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本次我们组研究目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)有几种传热形式?
(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
铸坯从结晶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面的,当喷雾水滴打到铸坯表面时,就会带走一定的热量,而铸坯表面温度突然降低,使中心与表面形成很大的温度梯度,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辊导热之外,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辊距之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。
(图1)
⑴AB空冷段
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=εC0[(TW/100)4-(Tg/100)4]+h(TW-Tg)
(1)
式中q——坯壳表面热流密度,W/m2;
ε——坯壳表面黑度,0.7——0.8;
C0——黑体辐射系数,W/(m2•K4),约为5.675W/(m2•K4);
TW——坯壳表面温度,K;
Tg——周围空气温度,K;
h——对流换热系数,W/(m2•K),若邻接铸坯表面的空气流速不大于2——3m/s时,h=20——23W/(m2•K)。
⑵BC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1kg水可吸收2200kJ左右的热量,从而使铸坯表面大量散热。
实测结果表明铸坯表面喷水冷却,铸坯表面温度保持在1050℃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=ηCeρwW
(2)
式中qv——消耗于冷却水的热流密度,W/m2;
η——变为蒸汽的水的比例,%;
Ce——水的汽化热,J/kg;
ρw——水的密度,kg/m3;
W——单位坯表面积耗水量,也称喷水密度,m3/(m2•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。
对流换热系数可由式3确定:
h=C(λ/d)(vd/γ)4(3)
式中h——对流换热系数,W/(m2•℃);
C——经验常数(紊流下C=0.032);
λ——喷淋水导热系数,W/(m2•℃);
d——坯壳特征尺寸,m;
v——喷淋水沿坯壳表面流速,m/s;
γ——喷淋水粘度,m2/s;
n——经验常数(紊流下n=0.8);
事实上,二冷区铸坯表面热交换不完全符合式Φ=h(
)的应用条件,因为水的沸腾以及气膜的形成破坏了铸坯表面的边界层,而且喷流水流速度场不均匀等许多因素都使对流换热系数的确定变得十分困难和复杂。
目前工程计算中多采用式q=(Ts-Tw)/R计算。
⑶CD空冷语水冷混冷区
该区虽不能被喷淋水直接覆盖,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,还要根据坯的空间位置、喷嘴形式和辊列布置等影响因素而定。
⑷DA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辊散热。
二、二冷段的几种传热形式
图2表示了二冷区铸坯表面热量传递的方式,物化水滴以一定的速度喷射到铸坯表面,大约有20%的水滴被汽化,带走的热量约占55%;
铸坯辐射散热占25%左右;
铸坯与夹辊间的传到散热约占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辊的传热基本变化不大,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之间的热交换。
它是一个复杂的传热过程,可用对流传热方程来表示:
Φ=h(
)(4)
式中Φ——热流密度;
