方 向 大 , 故 可 简 化 为 一 维 冷 却 题 。 描 述 一 维 冷 却 的 导 热 微 分 方 程 为刁 , , 、 才 、尸 目 又 二 一 尸 丈 二 式 不 气 不 二口 孟 贬 口 孟 夕图 喷 水 冷 却 装 置 示 意 图究 喷 水 冷 却 传 热 系 数 与 流 量 密 度 和 表 面 温 度之 间 的 关 系 , 并
13、绘 出 喷 嘴 的 传 热 特 性 曲 线 。传 热 系 数 的 测 定 采 用 对 试 样 进 行 模 拟 冷却 的 方 法 。 一 般 模 拟 喷 水 冷 却 实 验 有 稳 态 法和 不 稳 态 法 二 种 。 本 实 验 是 采 用 不 稳 态 法 。图 是 喷 水 装 置 的 示 意 图 。 测 定 试 样 的 而 积为 “ , 厚 度 为 , 由 不 锈 钢制 成 。 在 试 样 厚 度 中 心 和 距 表 面 处 钻 二个 深 孔 直 至 喷 水 面 的 中 心 处 。 孔 内 焊 有 销 装热 电 偶 。 将 带 热 电 偶 的 试 样 放 入 通 氮 保 护 的由 于 对 称
14、 冷 却 , 上 述 微 分 方 程 的 单 值 条件 如 下几 何 条 件 城 初 始 条 件 , 蕊 夏 , 二 “ 。 一 。 刀二 。边 界 条 件 , 二 , 。 一 矛 寿 云 一槛 , 。 , 一 , 一 ” “ “ 刁 二 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 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 后 试 样 处 于 正 规 冷 却 过 程 ,此 时 的 温 度
15、分 布 属 于 二 次 抛 物 线 型 。 故 喷 水冷 却 的 初 始 条 件 可 近 似 地 取 二 次 抛 物 线 温 度分 布 。上 述 导 热 微 分 方 程 是 变 系 数 的 一 维 偏 微分 方 程 , 应 用 解 析 方 法 求 解 比 较 困 难 , 因 此采 用 有 限 差 分 方 法 进 行 数 值 计 算 。 为 便 于 计算 , 在 划 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 变 为 下 列 显式 差 分 方 程内 部 节 点 一年 第 期以 , , 一 一 义 , 一一 卜 式 中 二 , 八”
16、 灭 石 刃 了 人 , 二 几 气 一 厄 一 厂, 八人 泥 目 月 言 一 一、 边 界 点 阴二 二 只 二 一 。 一一 八 二 , 从 式 中 可 以 导 出 边 界 热 流 以 二 一 益 之 几 一 , 一一 该 处 的 传 热 系 数 包 括 辐 射 传 热 为水水一一 又 广 东 安安安一一 火 丫 寸 一一非非非非非非非非非” , 一 六表 面 温 度 唁 是 根 据 少 时 刻 即 时刻 的 实 测 温 度 信 值 , 应 用 式 计 算 得 出几 几 十 二 一 二 一 十义 孟 一 益 久式 中 热 含 量 ,几 试 样 材 料 的 导 热 系 数 , 叮 表 面 热 流 密 度 , 时 间 步 长 , 试 样 材 料 的 密 度 , “ 空 间 步 长 , 传 热 系 数 , 几 边 界 点 的 温 度 , 沙 在 几 时 刻 的 参 数户 在 几 时 刻 的 参 数 。
