大規(guī)格園坯的二冷噴淋環(huán)新型布局設計

供稿|劉 項/LIU Xiang

二次冷卻系統(tǒng)布局設計是否合理嚴重影響著鑄坯質(zhì)量，因而鑄坯二次冷卻技術的發(fā)展和應用已經(jīng)成為連鑄廠家關注的熱點。

大規(guī)格園坯的冷卻方式選擇

鑄坯二次冷卻目前有水噴霧冷卻和氣水噴霧冷卻兩種方式。

水噴霧冷卻

采用壓力噴嘴，利用冷卻水的壓力和噴嘴的特殊噴射結構使水旋轉，并通過噴孔的射流效應，使水霧化，霧化顆粒度為 200～600 μm。為了保證足夠的水壓力，需要大水量；為了克服噴嘴堵塞現(xiàn)象，噴嘴口直徑應大于 1.8 mm。水噴霧冷卻適用于大比水量的小規(guī)格方、園坯的連鑄機。圖1 為水噴霧冷卻效果圖，圖中亮點為大顆粒水滴。

氣水噴霧冷卻

利用壓縮空氣和水從不同方向進入噴嘴里或噴嘴外匯合，利用壓縮空氣的能力將水撞擊、旋轉、混和、霧化，形成極小的水滴，水滴直徑能夠達到 30～50 μm。此方式可以增大水流量的調(diào)控范圍，單個噴嘴最小水流量能夠穩(wěn)定達到 0.5 L/min。圖2 為氣水噴霧冷卻效果圖，圖中亮點是照相機鏡頭上的水滴，噴嘴下的水霧的顆粒度很小。

圖1 水噴霧冷卻效果

圖2 氣水噴霧冷卻效果

對于大規(guī)格園坯，采用氣水噴霧冷卻是必要的，它能夠更好地適應大規(guī)格鑄坯的低比水量要求。φ400 mm 園坯的比水量最小達 0.2 L/kg。氣水噴霧冷卻的高霧化性、高沖擊力和廣角流股更適合實現(xiàn)大規(guī)格園坯低拉速下的水流密度均勻性；水利用率高，減少了單位面積內(nèi)的冷卻負荷，使冷卻更均勻。

大規(guī)格園坯二次冷卻新型設計

由于大規(guī)格鑄坯拉速低，單位長度內(nèi)的鑄坯熱容量大，水流密度不均衡造成的周期性溫度回升現(xiàn)象遠甚與小規(guī)格鑄坯，所以二次冷卻系統(tǒng)設計要求盡量使鑄坯表面提高水霧覆蓋率。

鑄坯圓周的水霧均勻性設計

理論上，一個噴淋環(huán)上設置 2 個噴嘴就能夠使水霧覆蓋園坯的整個圓周，但水霧密度必然是靠近噴嘴的近點大，遠點小。推薦每個噴淋環(huán)設置 4 個噴嘴，采用 120°的噴射角，避免噴淋環(huán)過小，產(chǎn)生噴嘴空心區(qū)，而影響冷卻均勻性。 需要綜合考慮噴嘴特性來完成噴淋環(huán)設計，并滿足鑄機二次冷卻系統(tǒng)對不同規(guī)格園坯的兼容。

圖1 氣霧冷卻噴淋環(huán)的噴嘴布置

鑄坯縱向的水霧均勻性設計

要求每兩個噴淋環(huán)間的水霧能夠覆蓋鑄坯縱向的比率大于 80%，這需要結合鑄機扇形段結構實現(xiàn)。由于支撐輥、導向板結構的存在，因而要做到鑄坯縱向 100% 水霧覆蓋是不可能的。噴淋環(huán)按 22.5°角交錯布置，能夠大大減少扇形段其他機構對水霧的遮擋而造成的冷卻不均，圖2 所示的氣霧冷卻噴淋環(huán)布置方式使水霧區(qū)覆蓋了鑄坯縱向表面的 81.4%。

