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连铸二冷区内混式气水雾化喷嘴的水流密度分布研究

2022-01-14吴卫利程常桂刘振宇

武汉科技大学学报 2022年2期
关键词:气水连铸水流量

李 阳,吴卫利,程常桂,刘振宇,黄 涛

(1.武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室,湖北 武汉,430081;2.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室,湖北 武汉,430081)

连铸二次冷却是连铸坯凝固传热的重要环节,常见的二次冷却喷嘴包括水雾化喷嘴和气水雾化喷嘴。宽板坯连铸时,二冷区常选用雾化效果好、冷却均匀、冷却速率高的内混式气水雾化喷嘴[1]。研究表明,喷嘴喷出液滴沿铸坯宽度方向的分布是影响铸坯二冷区传热效果的重要因素之一,会直接影响到铸坯表面温度和最终的凝固组织[2]。若铸坯表面水流密度分布不合理,则容易产生表面裂纹和角部裂纹等缺陷[3-4]。有研究者通过改变喷嘴类型和布置方式来优化水流密度分布,板坯角部横裂纹得到明显改善[5-7]。

另一方面,随着高效连铸技术的迅速发展,其对二冷区冷却强度和冷却均匀性提出了更高的要求[8-11]。为此,本课题组在前期研究中提出,在内混式气水雾化喷嘴的气体通道内增设加速环装置,通过数值模拟方法,系统研究了该设置对喷嘴出口处液相速度和体积分数分布的影响,结果显示,该设置对于提升喷嘴出口处液相分布均匀性具有积极作用[12],但目前关于冷却条件对设置加速环后喷嘴水流密度分布的影响规律还尚不明确。鉴于此,本文借助水量分布测试实验平台,研究了气压、水压、喷淋高度和加速环设置对内混式气水雾化喷嘴水流密度分布的影响,以期为高效连铸工艺中铸坯冷却效果的优化提供参考。

1 试验装置及方法

图1为连铸二冷区喷嘴水流密度测试实验平台示意图,其主要包括:内混式气水雾化喷嘴(无加速环或有加速环,详见图2)、气路系统、水路系统、集水系统(一排透明的试管并排放置,可记录喷射结束时不同位置试管收集的水量)等。该装置可通过水阀门和气阀门来控制水压和气压,进而改变进水流量和进气流量,气路和水路可调压力范围均为0~0.4 MPa,通过水压表、气压表、水流量计和气流量计直接读数并记录相应的流量变化;用高速相机对射流进行拍摄,记录集水系统各试管的水量变化,分析单位时间内铸坯表面横向水量分布情况。试验过程中,通过调节进气压力p气、进水压力p水以及喷嘴的喷淋高度,从而获得不同工艺条件下喷嘴的水流密度分布。

图1 水流密度测试实验平台示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental platform for water flow density testing

(a)传统喷嘴 (b)增设加速环的喷嘴图2 两种喷嘴结构示意图[12]Fig.2 Schematic diagram of two nozzles

2 实验结果及分析

2.1 工艺参数对传统喷嘴水流密度分布的影响

实际工况下,二冷喷嘴的喷淋高度大约在120~160 mm之间[4],故本研究选喷淋高度为120、140、160、180 mm的情况进行研究。图3为气压和水压一定时,传统内混式气水雾化喷嘴在不同喷淋高度时横向水流密度分布图。由图3可见,当喷淋高度不同时,喷嘴的横向水流密度分布趋势较为一致,该喷嘴整体的喷淋水覆盖范围约为650 mm,故对于实际工况下的连铸二冷区,沿铸坯宽度方向应设置多个喷嘴。由于喷淋高度为140 mm时,喷嘴水流密度分布比较均匀且水流密度峰值处于平均水平,故后续研究中,喷嘴喷淋高度均设置为140 mm。

(a)p气=0.1 MPa,p水=0.1 MPa (b)p气=0.2 MPa,p水=0.2 MPa图3 不同喷淋高度传统喷嘴的水流密度分布图Fig.3 Water flow density distribution diagrams of traditional nozzle with different spray heights

