小方坯連鑄高效化改造中噴嘴冷態(tài)性能測(cè)試評(píng)估

郭 鵬

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)股份有限公司 河南安陽(yáng)455004)

小方坯連鑄高效化改造中噴嘴冷態(tài)性能測(cè)試評(píng)估

郭 鵬①

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)股份有限公司 河南安陽(yáng)455004)

針對(duì)某鋼廠小方坯高效化改造所選用的兩種型號(hào)噴嘴進(jìn)行了冷態(tài)性能測(cè)試評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種型號(hào)噴嘴徑向和周向水流密度分布均勻，霧化效果較好。驗(yàn)證了改造前所采用的兩種型號(hào)噴嘴選型能夠達(dá)到高效連鑄的工況需求；改造后鑄坯質(zhì)量得以大幅度提高，說(shuō)明高效化改造所帶來(lái)的質(zhì)量效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

噴嘴 冷態(tài)性能 高效連鑄

1 前言

近年來(lái)，連鑄技術(shù)的迅猛發(fā)展使我國(guó)的連鑄比躍居世界首位。然而，很多鋼企普遍存在生產(chǎn)效率低、原料與能源消費(fèi)高、澆鑄鋼種少且質(zhì)量水平低等問(wèn)題，為求生存謀發(fā)展，必須從提高生產(chǎn)能力和管理水平、降低能源消耗和生產(chǎn)成本、改善鑄坯質(zhì)量以及針對(duì)市場(chǎng)需求增加品種鋼的開(kāi)發(fā)等方面著手，結(jié)合自身實(shí)際對(duì)現(xiàn)有連鑄機(jī)進(jìn)行適用的高效化改造[1-3]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼廠2#小方坯(斷面120mm×120mm)連鑄機(jī)爐機(jī)不匹配、二冷噴淋段過(guò)短而不能滿足高效連鑄要求的現(xiàn)實(shí)，為解決提拉速(由原來(lái)的2.1m/min～2.5m/min提高到3.2m/min～3.5m/min)的同時(shí)，降低鑄坯內(nèi)外部缺陷發(fā)生率，尤其對(duì)其高效化改造中所選用的兩種型號(hào)噴嘴(Ⅰ型與Ⅱ型)進(jìn)行了冷態(tài)性能測(cè)試評(píng)估，經(jīng)回歸分析，得到了兩種噴嘴相應(yīng)的冷態(tài)性能評(píng)估數(shù)據(jù)，為其投用生產(chǎn)提供了可靠性數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)，根據(jù)投用前后鑄坯質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果，表明該型號(hào)噴嘴能夠適應(yīng)高效連鑄的生產(chǎn)實(shí)踐。

2 二冷噴嘴型號(hào)

對(duì)高效連鑄而言，所選用的噴嘴的最大流量與最小流量間的比值應(yīng)適當(dāng)大一些較好。同時(shí)，由于高效連鑄拉坯速度的變化范圍也比較大，而且二冷水量大小要隨拉速變化而改變，這要求噴嘴在保證噴淋霧化均勻的前提下，其相應(yīng)的適用流量的變化范圍較大，以確保二冷水的可調(diào)范圍足夠大。

該鋼廠高效化改造所選用的兩種型號(hào)的實(shí)心錐形水噴嘴的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 二冷噴嘴型號(hào)與布置

上述Ⅰ型與Ⅱ型噴嘴結(jié)構(gòu)上有如下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

1)屬于實(shí)心錐形水噴嘴。對(duì)于小方坯而言，該型號(hào)噴嘴具有工藝適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)被廣泛采用。

2)噴嘴材質(zhì)采用了黃銅/不銹鋼匹配結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了其熱態(tài)適應(yīng)性。

3)該型號(hào)噴嘴的流量特性更能適應(yīng)高效連鑄的澆注特點(diǎn)。

4)該型號(hào)噴嘴設(shè)計(jì)中考慮了霧化器的設(shè)置，并保證其機(jī)加工精度。其中，霧化器內(nèi)腔及噴頭內(nèi)腔共同構(gòu)成了短管式的霧化腔，起到了混合、引導(dǎo)和積壓的綜合作用。

3 噴嘴的冷態(tài)性能測(cè)試

3.1 測(cè)試內(nèi)容與測(cè)試方法

噴嘴冷態(tài)性能測(cè)試內(nèi)容主要包括以下4個(gè)方面：

1)噴嘴壓力與流量間的關(guān)系。

2)噴嘴的噴射角。

3)噴嘴平均水流密度與壓力間的關(guān)系。

4)噴嘴噴淋水的霧化均勻性。

3.2 測(cè)試方法與步驟

1)連通管路，并確保管路的密封性，尤其是水管與噴嘴以及水管與膠管間的密封性。

2)調(diào)整支撐臺(tái)架，使噴嘴中心與試管支架中心對(duì)中，同時(shí)，按照實(shí)際噴嘴距離鑄坯表面的距離調(diào)節(jié)噴嘴位置。

