薄帶鑄軋氣霧冷卻裝置水氣壓配比研究

周西康 李曉杰 劉國勇 王 彬 宋則進 張薇

(1:中冶京誠工程技術(shù)有限公司軋鋼與金屬加工工程技術(shù)所 北京100176；2:北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院 北京100083)

1 前言

隨著減量化制造及節(jié)約型生產(chǎn)的大趨勢，鑄軋一體化技術(shù)日漸成為國外熱軋板帶生產(chǎn)的主流。而在我國環(huán)保形勢嚴峻、板帶產(chǎn)品過剩的背景下，薄帶鑄軋這種近終型生產(chǎn)工藝，由于其高節(jié)能低排放的優(yōu)點，也必將引領(lǐng)未來熱軋帶鋼的生產(chǎn)方向。目前該技術(shù)被列為鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整與振興規(guī)劃前沿技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)專項，隨著產(chǎn)能的不斷提高，將逐步部分替代連鑄連軋或常規(guī)熱連軋的薄板產(chǎn)品[1]。保證產(chǎn)品性能的重要工序是軋后冷卻，由于鑄軋產(chǎn)品規(guī)格很薄，部分帶鋼厚度可達0.7～0.8mm，如采用常規(guī)層流冷卻及射流冷卻技術(shù)，會使極薄帶鋼冷卻不均并出現(xiàn)局部相變強化作用，以致失去產(chǎn)品的沖壓性能。因此目前國內(nèi)外鑄軋生產(chǎn)線機組，在軋后均布置了氣霧冷卻裝置[2]。氣霧冷卻技術(shù)具有表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高、冷卻時間短、冷卻均勻等優(yōu)點，且可以實現(xiàn)均勻可調(diào)的冷卻效果。但氣霧冷卻技術(shù)傳熱機理復(fù)雜，冷卻介質(zhì)為水與氣的混合，不是單一介質(zhì)，不同的水壓和氣壓設(shè)定將影響冷卻介質(zhì)與帶鋼之間的換熱系數(shù)。因此，如何設(shè)定最佳的水壓、氣壓，保證在較低的水壓氣壓下獲得較好的冷卻效果，成為了氣霧冷卻生產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)定的關(guān)鍵。

梅國暉等從連鑄噴霧冷卻強度的控制因素入手,建立了冷卻強度與水流密度、沖擊速度、霧滴尺寸間的關(guān)系式[3]。本文通過對自制扇形氣水霧化噴嘴在不同氣水壓力比條件下進行實驗，得出了噴嘴的最佳噴霧氣水壓力比在1.5～2.0、質(zhì)量流量比在1.5～3.0的范圍之內(nèi)，噴嘴噴霧效果最好[4]。路建嶺等通過4個工況的試驗分析了氣水比和截面風(fēng)速對噴霧冷卻塔冷卻效率的影響，試驗結(jié)果表明：氣水比從1.04增加到1.31，冷卻效率隨之從39.0%增加到54.5%[5]。李德睿等采用FLUENT DPM模型模擬了不同壓力實心錐噴霧換熱情況，發(fā)現(xiàn)隨壓力增大，噴霧冷卻的換熱系數(shù)增加，壁面溫度降低[6]。Wen-Long Cheng等指出最優(yōu)噴嘴高度并不是噴霧完全覆蓋被加熱表面的時候而是工質(zhì)利用率最高時。在他們的實驗中最優(yōu)噴嘴高度為4.3mm，被加熱表面覆蓋率為12%[7]。Wong TN等釆用閉式循環(huán)氣助式四噴嘴噴霧系統(tǒng)冷卻電子芯片，結(jié)果表明換熱能力和加熱面溫度均勻性都隨流量的增加而提高[8]。Panao等研究了間歇式多噴嘴噴霧冷卻，得到了不同條件下的加熱表面熱流密度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化情況，表明三噴嘴冷卻效果最好[9-10]。Sarkar等建立了噴霧冷卻的三維模型，采用 Level Set和多重網(wǎng)格共軛梯度法模擬了液滴撞擊薄液膜和不同過熱度表面的換熱情況[11]。