图4为不同气压和水压下传统内混式气水雾化喷嘴的横向水流密度分布图,相应条件的进气流量和进水流量值列于表1。结合图4和表1可知,随着进水流量的增大,喷嘴水流密度的峰值增大,喷淋水覆盖范围变宽。当气压为0.1 MPa、水压为0.3 MPa时,对应进水流量为0.32 m3/h,喷嘴水流密度峰值最大。当气压为0.3 MPa、水压为0.3 MPa时,对应进水流量为0.09 m3/h,此时喷嘴水流密度峰值最小。

图4 不同气压和水压下传统喷嘴的水流密度分布图Fig.4 Water flow density distribution diagram of traditional nozzle under different pair and pwater

表1 不同气压和水压下传统喷嘴的进气流量和进水流量Table 1 Water flow and air flow rates of traditional nozzle under different pair and pwater

气压为0.1MPa时,不同水压条件下传统内混式气水雾化喷嘴的水流密度分布和雾化角如图5所示。结合图5和表1可见,当气压不变时,随着水压的增大,喷嘴进水流量增大,水流密度呈增大的趋势,射流雾化角也逐渐增大,喷淋水覆盖范围变宽,但水量分布均匀性相对变差。

水压为0.3 MPa时,不同气压条件下传统喷嘴的水流密度分布和雾化角如图6所示。结合图6和表1可知,在水压不变的情况下,随着气压的增大,喷嘴进水流量变小,水流密度逐渐降低,水流密度曲线逐渐趋于平缓,这是因为较大的气压有阻止水流的作用;另一方面,射流雾化角随着气压的增大逐渐减小,雾化面积也明显降低,这与水量减小导致雾化液滴没有完全充满喷嘴出口扇形区域有关。对比图5(b)和图6(b)可知,传统内混式气水雾化喷嘴只有在较小的p气/p水时才能实现较大的雾化面积。

(a)水流密度分布 (b)雾化角图5 不同水压下传统喷嘴的水流密度分布图和雾化角(p气=0.1 MPa)Fig.5 Water flow density distribution diagram and atomizing angles of traditional nozzle under different pwater

(a)水流密度分布 (b)雾化角图6 不同气压下传统喷嘴的水流密度分布图和雾化角(p水=0.3 MPa)Fig.6 Water flow density distribution diagram and atomizing angles of traditional nozzle under different pair

2.2 工艺参数对带加速环喷嘴水流密度分布的影响

图7为不同气压和水压下有加速环的内混式气水雾化喷嘴的横向水流密度分布图,相应条件的进气流量和进水流量列于表2中。结合图7和表2可知,与传统喷嘴相比,增设加速环后,相同气压和水压条件下,喷嘴的进水流量明显增加,水流密度峰值明显增大,喷淋水覆盖范围也略有增加(约为700 mm)。由此可见,增设加速环后,内混式气水零化喷嘴的冷却能力和覆盖范围均有所提高。另一方面,喷嘴水流密度峰值依然随着进水流量的增大而呈增大的趋势。气压为0.4 MPa、水压为0.4 MPa时,对应进水流量为0.11 m3/h,此时喷嘴水流密度峰值最小。

表2 不同气压和水压下有加速环喷嘴的进水流量和进气流量Table 2 Water flow and air flow rates of nozzle with accelerating ring under different pair and pwater

图7 不同气压和水压下有加速环喷嘴的水流密度分布图Fig.7 Water flow density distribution diagram of nozzle with accelerating ring under different pair and pwater

气压为0.1 MPa时,不同水压条件下有加速环喷嘴的水流密度分布和雾化角如图8所示,可以看出,在气压不变的情况下,随着水压的增大,喷嘴进水流量增大,水流密度呈增大趋势,射流的雾化角也有所增加。

水压为0.3 MPa时,不同气压条件下有加速环喷嘴的水流密度分布和雾化角如图9所示。由图9可知,水压不变时,随着气压的增大,设有加速环喷嘴的水流密度逐渐减小,并且水流密度分布曲线逐渐趋于平缓,射流的雾化角也逐渐减小。

(a)水流密度分布 (b)雾化角图8 不同水压下有加速环喷嘴的水流密度分布图和雾化角(p气=0.1 MPa)Fig.8 Water flow density distribution diagram and atomizing angles of nozzle with accelerating ring under different pwater

