薄带铸轧气雾冷却装置水气压配比研究

周西康 李晓杰 刘国勇 王 彬 宋则进 张薇

(1:中冶京诚工程技术有限公司轧钢与金属加工工程技术所 北京100176；2:北京科技大学机械工程学院 北京100083)

1 前言

随着减量化制造及节约型生产的大趋势，铸轧一体化技术日渐成为国外热轧板带生产的主流。而在我国环保形势严峻、板带产品过剩的背景下，薄带铸轧这种近终型生产工艺，由于其高节能低排放的优点，也必将引领未来热轧带钢的生产方向。目前该技术被列为钢铁产业调整与振兴规划前沿技术和关键产品生产技术专项，随着产能的不断提高，将逐步部分替代连铸连轧或常规热连轧的薄板产品[1]。保证产品性能的重要工序是轧后冷却，由于铸轧产品规格很薄，部分带钢厚度可达0.7～0.8mm，如采用常规层流冷却及射流冷却技术，会使极薄带钢冷却不均并出现局部相变强化作用，以致失去产品的冲压性能。因此目前国内外铸轧生产线机组，在轧后均布置了气雾冷却装置[2]。气雾冷却技术具有表面传热系数高、冷却时间短、冷却均匀等优点，且可以实现均匀可调的冷却效果。但气雾冷却技术传热机理复杂，冷却介质为水与气的混合，不是单一介质，不同的水压和气压设定将影响冷却介质与带钢之间的换热系数。因此，如何设定最佳的水压、气压，保证在较低的水压气压下获得较好的冷却效果，成为了气雾冷却生产工艺参数设定的关键。

梅国晖等从连铸喷雾冷却强度的控制因素入手,建立了冷却强度与水流密度、冲击速度、雾滴尺寸间的关系式[3]。本文通过对自制扇形气水雾化喷嘴在不同气水压力比条件下进行实验，得出了喷嘴的最佳喷雾气水压力比在1.5～2.0、质量流量比在1.5～3.0的范围之内，喷嘴喷雾效果最好[4]。路建岭等通过4个工况的试验分析了气水比和截面风速对喷雾冷却塔冷却效率的影响，试验结果表明：气水比从1.04增加到1.31，冷却效率随之从39.0%增加到54.5%[5]。李德睿等采用FLUENT DPM模型模拟了不同压力实心锥喷雾换热情况，发现随压力增大，喷雾冷却的换热系数增加，壁面温度降低[6]。Wen-Long Cheng等指出最优喷嘴高度并不是喷雾完全覆盖被加热表面的时候而是工质利用率最高时。在他们的实验中最优喷嘴高度为4.3mm，被加热表面覆盖率为12%[7]。Wong TN等釆用闭式循环气助式四喷嘴喷雾系统冷却电子芯片，结果表明换热能力和加热面温度均匀性都随流量的增加而提高[8]。Panao等研究了间歇式多喷嘴喷雾冷却，得到了不同条件下的加热表面热流密度及表面传热系数变化情况，表明三喷嘴冷却效果最好[9-10]。Sarkar等建立了喷雾冷却的三维模型，采用 Level Set和多重网格共轭梯度法模拟了液滴撞击薄液膜和不同过热度表面的换热情况[11]。

本文通过对气雾冷却喷嘴的冷、热态性能实验，对计算结果进行了分析，提出了水压、气压比对换热系数的影响趋势以及最优的水气压比，对生产现场的调试具有指导意义。

2 换热系数计算方法

对于轧后带钢气雾冷却换热系数的研究是一个复杂的问题，由于影响带钢冷却过程中影响换热系数的因素众多，目前计算换热系数的主要方法是反传热法。即利用热电偶获取试样钢板在冷却过程中沿宽度方向上各点的实测温度值，利用导热反问题手段逆向反算研究钢板表面换热系数值，获得符合实际条件的换热系数。

试验采用热模拟装置测定气雾水滴与高温钢板表面的传热系数。非稳定态法，即被测试试样首先加热到要求的温度，然后在选定的位置进行喷射冷却。喷射气雾连续喷射钢板表面，使其表面温度降低，并形成一定的内外温度梯度，对钢板而言，沿钢板厚度方向具有最大温度梯度而成为内部热量导出的主要方向。在试验中将模拟板带传热近似简化为一维导热，测定喷嘴雾滴与钢板表面之间的传热系数。根据测定钢板不同时刻的温度结果，通过一维导热差分计算就可算出各个表面温度下热传递率(传热量)的瞬时值，相应就得到喷嘴一定水量和气量下雾滴与钢板表面的传热系数。非稳态且有内热源的导热微分方程为：

