连铸喷嘴设计与堵塞解决办法

到目前为止我国拥有圆坯连铸机86台，连铸圆坯可以直接穿孔轧制钢管、锻制轮毂、齿轮等。扇形段二次冷却水是通过喷射到铸坯表面使水升温，部分蒸发，传递出大部分钢水降温、完全凝固和铸坯表面降温至矫直温度释放的热量，圆坯连铸二次冷却喷嘴出现堵塞会对铸坯的质量产生很大影响，连铸喷嘴的设计和布置也是影响铸坯质量和拉速的重要因素。

一、连铸喷嘴堵塞问题解决

关于连铸喷嘴的堵塞问题，无论是水喷嘴，还时气水雾化喷嘴，都或轻或重存在堵塞问题。喷嘴一堵塞，通常首先想到的就是水处理不好。但事实上并非完全如此。依据多方面的分析和经验，可以采取分析喷嘴堵塞物的颗粒来依次确定喷嘴堵塞的原因，寻求恰当的解决办法：
1.堵塞物颗粒较大，超过喷嘴的畅通孔，那么毫无疑问是水过滤有问题。解决办法包括：

a.更换损坏的过滤网

b.增加过滤级数，有的喷嘴本身就带过滤器

c.选用不同雾化结构的喷嘴：
☆ 比如选用气水雾化喷嘴，在相同压力、流量的条件下，畅通孔是水喷嘴的几倍，乃至几十倍。
☆ 同是气体雾化喷嘴，雾化结构也不同，有的喷嘴雾化膨胀室是空的就不易堵塞，而有的却有内芯。
☆ 同是水喷嘴，有采用无叶片的，更多是采用叶片芯雾化，便容易堵塞。
2．如果堵塞物颗粒很细，远小于喷嘴的畅通孔，则堵塞的原因通常就是粘结堵塞。这类堵塞与水质有关，关系更大的是喷嘴材料的磨损。有下列三点足以证明：
1)某厂将堵塞的喷嘴放到酸溶液中浸泡后清洗，可再用—次。再堵塞后喷嘴变大就不能再用。
2)某厂曾将堵塞物进行过分析：50％为氧化铁，其余为氧化钙、氧化硅等。当喷嘴内表面磨损严重变得粗糙时，这些悬浮在浊水中的非金属氧化物在拉尾坯或换中包停水的几分钟内就会像涂料、水泥—样，随积水的蒸发粘结到喷嘴内壁。如果喷嘴内表面足够光滑再喷水时会冲掉。否则就会积累。
3）还有一钢厂的气雾喷嘴，在喷嘴设计参数和使用条件完全相同的条件下，不同制造厂、不同材料的喷嘴，有的不到一个月就堵塞严重，有的3—4个月不堵塞。

喷嘴内表面是否耐磨影响因素很多，一般认为与材料的微量元素、热处理和 加工工艺有关，还难以定量分析。从使用角度看，较简单的方法就是选择耐磨寿命长的喷嘴。在特定的使用条件下，定期检测的性能参数比如流量、喷射角和喷水分布的变化，通常在三个月至半年即可查清喷嘴的磨损寿命。选择耐磨寿命长的喷嘴不仅可以降低成本，还大大减少生产事故、废次品和维修量。

二、连铸喷嘴设计

影响连铸喷嘴的参数包括喷射角、流量、喷水分布、打击力、喷雾颗粒和速度分布、磨损寿命等，在现代化的喷嘴检测试验室可以对这些性能参数进行全面和精密的测试，从而确保喷嘴的性能参数精确控制在设计允许的偏差范围内且喷嘴的使用性能也能满足特定条件的要求，比如耐磨损、耐高温、耐腐蚀等。
现在我们以450mm圆特殊钢圆坯连铸机为例，设计喷嘴的喷雾特性见表1、2。

表1　

 

项目				数据
水压//kpa	100	200	300	400	500	700	1000
流量/（l.min-1）	1.8	2.6	3.2	3.6	4.1	4.8	5.8
水压/kpa	150	300	600	1400
喷流角度/(0)	45	50	55	60

表2

 

项目				数据
水压/kpa	100	200	300	400	500	700	1000
流量/（l.min-1）	1.4	1.9	2.4	2.7	3.1	3.6	4.3
水压/kpa	150	300	600	1400
喷流角度/(0)	86	95	101	106

数据回归后得到喷嘴的水流量与水压的关系如下：

TPU5008：y=1.8159x0.5034

H-1/4-VV-9506：y=1·3831x0·4922

式中：x为水压；y为水流量。

喷嘴的喷射角度与水压的关系：

TPU5008：y=6·7447lnx+42·493

H-1/4-VV-9506：y=8·8524lnx+83·865

式中：x为水压；y为喷射角度。

扇形段：与方坯连铸类似，圆坯连铸扇形段也选用实心锥形气雾喷嘴，喷嘴的喷雾特性见表3、4

表3

 