(a)水流密度分布 (b)雾化角图9 不同气压下有加速环喷嘴的水流密度分布图和雾化角(p水=0.3 MPa)Fig.9 Water flow density distribution diagram and atomizing angles of nozzle with accelerating ring under different pair

3 讨论

图10为水压为0.3 MPa时,两种喷嘴进水流量与进气压力之间的关系。结合图7、图9和图10可以看出,当水压一定时,两种喷嘴的进水流量均随气压的增大而减小,而喷嘴水流密度分布曲线的峰值随着进水流量的增大而增加,故实际工况下,可以通过控制进水压力来调节喷嘴喷出液滴的水流密度。此外,在喷嘴气路通道增设加速环后,相同气压和水压条件下,改进后喷嘴的进水流量增大约一倍,水流密度也相应增大。故可以推断,在板坯高速连铸工艺中,增设加速环的喷嘴能更好地满足连铸二冷区高冷却强度的需求。

图10 两种喷嘴进水流量与进气压力的关系(p水=0.3 MPa)Fig.10 Relationship between water flow rate and air pressure of two nozzles

对比图4和图7可知,当p气/p水由1减至0.33,两种喷嘴的水流密度峰值均逐渐增大,且有加速环喷嘴的水流密度峰值相对更大;当p气/p水=0.33时,两种喷嘴的水流密度峰值最大,水量集中分布在喷嘴中心区域,水流密度分布均匀性相对较差,这是由于当气压过低时,气路发生了回水现象,进气流量减小,气体对水柱的剪切作用力小,降低了对液滴的破碎和加速效果;当p气/p水=1时,两种喷嘴的水流密度峰值较小,水流密度分布曲线平缓,水量分布较均匀,并且在气压和水压较高时,对应p气和p水均为0.4 MPa,特别是设置加速环的喷嘴,其水流密度分布曲线最为平缓,水量分布最均匀,这是由于该工况下液滴破碎程度较高,喷嘴出口处液相速度相对较大,水量分布较为均匀,喷嘴雾化效果更好。

对比图5(b)和图8(b)可知,气压为0.1 MPa时,两种喷嘴的雾化角均随着水压的增大而增大,而增设加速环喷嘴的雾化角变化相对较小。另外,当水压过大时,传统喷嘴的喷头处存在液体飞溅现象,而增设加速环的喷嘴无论在高压或是低压工况下均无此类现象。对比图6(b)和图9(b)可知,水压为0.3 MPa时,两种喷嘴的射流雾化角均随气压的升高而减小,并且设置加速环喷嘴的射流雾化角变化相对较小。由此可见,无论p气/p水的大小,有加速环喷嘴雾化射流的雾化角波动不大,射流较稳定,能有效保证铸坯的雾化面积。

4 结论

(1)对于二冷区内混式气水雾化喷嘴而言,相同喷淋高度下,随着p气/p水由1减至0.33,喷嘴水流密度峰值均逐渐变大;当p气/p水为0.33时,喷嘴水流密度峰值最大,水量集中于喷嘴中心区域,水流密度分布均匀性较差;当p气/p水=1时,喷嘴的水流密度峰值较小,水流密度分布曲线平缓,水量分布最为均匀。因此,实际连铸工况下,喷嘴应设置合适的p气/p水。

(2)相同喷淋高度下,当气压为0.1 MPa时,传统喷嘴和增设加速环后喷嘴的射流雾化角均随着水压的增大而增大;当水压为0.3 MPa时,两种喷嘴的射流雾化角均随着气压的增大而减小。

(3)相同工况下,与传统内混式气水雾化喷嘴相比,增设加速环后喷嘴的进水流量增大了约一倍,喷嘴的水流密度峰值明显增加,喷淋水覆盖范围更大。当改变气压或水压时,增设加速环后喷嘴的射流雾化角波动不大,较为稳定,能有效保证铸坯的雾化面积。因此,在板坯高速连铸工艺中,增设加速环的喷嘴能更好地满足更高的二冷区冷却强度的需求。

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