h——传热系数,最大可达4kW/(m2•K);
——铸坯表面温度;
——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:
αws=0.69lg(
)[1.4(λρc)0.5•exp(0.32*
)+αv]+αrad(5)
式中αws——喷水热交换系数,W/(m2•K);
W——喷水密度,m3/(m2•s);
λ——被冷却材质导热系数,W/(m•K);
ρ——被冷却材质密度,kg/m3;
c——被冷却材质比热容,J/(kg•K);
αv——层沸腾状态热交换系数;
αrad——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,K。
综合考虑以上纯气雾冷却和辊子导热的影响,就能对铸坯尤其是铸坯表面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相符的关系式。
由公式可知,除冷却水温度和表面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值是与单位时间单位面积的铸坯表面接受的水量(水流密度)有关,即:
h=BWn(6)
B——经验系数;
W——喷水密度,L/(m2•s);
n——经验系数,一般在0.4到0.8之间。
在生产条件下测定h与W的关系很困难,一般是在实验室内用热模拟装置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
一般情况下,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,对喷淋水冷却效率有影响的很多因素在生产中是可变和可调整的,这些因素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、又有较高的喷淋速度、水滴在铸坯表面分布均匀。
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。
(图3)
(1)压力喷嘴。
这类喷嘴具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、冷却强度大,大都用来冷却大断面铸坯二冷区的头段。
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)
圆锥喷嘴又可分为空心型、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坯。
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,在离心力的作用下,雾化成空气的锥形流股。
图5是圆锥喷嘴水流密度分布图。
(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。
(图6)
⑵气水喷嘴。
这种喷嘴是一种高效喷嘴,它正逐渐代替其他喷嘴而被广泛用于各种连铸机上。
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,特别是对水底的细化效果明显优于压力喷嘴,可增大蒸发量以提高冷却效率,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7)
喷嘴的布置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,因此布置喷嘴时,可以使两相邻喷嘴喷雾面之间有一定的重叠。
试验证明,当喷雾面重叠10%时,对重叠面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,喷水密度的提高可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,传热系数曲线随之呈平坦趋势,这说明喷水密度超出一定范围之后,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时,接近表面的水滴与从表面弹回来的水滴相撞的几率增大而使动能损失增大,而且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20m3/(m2•h)时,传热系数就不再增加。
