连铸冷却喷嘴热流传感器的开发研究

发表时间：[2007-09-26]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：2282

摘要：为了研究连铸喷嘴的喷雾冷却状况及喷雾参数对喷雾冷却效果的影响，对特殊设计的热流传感器进行了试验研究来实时直接测量喷雾冷却过程中的热流。本试验研究对热流传感器进行了不断的试验完善，并获得了响应时间、冲击压力、喷雾压力、喷雾流量与热流等参数之间的关系。

关键词：热流，冲击压力，喷嘴喷雾，热流传感器

1 前言

　喷雾冷却是很多生产流程的重要工序，在钢铁行业的高温冷却过程中尤其重要。其重要的用途之一便是连铸过程的二次冷却，通过不同类型的喷雾喷嘴的冷却，将钢液凝固冷却成板坯和方坯。喷雾冷却的热流量是影响凝固速度、铸坯质量和生产率的一个十分重要的因素，是二次冷却过程的基本参数。

很多研究者对喷嘴的热流量进行了研究。其方法是首先将试样加热到高温，采用喷嘴进行喷雾冷却，在冷却过程中测量试样的温度梯度。试样内部的热流量可以通过温度梯度和传热系数来计算。在本文中，建立了特殊的试验装置来开发传感器直接测量热流量。试验结果表明热流量和冲击压力、喷雾水流量及其它因素之间相关性很强。通过这种热流传感器检测的热流，可以反映当前喷雾的喷嘴状况，是否存在一定程度的堵塞等问题。

2 试验装置

　设计了专门的试验装置来测量气雾喷嘴在一定冷却水和气供应条件下水流量与冲击压力、热流量的相互关系，如图1所示。试验装置由三部分组成：冷却水的供应和检测系统，雾化空气的供应和检测系统及用来检测一定喷雾条件下的喷雾特性如水流分布、冲击压力和冷却热流等的数据采集和处理系统。对喷雾水流分布，采用质量收集法来测量一定喷雾参数和喷雾距离条件下喷雾水量的分布。喷雾水流冲击压力的测量采用冲击压力传感器检测，检测结果输入到数据处理系统中，为了测量热流，设计了热流传感器来检测喷雾冷却过程中的热流，如图2所示。加热元件向热流传感器提供热量，并由加热控制器控制来保持热流传感器在同一温度。热流传感器的热量被喷雾冷却水带走。因此，由加热控制器提供的热流等于喷雾冷却所带走的热量。热流传感器的特性如表1所示：

表1 　热流传感器的特性参数

测量型式	热流量，温度
测量最大温度	150℃
加热型式	自加热
分辨率	2e-4W/cm²
暴露表面的直径	5mm
热流感应面的面积	0.7mm×0.7mm

　热流传感器的核心是一种热传感器，热感应灵敏度为0.5mv/(w/cm²)，热阻0.0008K/(w/m²)，响应时间0.9sec ，最大温度150℃。采用以上这些测试元件，喷雾流分布，冲击压力，不同喷雾流量条件下的热流均可以检测，喷雾冷却对热流的影响也可以定量确定下来。

图1 实验室试验装置示意图

图2 热流传感器结构示意图

3 试验结果和讨论

3.1 喷嘴喷雾特性

　气雾喷嘴具有冷却范围宽、冷却效率高的特点，被广泛地应用在连铸铸流的冷却过程。在本研究中，对应用于板坯冷却控制的LECHLER 148喷嘴进行了检测来评价其喷雾特性和传热特性。喷嘴的喷雾流量－压力特性见表2 所示：

表2 　Lechler 148 喷嘴的喷雾流量－压力特性

LECHLER148		在2bar空气压力下的水流量(1/min)和空气流量(Nm^3/hr)						材料
喷嘴型式		1bar Water		2bar Water		7bar Water		青铜
扁平/抛物线型	Min	0.50	9.00	1.60	18.00	4.00	16.50
扁平/抛物线型	max	0.95	70.00	8.50	50.00	28.00	28.00