式中k-导热系数;

a-导温系数;

q-热流密度。

计算步骤是先给定钢板表面的初估热流密度值，用有限差分法计算下一个时间步长的温度场，同时采用反传热法求出试样钢板表面换热系数；求出计算温度和实验测得温度的差值，然后用线性插值的方法求出表面热流密度的修正值，用修正后的热流密度重新计算温度场，同时修正换热系数；再经反复计算，直到温度的计算值和实测值的误差达到一定得精度，最终获得逼近实测的换热系数。计算流程图如图1。

3 实验过程

实验系统分为三部分：气雾喷嘴系统、加热系统和测量系统，如图2。本实验采用材料Q345厚度10mm的试样钢板，从1000℃冷却至300℃，来模拟带钢气雾冷却过程中的各类工况。

图1 反传热计算流程图

图2 实验系统示意图

图3 热电偶布置图

图3为热电偶布置实物。钢板底部打平底盲孔，为8mm、5mm两种深度，每个测点长度方向间隔20mm。用数据采集系统获得各热电偶处的温度，将获得温度值带入反传热计算程序，获得试样各测试点的气雾冷却表面传热系数。

4 水气压配比结果分析

喷嘴条件：高度250mm，喷嘴间距260mm，分别设定钢板温度900℃、600℃、300℃，根据现场实际情况，气压为1 bar -4bar，水压为3bar-8bar，考察不同的水气压配比对表面传热系数的影响，如图4-图6所示。

通过不同钢板温度下、不同水气压配比可以看出在900℃下，当水气压配比为2即气压为4bar，水压为8bar时，钢板表面的传热系数最大；水气压配比为2.6时，钢板表面的传热系数次之。当水气压配比为1.5以及8时，表面传热系数最小。即当气压为2bar，水压为3bar及气压为1bar，水压为8bar时，水气压配比对钢板表面的传热系数影响较小；通过比较钢板在600℃以及300℃下的换热系数大小仍然可以看出，当水气压配比为2时，钢板的表面传热系数最大，而水气压配比为1.5和8时，钢板的换热系数最小。通过图4(b)、图5(b)及图6(b)可以看出测温点0和2处当水气压配比为2时，换热系数都为最大，钢板的冷却效果最好。

(a)900℃下水气压配比对换热系数的影响 (b)水气压配比及位置与表面传热系数关系图4 钢板温度为900℃下不同水气压配比对表面换热系数的影响

5 现场工艺验证

根据现场实际情况，钢带平均厚度1.2mm，终轧温度871℃，根据试验计算得到的不同水气压下的换热系数大小，计算不同水气压下，钢板经过气雾冷却后芯部以及表面的温度，同时对不同水气压配比下钢板芯部温度进行比较得出温度变化的趋势。根据现场实际情况，气压为1 bar -4bar，水压为3bar-8bar，考察不同的水气压配比钢板芯部温度影响的变化趋势，图7为气压3bar水压8bar下钢板表面与芯部的冷却温度随时间变化情况。

(a)600℃下水气压配比对换热系数的影响 (b)水气压配比及位置与表面传热系数关系图5 钢板温度为600℃不同水气压配比对表面换热系数的影响

(a)300℃下水气比对换热系数的影响 (b)水气压配比及位置与表面传热系数关系图6 钢板温度为300℃不同水气压配比对表面换热系数的影响

图7 气压3bar水压8bar下带钢温度变化图

图8 不同水气压配比对钢板芯部温度的影响

通过分析不同水气压配比对钢板芯部温度的影响，得出水气压配比对钢板芯部的影响趋势，由图8可以看出在水气压范围分别为3bar-8bar、1bar -4bar 时，当气、水压力分别为4bar和8bar时，即此种情况下水气压配比为2时，钢板芯部温度最低，即钢板表面换热系数最大,同时可以看出当水气压配比为2.6(气、水压力分别为3bar和8bar)时，钢板芯部温度也较低，说明气压、水压越大，换热特性越强，同时也说明水的压力值对换热特性的影响效果更明显，通过表1可以看出当水气压配比为2(气、水压力分别为4bar和8bar)的情况下，该配比对钢板芯部的温度影响最大，冷却效果最好，钢板芯部温度为442.215℃。

表1 不同水气压配比下的钢板芯部温度

6 结论

1)当水气压配比为2，即在气压为4bar、水压为8bar时，钢板的气雾冷却效果最好，表面换热系数最大。

2)当水气压配比为1.5和8时，钢板的气雾冷却效果较差，表面换热系数最小。

3)当水气压配比为2(即气水压力为4bar-8bar)的情况下，该配比对钢板芯部的温度影响最大，冷却效果最好，钢板芯部温度为442.215℃。

4)通过对钢板表面及芯部温度的比较可以得出：水气压配比为2(气压为4bar、水压为8bar)，对钢板表面及芯部的冷却效果都是最佳的，这是因为在气压4bar、水压8bar的条件下，水流速度最高，对钢板的冲击最大，水流与钢板之间的换热特性最强。所以在实际生产过程中，水气压配比为2(气压为4bar、水压为8bar)是值得推荐的。