连铸二冷段工艺原理研究 目录•、摘要 1、关键词 三、课题应解决的问题 四、研究课题正文 1、 连铸二冷段的传热现象 3(1) AB空冷段 3⑵ BC水冷区 4⑶ CD空冷语水冷混冷区 4(4) DA滚冷区 42、 二冷段的几种传热形式 43、 各种传热方式的影响因素 6(1)喷嘴结构和布置 6① 压力喷嘴 6② 气水喷嘴 8⑵喷水密度和坯表面温度 91010喷淋水滴速度和喷嘴压力⑷喷嘴的堵塞(5)比水量 114、 连铸二冷段各段的冷却强度如何控制 115、 拉速的控制与哪些因素有关 126、 相关知识补充 14⑴二次冷却的主要作用 14⑵二冷的原则 14⑶二冷区传热系数 14⑷二冷配水的优化 14⑸拉速的确定五、参考文献 连铸二冷段工艺原理研究【摘要】连铸二冷段是将高温钢水连续不断地浇到一个或几个用强制水冷带带有“活底” （引锭头）的铜模内（结晶管），钢水很快与引锭头凝结在一起，待钢水凝固成一定厚度的 坯壳后，就从结晶管的下端拉出引锭头，这样已凝固成一定厚度的铸坯就会连续地从水冷结 晶管内被拉出来，在二次冷却区继续喷水冷却带有液芯的铸坯一边走一边凝固，直到完全 凝固待铸坯完全凝固后，用氧气切割机或剪切机把铸坯切成一定尺寸的钢坯的工艺。
二冷 段是将从结晶器拉出的带有薄壳的钢水连接继续凝固的过程关键词】 连铸 二冷段 热量传输 冷却强度 拉速控制本次我们纽研究口的是为了利用现有知识并结合文献书籍等资料说明连铸二冷段的传热 现象，运用所学的热量传输基础理论分析：（1） 冇儿种传热形式？（2） 各种传热方式的影响因素（3） 连铸二冷段各段的冷却强度如何控制？为什么？（4） 拉速的控制与哪些因素有关？之后再对连铸二冷段的相关知识进行补充以下内容为我们的研究成果一、连铸二冷段的传热现象铸坏从结品器开始到完全凝固的过程为二次冷却而在二冷区，铸坯中心的热量是通 过坯壳传到铸坯表血的，当喷雾水滴打到铸坯表面时，就会带走一定的热量，而铸坯表血温 度突然降低，使中心与表面形成很人的温度梯度，而这也成为了铸坯冷却的动力相反，突 然停止水滴的喷射，铸坯表面的温度就会回升而且二冷区内铸坯的冷却情况与结晶器内有很大的不同在二冷区，铸坯除了向周围 辐射和向支撑辘导热Z外，主要的散热方式是表面喷水强制冷却铸坯在二冷区每一个辗距 Z内都要周期性地通过四种不同的冷却区域，如图1所示的AB、BC、CD、DA段喷淋水不能直接覆盖的区域在该区内坯壳主要以辐射形式向外散热，另外还与空气 和喷溅过来的小水滴或水汽进行对流换热。
在该区的热流密度可按式1计算：q=eCo[(Tw/100) -(V100)4]+h (TwTg) (1)式中 q——坯壳表而热流密度，W/能；——坯壳表而黑度，0.7——0.&Co——黑体辐射系数,W/(】『•")，约为5. 675W/(m2*K4)；Tw——坯壳表面温度，K；人——周围空气温度，K；h——对流换热系数，W/(n?・K),若邻接铸坯表面的空气流速不人于2——3m/s时， h二20——23W/ (m2-K)o(2) BC水冷区被喷淋水直接覆盖的区域在该区内一部分冷却水被汽化，由于汽化吸热量很大，每 lkg水可吸收2200kJ左右的热量，从而使铸坯表面大量散热实测结果表明铸坏表面喷水 冷却，铸坯表面温度保持在1050C时，若耗水量在0.56〜1.94L/(m2*s)内变化，则汽化水 相对量为8%〜10%铸坯消耗于冷却水的热流密度可按式2计算：qv= n Ce P wW (2)式中 ——消耗于冷却水的热流密度，W/代:n——变为蒸汽的水的比例，%；Ce——水的汽化热，J/kg；P.——水的密度，kg/n?；W 单位坯表面积耗水量，也称喷水密度，u"(】f・s)未被汽化的水还要沿坯壳表面流动，与坯壳进行着强制对流换热。