(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300℃),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,由于水底的蒸发不大,不会影响到它与铸坯的接触,经过一段时间接触传热后,水滴沿坯表面流走,这种水滴的传热效率比较高。
如果铸坯表面温度比较高时,水滴一碰到铸坯就会破裂并且超速蒸发,水滴与坯的接触只是瞬间,炸裂的细水滴很快从铸坯表面离开,然后又聚集起来,而后又炸裂,这种现象称为“干壁”,它的冷却效率比较低。
图10给出了扁平喷嘴喷水密度和铸坯比表面温度对热流的影响。
(图10)
3、喷淋水滴速度和喷嘴压力
研究表明,喷淋水滴与坯表面碰撞速度的高低对传热有很大影响。
当水滴的韦伯数We>
80时,水滴碰撞到铸坯表面后铺展并分裂成若干个小水滴;
当水滴的韦伯数<
30时,水滴在铸坯表面铺展开,加热后自身旋转,最后离开铸坯表面,而始终没有分裂;
当水滴的韦伯数在30——80之间时,水滴在铸坯表面铺展开后并不分裂,在自身旋转过程中才分裂。
韦伯数用下式表示:
We=ρdvw2/σ
式中ρ——水滴密度,kg/m3;
d——水滴直径,m;
vw——水滴流速,m/s;
σ——水滴表面张力,N/m2。
水滴碰撞到铸坯表面后,若能够马上分裂成若干小水滴则可以增加水滴与铸坯的传热接触面积、提高传热效率。
当水滴的密度、直径、表面张力确定之后,韦伯数与水滴流速的平方成正比,因此,提高水滴碰撞铸坯表面的速度就能提高水滴的传热效率。
喷淋水在喷嘴的出口速度决定与管道中的压力。
压力增大,喷淋水出口流速提高。
在已知喷淋水出口和水滴直径的情况下,水滴在大气中运行的速度用下式计算:
v=v0exp[-0.033(ρg/ρ0)zdQ2](7)
式中v——水滴距喷嘴长为2m时的流速,m/s;
v0——水滴在喷嘴出口时的流速,m/s;
ρg——大气密度,kg/m3;
ρ0——水滴密度,kg/m3;
z——测流速位置至喷嘴的距离,m;
d——水滴直径,m;
Q——喷淋水流量,m3/s。
4、喷嘴的堵塞
由于管道壁脱落的锈蚀物和喷淋水内泥沙等杂质的不断堆积,喷嘴在使用一段时间后会出现不同程度的堵塞,甚至堵死。
这种现象的发生不仅会加重铸坯冷却不均的程度,而且对传热效率有很大影响,因此,改善喷淋水的纯净度,定期和及时地检修或更换堵塞的喷嘴是极其必要的。
5、比水量
比水量即单位质量铸坯所需的冷却水量,是一个重要参数,其变化直接影响着二冷区的传热效率。
比水量由下式定义:
P=Q/(Sρvc)(8)
式中P——比水量,L/kg;
Q——二冷区喷水量,L/s,喷水密度与喷水总面积的乘积;
S——铸坯断面积,m2;
ρ——铸坯密度,kg/m3;
vc——拉速,m/s。
当铸坯断面尺寸、钢种、喷嘴形式及其布置确定之后,比水量主要受喷水密度和拉速的影响。
当拉速固定时,比水量与喷水密度成正比。
因此,比水量对传热系数的影响与喷水密度的影响相同,比水量高过一定程度时,也会出现“热饱和”现象。
但喷水密度固定时,比水量的变化与拉速的变化成反比关系,所以说二冷区冷却效率的高低不能单独以比水量的大小来衡量,还应该同时考虑拉速对比水量的影响。
四、连铸二冷段各段的冷却强度如何控制
1、在连铸二冷段冷却强度应该延铸坯的纵向,自上而下逐步减弱。
由结晶器拉出的铸坯进入而冷去上段时,内部液心量大,坯壳薄,热阻小,坯壳凝固收缩产生的应力也小。
此时加大冷却强度可使坯壳厚度迅速增加,并且在较高的拉速下也不会拉漏。
当坯壳厚度增加到一定程度以后,随着坯壳热阻的增加,则应逐渐减小冷却强度,以免铸坯表面热应力过大产生裂纹。
因此,在整个二冷区应当采取从上到下冷却强度由强到弱的原则。
2、在实际生产中为了提高铸机的生产率,应当采取高拉速和高冷却效率,但在提高冷却效率的同时,要避免铸坯表面局部降温而产生裂纹,故应使铸坯表面横向及纵向都能均匀降温。
通常铸坯表面冷却速度小于200℃/m。
铸坯表面温度回升应小于100℃/m