本文通過對氣霧冷卻噴嘴的冷、熱態(tài)性能實驗，對計算結(jié)果進行了分析，提出了水壓、氣壓比對換熱系數(shù)的影響趨勢以及最優(yōu)的水氣壓比，對生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)試具有指導(dǎo)意義。

2 換熱系數(shù)計算方法

對于軋后帶鋼氣霧冷卻換熱系數(shù)的研究是一個復(fù)雜的問題，由于影響帶鋼冷卻過程中影響換熱系數(shù)的因素眾多，目前計算換熱系數(shù)的主要方法是反傳熱法。即利用熱電偶獲取試樣鋼板在冷卻過程中沿寬度方向上各點的實測溫度值，利用導(dǎo)熱反問題手段逆向反算研究鋼板表面換熱系數(shù)值，獲得符合實際條件的換熱系數(shù)。

試驗采用熱模擬裝置測定氣霧水滴與高溫鋼板表面的傳熱系數(shù)。非穩(wěn)定態(tài)法，即被測試試樣首先加熱到要求的溫度，然后在選定的位置進行噴射冷卻。噴射氣霧連續(xù)噴射鋼板表面，使其表面溫度降低，并形成一定的內(nèi)外溫度梯度，對鋼板而言，沿鋼板厚度方向具有最大溫度梯度而成為內(nèi)部熱量導(dǎo)出的主要方向。在試驗中將模擬板帶傳熱近似簡化為一維導(dǎo)熱，測定噴嘴霧滴與鋼板表面之間的傳熱系數(shù)。根據(jù)測定鋼板不同時刻的溫度結(jié)果，通過一維導(dǎo)熱差分計算就可算出各個表面溫度下熱傳遞率(傳熱量)的瞬時值，相應(yīng)就得到噴嘴一定水量和氣量下霧滴與鋼板表面的傳熱系數(shù)。非穩(wěn)態(tài)且有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程為：

式中k-導(dǎo)熱系數(shù);

a-導(dǎo)溫系數(shù);

q-熱流密度。

計算步驟是先給定鋼板表面的初估熱流密度值，用有限差分法計算下一個時間步長的溫度場，同時采用反傳熱法求出試樣鋼板表面換熱系數(shù)；求出計算溫度和實驗測得溫度的差值，然后用線性插值的方法求出表面熱流密度的修正值，用修正后的熱流密度重新計算溫度場，同時修正換熱系數(shù)；再經(jīng)反復(fù)計算，直到溫度的計算值和實測值的誤差達到一定得精度，最終獲得逼近實測的換熱系數(shù)。計算流程圖如圖1。

3 實驗過程

實驗系統(tǒng)分為三部分：氣霧噴嘴系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，如圖2。本實驗采用材料Q345厚度10mm的試樣鋼板，從1000℃冷卻至300℃，來模擬帶鋼氣霧冷卻過程中的各類工況。

圖1 反傳熱計算流程圖

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖

圖3 熱電偶布置圖

圖3為熱電偶布置實物。鋼板底部打平底盲孔，為8mm、5mm兩種深度，每個測點長度方向間隔20mm。用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得各熱電偶處的溫度，將獲得溫度值帶入反傳熱計算程序，獲得試樣各測試點的氣霧冷卻表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

4 水氣壓配比結(jié)果分析

噴嘴條件：高度250mm，噴嘴間距260mm，分別設(shè)定鋼板溫度900℃、600℃、300℃，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，氣壓為1 bar -4bar，水壓為3bar-8bar，考察不同的水氣壓配比對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響，如圖4-圖6所示。