圖2 二冷室氣霧冷卻噴淋環(huán)布置示意圖

避免鑄坯缺陷的二次冷卻控制方法

減少和避免鑄坯缺陷的二次冷卻控制方法：

(1) 實現(xiàn)沿鑄坯縱向較小的溫度梯度變化，也就是控制水霧密度和強度的分布，實現(xiàn)對溫降速度的控制。據(jù)有關文獻，鑄坯溫降速度應小于 200℃/m。對于冶金長度為 35 m 的園坯連鑄機，其二冷區(qū)的溫降速度完全可以控制在 50℃/m 以內(nèi)，對于二冷區(qū)以后的溫降速度可以控制在 20℃/m 以內(nèi)。鑄坯表面冷卻速度過快，會使局部處于高張應力狀態(tài)，使得已形成的裂紋變大，并且會產(chǎn)生新裂紋。

(2) 控制矯直溫度大于 900℃，避開鑄坯的低延展性溫度區(qū)間，避免出現(xiàn)鑄坯矯直裂紋。采用新型二冷噴淋環(huán)布局設計，在 φ270、φ310、φ350、φ400 mm 圓坯生產(chǎn)實踐中，鑄坯表面溫降平緩，冷卻均勻性很好，在鑄坯二冷區(qū)后的表面溫降很小，低于 20℃/m；矯直輥位于距鑄坯彎月面 12114 mm 處，此處鑄坯表面溫度為 957 ℃～1017 ℃，滿足了對鑄坯的矯直溫度要求。

(3) 控制好鑄坯表面溫度，避免鑄坯坯殼出現(xiàn)鼓肚。一般鑄坯表面溫度限制在 1100 ℃以下。應該指出的是，園坯特有的結構具有比方坯、板坯好得多的抗鼓肚特性。

(4) 表面溫度回升控制在 100℃/m 以內(nèi)。鑄坯表面的回溫現(xiàn)象嚴重時，會使局部產(chǎn)生較大張應力而造成橫裂等缺陷。尤其是在水冷和空冷的交變區(qū)域，鑄坯表面回溫效應最嚴重，合理控制水冷末端鑄坯溫度，能夠減少回溫效應。

(5) 氣水霧化噴嘴的噴射均勻性控制：在水流密度一定的條件下，單位面積內(nèi)的水滴顆粒數(shù)越多，冷卻水覆蓋鑄坯表面的均勻性越高。對于氣水霧化噴嘴，水霧顆粒度直接影響著均勻性。如圖3，設瞬間噴到鑄坯上的水量一定，如果水顆粒度很大，就會形成“干”壁型冷卻；如果顆粒度很小，水滴在鑄坯上覆蓋的很均勻，不待水滴炸裂、凝聚和脫離就已經(jīng)完全蒸發(fā)了，實現(xiàn)均勻冷卻，也就是控制韋伯準數(shù)小于 30。如水滴顆粒度大與鑄坯表面處于脆性區(qū)溫度兩條件同時存在，就會因“干”壁型效應造成冷卻不均，產(chǎn)生鑄坯表面龜裂，且無方向性。

噴嘴堵塞的解決技術

水垢是指硬水軟化所析出的碳酸鈣，反應條件是受熱 40℃ 以上。如果采取裸露式噴淋環(huán)，如圖4，噴淋環(huán)直接受鑄坯炙烤。由于大規(guī)格園坯的比水量低，噴淋環(huán)中水的滯留時間相對較長，水溫較高，造成多爐連澆后，噴嘴易被白色塊狀碳酸鈣堵塞。

為了降低噴淋環(huán)溫度，抑制碳酸鈣的析出，設計了噴淋環(huán)隔熱結構，如圖5，噴淋環(huán)安裝在隔熱盒內(nèi)部，有效降低了水溫，能夠避免碳酸鈣堵塞噴嘴。

噴嘴連接漏水的解決技術

圖3 氣水霧化噴射冷卻均勻性控制

圖4 裸露式噴淋環(huán)照片

圖5 噴淋環(huán)安裝在隔熱盒內(nèi)部照

傳統(tǒng)的方坯、園坯氣水霧化噴嘴采用板式連接，由于連接螺栓長時間受熱，連接強度會有所降低。噴頭與噴嘴底座的連接螺紋會因積垢而固化，當需要更換噴頭時，拆裝噴頭的扭矩會使螺栓變形，噴嘴常常出現(xiàn)滲水和漏氣現(xiàn)象，嚴重影響噴嘴霧化效果。為此，噴嘴底座可與噴嘴連接板集成在一起，變成焊接式噴嘴結構，噴頭仍采用螺紋連接，便于拆裝的內(nèi)部結構使得更換、清洗噴嘴更方便快捷。