3、700~900℃的温度范围是铸坯的脆性温度区,如铸坯表面温度在此范围内矫直时,易于产生横裂纹。
所以应控制二冷区支承辊之间形成的鼓肚量最小,在整个二冷区应限定铸坯表面温度,通常控制在1100℃以下。
同时在铸坯进行热送和直接轧制时,又要控制切割后铸坯表面温度高于1000℃。
4、在确定冷去强度时要必须适应不同钢种的需要,特别是裂纹敏感性强的钢种,要采用弱冷,例如低合金钢管比薄板钢(如全铝镇静低碳钢)需要更为轻微的二次冷却。
在实际计算控制冷却强度的大小时可用“比给水量”来表示。
其含义是单位时间冷却水耗量(升)和通过二冷区铸坯质量(kg)的比值,其单位为1/kg。
也可以用单位时间、单位铸坯表面接受的冷却水量,即水流密度来量度,其单位为1/
。
提高水量或水流密度时,由喷咀喷出的水量增加,水滴射到铸坯表面,大部分被蒸发而将热量带走,使综合传热系数h增大,从而改善冷却效果。
但是过分提高水流密度时,将会使单位体积内的水滴过多,以致射到铸坯表面的水滴和从铸坯表面返回的水滴发生碰撞,从而损失部分动能。
同时,大量水滴在铸坯表面形成蒸汽膜,阻止了其余水滴与铸坯表面的接触,反之降低了冷却效果。
据研究,水流密度大于201/
时提高水流密度,对传热影响甚小。
二次冷却强度随着钢种、铸坯断面尺寸、铸机型式、拉坯速度等参数不同而变化,通常波动在0.5~1.51/kg之间。
下表列出了不同钢种冷却强度的变化情况。
钢种类别
冷却强度、l/kg
普碳钢、低合金钢
1.0~1.2
中高碳钢、合金钢
0.6~0.8
裂纹敏感性强的钢
0.4~0.6
高速钢
0.1~0.3
而具体选择二冷强度时,除考虑钢种、拉速等因素外,还要考虑铸坯坯矫直温度以及是否热送直接轧制等。
五、拉速的控制与哪些因素有关
1、钢种的影响。
不同的钢种有不同的高温塑性,高温强度和导热性能。
例如奥氏体不锈钢,一般条件下无晶型转变,高温塑性好、高温强度高,可以用较大的拉速。
反之高碳钢、铁素体不锈钢、低合金钢则应用较低的拉速。
对于导热性差、凝固范围宽,对裂纹敏感性强的轴承钢、高速钢、硅钢等则应采用更低的拉速,这是因为导入性能差的钢种,冷却中产生的热应力大,为避免裂纹的产生,只能用较小的冷却强度,所以必须降低拉速。
同样的道理凝固温度宽的钢种,凝固收缩大,容易因补缩不足而产生缩孔和中心疏松,因此采用较低的拉速以保证铸坯的内部质量良好。
2、断面形状和尺寸的影响。
不同断面形状的铸坯,单位质量的周边尺寸不同,因而冷却的比表面不同。
圆形断面比方形和矩形的比表面小,冷却慢,故拉坯速度要小一些。
另一方面,不同断面形状的铸坯有不同的结晶凝固特点,例如圆形坯的拉速过快时,易产生中心疏松和裂纹,因而圆坯的拉速一般要低于方坯和扁坯,对于相同钢种的铸坯,断面大的冷却“比表面”小,因而大断面铸坯的拉速一般低于小断面。
3、注温及钢中硫磷含量的影响。
注温高时,延长凝固时间,拉速应减慢,反之亦然。
在连铸生产实践中要根据中间包钢水温度来调整拉坯速度。
当注温偏高或钢水中硫、磷较高时,都要适当降低拉速。
工厂实践允许注温偏差在一点范围内,如最佳温度偏差小于
5
时,可按正常拉速拉坯;
若温度偏差在
(5~10)
时,则拉速应相应降低或提高10%左右;
若温度大于
10
时,就不应进行拉坯。
当钢中含硫含量超过0.025%或硫磷之和超过0.045%时,拉速应按低限控制。
4、冶金长度,结晶器振动,保护渣性能等对拉速也有一定的影响,因而根据工厂的实际情况确定适当的拉速。
5、在连铸生产中,拉速应和中间包向结晶器中浇注钢水的速度相适应。
为此除了中间包水口直径相适应和钢水的流量相适应外,中间包内的钢水还应保持合适的高度(即钢水量稳定)。
液面过高,钢水动压头过大,不易保持注流圆整,而且冲击力较大,造成钢流在结晶器中飞溅和冲击初生坯壳,影响凝固坯壳的均匀性;
包内液面过低,注流不易稳定,如果液面低于临界高度时,在水口上方的液面会出现漏斗形漩涡,从而会将钢水面上覆盖的渣层卷入结晶器,严重影响铸坯的质量。
因此,为了保证铸坯的质量和顺利地进行连铸操作,各工厂根据铸坯断面、钢种、中间包容量、注温等因素使中间包钢水高度(钢水量)保持稳定,以获得稳定的拉速。
为此,现代连铸机都有自动控制中间包钢水高度(钢水量)的装置,当浇注参数发生被动时,可自动控制钢水滑动水口的开启程度,使中间包钢水量始终不变,为稳定拉速创造条件。