通過不同鋼板溫度下、不同水氣壓配比可以看出在900℃下，當水氣壓配比為2即氣壓為4bar，水壓為8bar時，鋼板表面的傳熱系數(shù)最大；水氣壓配比為2.6時，鋼板表面的傳熱系數(shù)次之。當水氣壓配比為1.5以及8時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最小。即當氣壓為2bar，水壓為3bar及氣壓為1bar，水壓為8bar時，水氣壓配比對鋼板表面的傳熱系數(shù)影響較小；通過比較鋼板在600℃以及300℃下的換熱系數(shù)大小仍然可以看出，當水氣壓配比為2時，鋼板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，而水氣壓配比為1.5和8時，鋼板的換熱系數(shù)最小。通過圖4(b)、圖5(b)及圖6(b)可以看出測溫點0和2處當水氣壓配比為2時，換熱系數(shù)都為最大，鋼板的冷卻效果最好。

(a)900℃下水氣壓配比對換熱系數(shù)的影響 (b)水氣壓配比及位置與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系圖4 鋼板溫度為900℃下不同水氣壓配比對表面換熱系數(shù)的影響

5 現(xiàn)場工藝驗證

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，鋼帶平均厚度1.2mm，終軋溫度871℃，根據(jù)試驗計算得到的不同水氣壓下的換熱系數(shù)大小，計算不同水氣壓下，鋼板經(jīng)過氣霧冷卻后芯部以及表面的溫度，同時對不同水氣壓配比下鋼板芯部溫度進行比較得出溫度變化的趨勢。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，氣壓為1 bar -4bar，水壓為3bar-8bar，考察不同的水氣壓配比鋼板芯部溫度影響的變化趨勢，圖7為氣壓3bar水壓8bar下鋼板表面與芯部的冷卻溫度隨時間變化情況。

(a)600℃下水氣壓配比對換熱系數(shù)的影響 (b)水氣壓配比及位置與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系圖5 鋼板溫度為600℃不同水氣壓配比對表面換熱系數(shù)的影響

(a)300℃下水氣比對換熱系數(shù)的影響 (b)水氣壓配比及位置與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系圖6 鋼板溫度為300℃不同水氣壓配比對表面換熱系數(shù)的影響

圖7 氣壓3bar水壓8bar下帶鋼溫度變化圖

圖8 不同水氣壓配比對鋼板芯部溫度的影響

通過分析不同水氣壓配比對鋼板芯部溫度的影響，得出水氣壓配比對鋼板芯部的影響趨勢，由圖8可以看出在水氣壓范圍分別為3bar-8bar、1bar -4bar 時，當氣、水壓力分別為4bar和8bar時，即此種情況下水氣壓配比為2時，鋼板芯部溫度最低，即鋼板表面換熱系數(shù)最大,同時可以看出當水氣壓配比為2.6(氣、水壓力分別為3bar和8bar)時，鋼板芯部溫度也較低，說明氣壓、水壓越大，換熱特性越強，同時也說明水的壓力值對換熱特性的影響效果更明顯，通過表1可以看出當水氣壓配比為2(氣、水壓力分別為4bar和8bar)的情況下，該配比對鋼板芯部的溫度影響最大，冷卻效果最好，鋼板芯部溫度為442.215℃。

表1 不同水氣壓配比下的鋼板芯部溫度

6 結(jié)論

1)當水氣壓配比為2，即在氣壓為4bar、水壓為8bar時，鋼板的氣霧冷卻效果最好，表面換熱系數(shù)最大。

2)當水氣壓配比為1.5和8時，鋼板的氣霧冷卻效果較差，表面換熱系數(shù)最小。

3)當水氣壓配比為2(即氣水壓力為4bar-8bar)的情況下，該配比對鋼板芯部的溫度影響最大，冷卻效果最好，鋼板芯部溫度為442.215℃。

4)通過對鋼板表面及芯部溫度的比較可以得出：水氣壓配比為2(氣壓為4bar、水壓為8bar)，對鋼板表面及芯部的冷卻效果都是最佳的，這是因為在氣壓4bar、水壓8bar的條件下，水流速度最高，對鋼板的沖擊最大，水流與鋼板之間的換熱特性最強。所以在實際生產(chǎn)過程中，水氣壓配比為2(氣壓為4bar、水壓為8bar)是值得推薦的。