3)實(shí)驗(yàn)噴水之前，先將試管口遮住，然后開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備，恒定水壓在實(shí)驗(yàn)值時(shí)，迅速開(kāi)啟試管口，并同時(shí)計(jì)時(shí)，經(jīng)一定時(shí)長(zhǎng)后，迅速遮住噴嘴口并將試管架移出，最后對(duì)試管水量進(jìn)行逐個(gè)讀數(shù)，從而確定噴嘴的霧化均勻性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)壓力測(cè)定3組數(shù)據(jù)并取其均值。

4)在移開(kāi)試管架后，重新調(diào)整噴嘴高度，使之與地面之間的距離滿足實(shí)驗(yàn)要求，再次開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備，調(diào)節(jié)壓力并使之逐漸降低，在各個(gè)壓力下對(duì)流量計(jì)進(jìn)行讀數(shù)并測(cè)量噴嘴的噴水圓直徑，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出流量與壓力間的關(guān)系式以及噴嘴的噴射角度。

3.2 噴嘴壓力與流量間的關(guān)系

高效連鑄條件下，拉速變化范圍較大，相應(yīng)二冷比水量也會(huì)在較大范圍進(jìn)行適應(yīng)性改變，這就使得噴嘴實(shí)際服役的最大水量與最小水量的比值應(yīng)該在較大的范圍。

對(duì)該廠改造時(shí)所選用的兩種類型噴嘴的噴水壓力與流量間的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 兩種型號(hào)噴嘴壓力與流量間的關(guān)系

經(jīng)SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件回歸處理，符合二次曲線的變化特征，擬合程度較高：

Ⅰ型：Q=3.060+14.205P-6.543P2(R=1.000；R2=0.999，調(diào)整R2=0.999；估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤為0.051，說(shuō)明擬合度較高)。

Ⅱ型：Q=8.422+0.511P+22.455P2(R=0.995；R2=0.990，調(diào)整R2=0.984；估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤為0.295，說(shuō)明擬合度相對(duì)較高)。

式中Q—噴嘴流量，L/min；P—噴淋壓力，MPa。

3.3 噴嘴的噴射角

噴嘴出口距離鑄坯表面一定距離的條件下，噴嘴的噴射角度決定了噴射面積及其有效噴淋系數(shù)。噴射角度測(cè)定示意圖如圖1。

兩種型號(hào)噴嘴測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖1 噴射角測(cè)定示意圖

h-有效噴射距離，mm；d-噴射圓直徑，mm；α-噴射角度，°

表3 噴嘴測(cè)試數(shù)據(jù)

由表3數(shù)據(jù)可以看出：

1)兩種型號(hào)噴嘴的噴射角度存在一定差異。

2)根據(jù)“壓力—流量”測(cè)試多組測(cè)試條件的測(cè)試數(shù)據(jù)，兩種型號(hào)噴嘴的噴射角度與噴淋壓力及流量之間沒(méi)有太大的聯(lián)系，說(shuō)明噴嘴噴射角不受噴淋壓力或流量的影響。這一點(diǎn)也是符合工況條件下噴嘴特性的。

3.4 噴嘴的平均水流密度與壓力間的關(guān)系

投用前的兩種型號(hào)噴嘴的平均水流密度與壓力間的關(guān)系(有效噴淋距離93mm條件下)的測(cè)試結(jié)果如表4。

表4 兩種型號(hào)噴嘴平均水流密度與壓力間的關(guān)系

根據(jù)表4的測(cè)試數(shù)據(jù)，同樣采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)其進(jìn)行了二次曲線回歸，獲得了兩種型號(hào)噴嘴平均水流密度與壓力間的曲線關(guān)系(兩條曲線同樣符合二次曲線的變化特征，擬合程度較高)：

Ⅰ型：W=3.023+12.753P-5.219P2(R=1.000；R2=0.999，調(diào)整R2=0.999；估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤為0.053，說(shuō)明擬合度較高)。

Ⅱ型：W=5.003+4.924P+5.184P2(R=0.999；R2=0.998，調(diào)整R2=0.997；估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤為0.072，說(shuō)明擬合度較高)。

式中W—噴嘴流量,L·m-2·s-1；P—噴淋壓力，MPa。

3.5 噴淋水的霧化均勻性

水噴嘴噴淋的霧化均勻性對(duì)鑄坯的均勻冷卻進(jìn)而對(duì)鑄坯質(zhì)量極為重要。

對(duì)錐形噴嘴而言，其霧化均勻性包含兩個(gè)方面，一是噴淋水流量在圓周上的分布均勻性，二是噴淋水流量在半徑方向上的分布均勻性。

不同壓力條件下，在有效噴淋高度為93mm、測(cè)試壓力0.40MPa和0.28MPa的情況下，測(cè)試了半徑方向上和圓周方向上(一般取圓周半徑50mm處)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別如圖2、圖3和表5。