若坯壳为水平放置 而喷嘴进行纵向冲洗时对流换热系数可山式3确定：h二C ( X/d) (vd/y ) 1 (3)式中 h——对流换热系数，W/ （m2*oC）；C——经验常数（紊流下00.032）；X——喷淋水导热系数，W/ （十； d 坯壳特征尺寸，m；v 喷淋水沿坯売表而流速，m/s；Y——喷淋水粘度，m2/s；n——经验常数（紊流下n二0.8）；事实上，二冷区铸坯表面热交换不完全符合式①冷（笔一孤）的应用条件，因为水 的沸腾以及气膜的形成破坏了铸坯表而的边界层，而且喷流水流速度场不均匀等许多因素部 使对流换热系数的确定变得十分困难和复杂目前工程计算小多采用式q二（TS-TJ /R计算⑶CD空冷语水冷混冷区该区虽不能被喷淋水百接覆盖，但有一部分水在重力作用下从BC段沿坯表面流入该 区因此该区兼AB段和BC段的传热形式，究竟空冷辐射与水冷蒸发、对流各占多大的比例, 述要根据坯的空间位置、喷嘴形式和辘列布置等彫响因素而定4） DA滚冷区由于坯壳的鼓肚变形，夹棍与坯壳表面不是线接触而是面接触，DA弧即为该接触面的 截线，在该区内坯壳以接触导热的形式向辘散热二、二冷段的几种传热形式图2表示了二冷区铸坯表面热罐传递的方式,物化水滴以一定的速度喷射到铸坯表而, 大约冇20%的水滴被汽化，带定的热量约占55%；铸坯辐射散热占25%左右；铸坯与夹辘 间的传到散热约占17%；空气对流传热约占3%。
图2）二冷区铸坯传热方式在设备和工艺条件一定时，板坯辐射传热和支承辘的传热基木变化不人，而喷淋水的 传热占•主导地位，因此，要提高二冷区的冷却效率就必须研究喷雾水滴与高温铸坯Z间的热 交换它是一个复朵的传热过程，可用对流传热方程来表示：式中 ①——热流密度；h 传热系数，最人可达4kW/ (m"*K)；Ts——铸坏表面温度；Tw—冷却水温度Jacobi等人总结了高温金属表面气水冷却和喷水冷却的热交换系数，喷水冷却的热交 换系数可用下式表示：a -s=0. 691g (壷)[1. 4( X P c)a5• exp(0. + a J + a rad (5)式中 aws——喷水热交换系数，W/ (mSK)；W ——喷水密度,m3/ (m2-s)；X——被冷却材质导热系数，W/ 5・K)；P——被冷却材质密度，kg/m3；c ——被冷却材质比热容,J/ (kg・K)；av——层沸腾状态热交换系数；a rad——热辐射交换系数；Te, Ts, Tb——分别为水蒸气、铸坯表面、冷却水的温度，Ko综合考虑以上纯气雾冷却和馄子导热的影响，就能对■铸坯尤其是铸坯表而温度的分布 做出估计由于气雾冷却的传热系数与喷嘴形式、铸坯特征、铸坯表面氧化、冷却水的压力、流 量都有关系，因此，其经验公式也各不相同，针对具体问题，只能根据实际情况寻找比较和 符的关系式。
由公式可知，除冷却水温度和表而温度对传热有影响外，其他因素对铸坯表面传热的 影响反映在传热系数上要提高二冷区冷却效率和保证板坯质量就要提高传热系数h值和在 二冷各段h值的合理分布而h值是与单位吋间单位面积的铸坯表面接受的水量(水流密度) 有关,即:h=BWf: (6)式中 h——对流换热系数，W/ (m2-C)；B——经验系数；W——喷水密度，L/ (m・s)；n——经验系数，一般在0.4到0.8Z间在牛产条件下测定h与W的关系很困难，一般是在实验室内川热模拟装直测定喷雾水 滴与高温铸坯的传热系数三、各种传热方式的影响因素-般情况下，二冷区内辐射散热与夹棍冷却主要受连铸机设备类型与布置的制约，在 生产中属于基本固定或不易调整的因素而水冷是二冷区内主要的冷却手段，対喷淋水冷却 效率有影响的很多因索在牛产中是可变和可调整的，这些因索的变化直接影响着二冷区内的 热交换1、喷嘴结构和布置理想的喷嘴结构具有很好的雾化特性，具体地说就是喷嘴应能使喷淋水雾化得很细、 乂有较高的喷淋速度、水滴在铸坯表血分布均匀喷嘴的形式有很多种，目前常用的有扁平 喷嘴、螺旋喷嘴、圆锥喷嘴和薄片喷嘴等，如图3所示 b c图2-47喷嘴的结构形式a 扁平喷嘴；b—螺旋喷嘴；c—圆锥喷嘴；d—薄片喷嘴（图3）(1)压力喷嘴。
