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1、铸钢喷嘴性能的实验摘 要：根据非稳态传热学原理，通过对大试样进行单侧加热，另一侧喷水的实验方法，对连铸二冷段喷嘴的热态性能进行了实验研究。根据实际生产条件，对不同喷水压力和不同喷水距离下，喷嘴传热系数关系进行了研究；实验结果表明，相同实验条件下，水喷嘴的传热系数高于气水喷嘴，而在均匀冷却方面，气水喷嘴更具有优势；无论哪一种喷嘴，随着喷水压力的增加，总体趋势传热系数都在增大，而随着喷水距离的增加，传热系数都在降低；同时，相同实验条件下，双喷嘴的冷却效果优于单喷嘴的冷却效果。关键词：喷嘴；热态性能；传热系数钢水经过连续冷却最终凝固成钢坯的工艺过程是连铸，连续铸钢中二次冷却对于钢坯的质量和产量有着显
2、著影响1。深入研究喷嘴的热态性能，对于深入研究钢坯连铸二冷段喷嘴对钢坯的冷却凝固过程，优化二次冷却制度，提高钢坯质量和产量，都是非常重要和有着现实意义的。针对连铸二次冷却，国外的Sengupta等人2，通过PIV测试了气/水雾化喷嘴的流场，对喷嘴的水流密度，气水比，压力等对喷嘴射流的影响进行了研究；Ramstorfer F, J.C.Fry等人35通过研究气水喷嘴传热性能，对不同工况下喷嘴的传热系数和不同喷嘴喷射条件对钢坯传热影响进行了分析；国内的文光华等人6研究了超低头板坯连铸机的喷嘴，进行了喷嘴的冷态性能和热态性能测试，得到了水流密度和与传热系数之间的关系；郑忠等人7设计了通过大试样测定连
3、铸二冷喷嘴性能的实验方案，得到了不同工况下不同喷射条件对喷嘴传热系数的影响；齐彦峰等人8对喷嘴的布置方式和钢坯角裂的关系进行了研究，根据喷嘴布置位置的调整，使得角部横裂及三角区的裂纹得到了有效解决；张力9，郑斌10分别对喷嘴的雾化特性进行了实验研究。本文利用模拟实际生产现场实验装置，对喷嘴热态性能进行了研究，利用非稳态传热原来，对大试样进行加热然后通过喷嘴进行喷水，研究不同喷水距离和不同喷水压力下，传热系数的变化关系。1、实验方案设计1.1实验理论依据钢坯二冷段，通过喷嘴喷出的喷水或者气雾对钢坯表面进行冷却，这样在钢壳就存在了很大的温度梯度，从喷嘴喷淋的冷却水将从钢坯内部源源不断传递到表面的热
4、量带走，实现钢坯的凝固。钢坯热量沿着和钢坯表面垂直的方向传递，基于喷嘴冷却的角度，将钢坯冷却传热简化为一维传热，而从实验结果和工厂实际结果的误差满足实际生产的需要，因此，为了简化计算，实验中采用一维传热模型。假设传热过程中，钢坯不存在内热源，故其传热方程为11：.（1）将金属试样的初始温度作为初始条件，实验过程中利用热电偶测量得到的试样的温度作为边界温度，同时，喷嘴喷射的水喷射到试样表面，试样温度梯度和传热量之间的关系作为边界条件，因此，方程（1）的定解条件为：.（2）其中，：比热容，J.（kg.K）-1；：密度，kg.m3；，导热系数，W.（m.K）-1；T，温度，。通过微分方程（1）和定解
5、条件（2）就能够对传热系数进行求导。1.2实验系统设计利用非稳态传热原理对钢坯二冷段喷嘴传热系数进行测试，测试试样的内部安装热电偶，对实验中的温度和时间进行测量。实验装置由加热装置（用来加热试样），喷水装置（喷嘴的喷淋水）以及喷气系统（该装置只有在测试气水喷嘴时需要用到）。实验系统装置图如图1。图1 实验装置示意图图中，1、温度巡检装置；2、加热装置；3、加热装置炉口；4、加热钢样；5、热电偶；6、热电偶引线；7、喷嘴；8、喷水系统；9、喷气系统；10、加热系统；11、冲击加热烧嘴测试连铸二冷喷嘴的热态性能，加热装置必须能够将试样加热到接近实际生产的温度，本实验采用冲击加热的方式，通过天然气高
6、速烧嘴在单侧对试样进行冲击加热，试样加热的速率远远大于试样的冷却效率，不但能够容易达到实验所需要的温度，同时比较安全12,13。通过计算加热到目标温度，需要天然气40m3，需要加热1个小时。加热时，在试样中心布置一个烧嘴，这样能够实现热量由试样中心均匀的向试样两次传递。喷水系统由自来水（水源），流量计，压力表，水泵，管道等组成；喷气装置由风机，流量计以及管道等组成。1.3实验试样的设计实验试样的钢种选择实际钢厂生产的钢种。根据喷嘴的喷射半径约200mm ，那么考虑在两个喷嘴情况下以及实际生产中喷嘴在铸坯边缘有50mm 的富裕度14,15，同时由于的加热需要，试样尺寸确定为：75025025mm
7、（实测试样为65022025 mm）。 图2试样尺寸和热电偶布置示意图2、实验结果及讨论本实验采用扁形水喷嘴，型号为670.846.30.00和气/水喷嘴型号为36.35.13.01进行实验。2.1不同喷水距离下传热系数的变化关系图3给出了铸坯表面温度不同时，水喷嘴（型号670.846.30.00）冷却时综合传热系数与喷嘴距铸坯距离的关系。横坐标为喷嘴距铸坯距离，纵坐标为喷嘴冲击点处的综合传热系数。嘴前水压力为0.22MPa。对型号为670.846.30.00的水喷嘴，喷嘴距铸坯距离小于170mm，喷嘴距铸坯距离对综合传热系数的影响较小，当喷嘴距铸坯距离大于170mm后，再加大喷嘴距铸坯的距离，综合传热系数将明显减小，因此对这种喷嘴而言，喷嘴距铸坯距离在170mm左右有较大的传热系数。为研究其原因，对型号为670.846.30.00的水喷嘴进行了冷态特性实验，图4是型号为670.846.30.00的水喷嘴冲击点处的水流密度与喷嘴距铸坯距离的关系，由图4可看出，喷嘴距铸坯距离在170mm左右水流