圖2 Ⅰ型噴嘴水流密度的徑向分布

圖3 Ⅱ型噴嘴水流密度的徑向分布

圓周角度水流密度(0.28MPa)/L·m2·s-1水流密度(0.40MPa)/L·m2·s-1Ⅰ型Ⅱ型Ⅰ型Ⅱ型05.1016.5235.8428.764π/25.0096.5325.8098.609π5.1006.5245.7838.6913π/25.0066.5615.8338.547

注：圓周上的分布指的是半徑50mm的圓周上

通過(guò)跟蹤實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及所測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看：

1)兩種型號(hào)噴嘴徑向水流密度分布曲線較好，霧化效果較好。

2)兩種型號(hào)噴嘴周向水流密度分布同樣比較均勻，這有利于確保鑄坯的冷卻均勻性。

3)改造前所采用的兩種型號(hào)噴嘴選型均能達(dá)到高效連鑄的工況需求。

3.6 管路鋪設(shè)中需要注意的問(wèn)題

裝上噴咀后豎管“減壓”現(xiàn)象有可能發(fā)生，造成這種現(xiàn)象產(chǎn)生的相關(guān)影響因素包括：拉速、配水參數(shù)、噴嘴堵塞等。如果出現(xiàn)上述情況可考慮從如下幾個(gè)方面進(jìn)行分析排查：

1)壓力不夠。如果管道(總管)壓力滿足要求，而一旦裝上噴嘴，管道壓力不變，而流量降低了，說(shuō)明問(wèn)題不在壓力方面。

2)噴嘴選型有可能相對(duì)較小。

3)濾網(wǎng)必須用。改造前有過(guò)這樣的實(shí)際情況發(fā)生：濾芯的濾網(wǎng)去掉后，噴咀經(jīng)常堵塞，說(shuō)明必須用濾網(wǎng)，但到噴咀前的管路積垢不嚴(yán)重，說(shuō)明水質(zhì)問(wèn)題是根本，因?yàn)檩^板坯連鑄而言，方坯連鑄對(duì)結(jié)晶器及二冷水質(zhì)更為敏感。

4)管徑不變的情況下，管路鋪設(shè)彎道過(guò)多，阻損過(guò)大，導(dǎo)致管路減壓?？煽紤]“適當(dāng)加大管徑”、“圓角拐接方式”重新鋪設(shè)管路。

4 鑄坯質(zhì)量改善效果

小方坯高效化改造后，進(jìn)行了熱試車，以HRB400

為例，改造前該鋼種該斷面鑄坯低倍評(píng)級(jí)中經(jīng)常有縮孔等級(jí)超過(guò)3.5級(jí)、中心疏松超過(guò)3.0級(jí)、V型偏析超過(guò)3.0級(jí)的情況發(fā)生。改造后該鋼種該斷面鑄坯低倍評(píng)級(jí)中上述指標(biāo)分別降低到了<2.0級(jí)、<1.5級(jí)、<2.0級(jí)的水平。同時(shí)，接單量也遠(yuǎn)大于改造前的水平，說(shuō)明高效化改造所帶來(lái)的質(zhì)量效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

5 結(jié)論

連鑄的高效化改造是一個(gè)系統(tǒng)工程，而二冷的合理化改造又是其中一項(xiàng)極為重要的一部分，此次改造所涉及的噴嘴選型評(píng)估實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出如下結(jié)論：

1)兩種型號(hào)噴嘴徑向和周向水流密度分布曲線較好，霧化效果較好。驗(yàn)證了改造前所采用的兩種型號(hào)噴嘴選型能夠達(dá)到高效連鑄的工況需求。

2)改造后鑄坯質(zhì)量得以大幅度提高，說(shuō)明高效化改造所帶來(lái)的質(zhì)量效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

[1]唐恒國(guó)等.羅克普方坯連鑄機(jī)的高效化改造[J].連鑄，2000(2)：18-19.

[2]蔡開(kāi)科著.連鑄坯質(zhì)量控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010：260-269.

[3]羅永生等.小方坯連鑄機(jī)的高效化改造實(shí)踐[J].天津冶金,2000(4)：16-28.

Characters Testing and Evaluation of Nozzle in Normal Temperature During the High-efficiency Rebuilding for Billet Caster

Guo Peng

(Anyang Iron and Steel Group Co., Ltd. Anyang 455004)

Character testing and evaluation of two nozzle (Ⅰmodle and Ⅱ model) in normal temperature had been conducted during the high-efficiency rebuilding for billet in a certain steel mill. The results showed that the two modle nozzle had a unniform current density distribution, and had a better atomization effect, which could meet the need for the high-efficiency rebuilding. Meanwhile, the quality of the billet had been improved greatly, which accounted for the remarkable quality benefits and economic benefits brought by the transformation, and the desired goal had come true.

Nozzle Characters in normal temperature High-efficiency continuous casting

郭鵬，男，1978年出生，畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，機(jī)械工程師，長(zhǎng)期從事設(shè)備管理工作

TF777.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.009

2014-07-21)