　在水流压力2.5bar，空气压力2.0bar 时的喷嘴喷雾流分布状况如图3所示。结果表明，在喷雾流的中部，水流密度大而均匀，在喷雾流的边部迅速降低。随着水流量的增加，喷雾密度显著增加。喷雾流的中部区域是起冷却作用的主要区域，本研究对该区域的冲击压力和热流量进行了详细研究。

3.2 喷嘴喷雾的冲击特性

　在同样的喷雾参数下，采用冲击压力传感器测量喷雾的冲击压力，结果表明随喷雾水流密度的增加，冲击压力线性增加，该结果在过去的研究中进行了详细介绍，如图4(略)。结果表明，采用该冲击压力传感器其冲击压力与喷雾水流量之间具有很好的线性关系。

图3 喷雾喷嘴在喷射距离370mm时的喷雾流密度分布

　当喷雾水流密度(ø)在4.0～8.0kg/m².s之间，冲击压力(I.P)在0.0022～0.0063bar之间变化，线性关系表示如下：

　 I·P=1.07×10^-3Φ-1.79×10^-3

　线性关系的斜率为1.07×10^-3，该关系式在喷雾水流很弱，密度很小，雾化粒度和水滴冲击速度很低时不适用。

3.3 喷嘴冷却对传热的影响

　采用热流传感器来研究喷嘴喷雾冷却的传热特性。首先，在实验室研究中检验热流传感器的响应时间和稳定性。如图5所示，喷雾冷却开始并保持同样的喷雾参数，热流稳定增加并在几秒钟内达到稳定。

图5 热流传感器的响应时间和稳定性

　图5结果表明,在一定的喷雾冷却条件下热流十分稳定，这表明测量热流的试验系统稳定可靠，热流传感器的加热和喷雾冷却可同步反映，传感器迅速达到了热平衡状态。

　为了探讨喷雾水流量对热流传感器传热的影响，测量了喷嘴在不同喷雾水流密度分布状态下的热流量。结果如图6所示，随着喷雾水流密度的增加，冷却热流密度随之增加，两者之间表现出很好的线性关系。因此，采用热流密度检测的方法可以很好地反映喷嘴的水流密度分布情况。

图6 喷雾水流密度和热流量之间的关系

　喷雾水流密度与热流之间的关系经过回归表示为：

　 H·F=0.27Φ+5.78

　线性关系的斜率为0.27，随着喷雾水流密度的增加，热流量稳步增加。这足以表明喷嘴喷雾冷却的水流密度变化对传热热流的影响。

　对喷雾冷却喷嘴，其水流密度随距离喷雾中心的距离和喷嘴冷却水流量而变化（图3），热流量也随该距离和喷嘴冷却水流量而变化（图7略），距离和水流量的变化对热流的影响的规律相同。

3.4 热流传感器的应用

　由于热流与喷雾水流密度之间表现为良好的线性关系，水流密度与喷嘴的喷雾压力和流量有关，因此在连铸机的喷嘴喷雾状态检测过程中可以采用热流传感器来检测连铸机的喷雾冷却状况。如果喷雾喷嘴发生了堵塞或者喷雾方向不正确，采用热流传感器可以检测出来。

　热流及喷嘴喷雾与热态铸坯之间的冷却状况密切相关，因此采用热流传感器对热流和喷雾冷却参数之间进行进一步的详细研究，可以建立热流和喷嘴喷雾流量等参数之间的关系，从而将该传感器应用于实际过程检测与控制中。

4 结论

　 (1) 本研究建立了一种新的热流检测装置来研究反映喷嘴的喷雾特性。

　 (2) 冲击压力与喷嘴的喷雾水流密度之间存在很好的线性关系，采用冲击压力可以很好地表示喷嘴的喷雾冷却状况；

　 (3) 所研究开发的热流传感器与喷嘴的喷雾之间有良好的稳定性和很短的响应时间。

　 (4) 随着喷嘴喷雾水流密度的增加，热流量随之增加，而且二者之间为良好的线性关系。因此，检测热流可以用来反映喷嘴的喷雾状况，并用于喷雾冷却控制。