(图11)
(图12)
6、拉速的控制和中间包钢流控制装置有密切关系。
(其主要的控制方式有三种,即塞棒式、滑动水口式和定径水口式。
)
7、在生产实践中控制拉速时通常开浇注流要小,使钢水在引锭装置上凝固,便于顺利拉坯。
从开浇到启动拉坯的时间即起步时间,小方坯约20s、大方坯约40s、板坯需1min,如开浇钢流过大,起步时间不足,很容易出现铸坯和引锭头脱开,造成开浇漏钢。
如果开浇钢流过小也会造成钢水在水口冻结。
通常开浇时的起步拉速应低于工作拉速,对于小方坯约工作拉速的60~80%,对于大断面铸坯约为50~60%。
拉矫机启动后,钢水要注满中间包并保持稳定的液面高度。
拉速要平稳地由小到大达到正常拉速,同时从中间包进入结晶器的注流也相应地由小到大达到恒定。
当钢包内钢水已注完时,随中间包液面降低拉速也逐渐减小,中间包中钢水注完以后仍保持起步拉速拉坯,以利于铸坯尾部的封顶凝固。
六、相关知识补充
1、二次冷却的主要作用
⑴铸坯的继续凝固
⑵防止铸坯表面、内部因为二冷不当造成各种缺陷
⑶为热送直轧创造条件,向轧钢系统供应高温无缺陷坯
2、二冷的原则
⑴延铸坯纵向,冷却强度自上而下逐步减弱
⑵铸坯表面温度均匀,纵向温度差不超过100℃/m(裂纹敏感性强的钢种),普碳钢可不超过200℃/m,横向温度差不超过50~100℃
⑶进入矫正区的铸坯温度应避开该该钢种的第二塑性区的温度区间
⑷保证铸坯质量,尽可能给热送、直装创造条件。
3、二冷区传热系数
二冷区的传热系数h表示了铸坯表面与二冷区冷却水之间的传热效率,h大则传热效率就高,它与喷水量、水流密度、喷水面积、喷水压力、喷水距离、喷组结构、铸坯表面温度和水温等因素有关。
一般需要通过试验测定统计后,用经验公式表示。
不同作者所得出的经验公式形式各异,大体有以下几种类型:
E.Bolle等:
h=0.423W0.556(1<
W<
7,627℃<
Ts<
927℃)
h=0.36W0.556(0.8<
2.5,727℃<
1027℃)
M.Ishiguro等:
h=0.581W0.451(1-0.0075Tw)
K.Sasaki等h=0.708W0.75Ts-1.2+0.116(kcal/(m2•h•℃),1cal=4.184J,1.67<
41.7,700℃<
1200℃)
E.Mizikar等:
h=0.076-0.10W(L/(m2•s),0<
20.3)
M.Shimada等:
h=1.57W0.55(1-0.0075Tw)
T.nozaki等:
h=1.57W0.57(1-0.0075Tw)/α(α为与导辊冷却有关的系数)
Concast:
h=0.875*5748(1-0.075Tw)W0.451(kcal/(m2•h•℃))
H.Mü
ller等:
h=82W0.75vw0.40(9<
40)
蔡开科、杨吉春:
h=0.61W0.597(3<
10,Ts=800℃)
h=0.59W0.385(3<
20,Ts=900℃)
h=0.42W0.351(3<
12,Ts=1000℃)
张克强、田乃媛:
h=0.37+0.35W0.0.954(pgas=250kPa,Ts=900℃)
h=0.28+0.35W0.0.954(pgas=300kPa,Ts=900℃)
h=1.09+0.03W0.0.954(pgas=350kPa,Ts=900℃)
J.K.Brimacombe:
h=0.13+0.35W
以上各式h值单位除标明外,其余均为kW/(m2/℃),W单位均为L/(m2•s)
式中vw——喷淋水滴速度,m/s;
Tw——喷淋水温,℃;
Tw——猪皮表面温度,℃。
4、二冷配水的优化
连铸机的生产能力和铸坯质量在很大程度上取决于二冷区各冷却段配水方案的选择。
配水优化其含义是在制定各段喷淋水量、喷嘴形式与布置、喷嘴区长度时,使连铸机达到最大生产率来浇铸无缺陷的产品,也就是建立最合理的二冷制度。
二冷配水优化方案在制定时要遵循冶金冷却准则和工艺条件。
冶金冷却准则包括:
(1)液心长度限制准则。
即为了避免内裂、鼓肚和减
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