这类喷嘴貝有结构和管路系统简单、耗能小等优点但喷嘴出口尺寸较小，容易堵塞,喷水量不易调节按喷流水雾化流股是我形状，可分为扁平喷嘴和圆锥喷嘴一般扁平喷嘴水流量达、冷却强度人，人都用来冷却人断而铸坯二冷区的头段由于 水的表面张力，流股边缘光滑、水底直径较大，水量分布为中间高、两边低，如图4所示图4)圆锥喷嘴乂可分为空心型、实心型和半实心型空心型圆锥喷嘴水流量小、冷却强度低，适用于小断面的合金钢铸坏这种喷嘴有一个使水旋转的空间，水通过一个切线方向的通道或是通过一个有螺旋的轮子进入这个空间高速旋转喷嘴的开口在这个空间的轴线上,水离开喷嘴后，在离心力的作用卜，雾化成空气的锥形流股图5是|员I锥喷嘴水流密度分布 图距禹/mmM 2-49空心型圆锥喷嘴水流分布图（图5）实心型圆锥喷嘴可被看成是一个空心型圆锥喷嘴外加一个中心股流在中心股流与空气股流相互作用下，雾化成实心的锥形流股图6为实心型圆锥喷嘴水流密度分布图2）气水喷嘴这种喷嘴是一种高效喷嘴，它正逐渐代替具他喷嘴而被广泛川于各种连铸机上气水 喷嘴把水与压缩空气进行混合，再利用压缩空气能量把水滴进一步雾化，从而喷射出比较理 想的广角射流股它的水流量容易调节，冷却能力变化范围广，喷嘴不易堵塞，特別是对水 底的细化效果明显优于压力喷嘴，可增人蒸发最以提高冷却效率，并使冷却更加均匀。
图7 比较了气水喷嘴与扁平喷嘴的效果 图2-51 （水喷嘴9扁喷嘴水漓细化的比较吻嘴水油）的分布（MW・I&・h応系统）:fBjfft-W.59.2xiO*4m.2-扁Y•喷嘴水洒的分布:半均fit Af = 116. 7x1（） ■*mv标准和“・78）（图7）喷嘴的布直对铸坯冷却的均匀程度有很大影响，应尽量保证铸坯表面喷雾覆盖的连续 性，因此布置喷嘴吋，可以使两相邻喷嘴喷雾面z间有•定的重叠试验证明，当喷雾面重叠10%时，対重叠血上的铸坯冷却的均匀性影响不大图8是板坯和方坯喷嘴的典型布置图2・52咬嘴的布代“一板坯的雾化冷却（即倆他形喷雾形式）；6万址的霧化冷却即别钳形吗雾莎式）（图8）2、喷水密度和坯表面温度在一定范围内，喷水密度的提高对显著提高二冷区的传热效率图9给出了传热系数 与喷水密度的对应关系由图可知，当喷水密度较低时，传热系数随其增加而明显提高；当 喷水密度增加到一定程度时，传热系数Illi线随Z呈平坦趋势，这说明喷水密度超出一定范围 Z后，对传热系数的影响就不大了其原因在于当喷水密度增加到一定程度吋，接近表面的 水滴与从表面弹回來的水滴相撞的几率增大而使动能损失增大,ifu.Fl.易于在铸坯表面形成蒸 汽膜，妨碍了水滴与铸坯表面的直接接触，从而影响水滴的传热效率。
当喷水密度超过 20m7（m2-h）时，传热系数就不再增加水流密度/m"m2・h尸D图2・53传热系数与喷水密度的关系（图9）根据试验，喷淋水滴落到铸坯表面时，可能出现两种不同传热形式如果铸坯表面温 度不高时（低于300C）,水滴始终与坯表面保持接触，这种现象称为润湿水滴碰到铸坯 表面后，由于水底的蒸发不人，不会影响到它与铸坯的接触，经过一段时间接触传热后，水 滴沿坯表而流走，这种水。