项目			数据
水压/kpa	100	200	300	400	500
水流量/(l.min-1)	0.40	0.90	1.25	1.51	1.75
气流量/(m3.h-1)	13.20	13.00	12/60	12.20	12.00
水流量/(l.min-1)	0.62	1.08	1.40	1.64	1.86
气流量/(m3.h-1)	9.00	8.50	8.10	7.60	7.50

表4　

 

项目			数据
水压/kpa	100	200	300	400	500
水流量/(l.min-1)	0.48	1.29	1.97	2.49	3.02
气流量/(m3.h-1)	15.60	14.40	13.60	12.70	11.90
水流量/(l.min-1)	0.89	1.65	2.15	2.80	3.21
气流量/(m3.h-1)	10.50	8.90	7.80	7.00	6.30

数据回归后得到喷嘴的水流量与水压的关系：

D40206-04900-70400-BRSS
气压：150kPa，
y=0.01x3-0.13x2+0.78x-0.04；

气压：250kPa，

y=0.0108x3-0.1411x2+0.8481x-0·318。

D40206-04900-90480-BRSS

气压：150kPa，

y=0·0017x3-0·0543x2+0·854x+0·1；

气压：250kPa，

y=0·0117x3-0·1564x2+1·2119x-0·59。

式中：x为水压；y为水流量。

喷嘴的气流量与水压的关系：

D40206-04900-70400-BRSS

气压：150kPa，

y=0·025x3-0·175x2-0·1x+9·24；

气压：250kPa，

y=0·0333x3-0·3x2+0·4667x+13；

D40206-04900-90480-BRSS

气压：150kPa，

y=-0·0333x3+0·45x2-2·7167x+12·8；

气压：250kPa，

y=-0·025x3+0·275x2-1·8x+17·14。

式中：x为水压；y为气流量。隙小，通常选用扇形水，喷嘴的喷雾特性见表1、2。喷嘴的喷射角度随水压的变化。D40206-04900-70400-BRSS喷嘴在200kPa，喷25条件下，水压120kPa，覆盖宽度210mm；水压200kPa，覆盖宽度280mm；水压300~500kPa，覆盖宽度350mm。D40206-04900-90480-BRSS喷嘴在200kPa，喷射高度250mm条件下，水压120kPa，覆盖宽度400mm；水压200~500kPa，覆盖宽度500mm。

三、连铸喷嘴布置

圆形连铸坯在二次冷却段，四个方向有夹辊，喷射到圆坯表面的冷却水，只有一部分受热蒸发，其余部分有的直接掉下，有的沿着铸坯表面流到夹辊，再离开铸坯表面。

喷嘴的布置一般采用六个或四个，具体的数量根据圆坯的半径与喷嘴的喷射角度确定，将整个圆坯全部覆盖，保持一定的喷水分布重叠。

450mm圆坯四周喷嘴的布置

喷嘴喷射角度：90°。布置4个喷嘴，喷嘴距离铸坯的表面高度：144mm；布置8个喷嘴，喷嘴距铸坯的表面高度：117mm。喷嘴喷射角度：70°。布置4个喷嘴，喷嘴距离铸坯的表面高度：277mm；布置8个喷嘴，喷嘴距离铸坯的表面高度：240mm。

圆坯四周四个喷嘴布置方式，为了方便喷嘴的布置与安装，喷嘴的喷淋配管与夹辊轴线垂直，喷嘴的中心线位于夹辊的中心线。从传热学的角度分析，并不是最佳的布置模式，扭转45°角为最佳的模式，可以有效地补偿冷却水在圆坯表面流动与夹辊热传导进行的换热圆坯四周六个喷嘴布置方式，上下喷嘴的中心线位于夹辊的中心线，左右两侧喷嘴的中心线与左右夹辊的中心线构成的曲面呈30°角。从传热学的角度分析，整体扭转30°角会更好些。

喷嘴的选型与布置不当，两喷嘴之间出现无水覆盖区，会造成该区域内的铸坯二次冷却不均匀，生成的铸坯壳较薄，强度较低，在热应力的作用下，容易开裂，造成铸坯表面开裂和皮下裂纹的缺陷。可以通过改进喷嘴的喷雾性能与喷嘴布置，喷嘴的喷雾效果与铸坯的冷却均匀度得到改进，消除皮下裂纹和铸坯外裂。原选用60°喷射角，后改为70°喷射角，喷嘴的布置个数由4个改为6个[1]。

喷嘴在连铸工作过程中，喷孔由于受到磨损变大，表面结垢，喷射水量变大或变小，喷雾性状与分布发生改变，对铸坯的表面冷却造成极大影响，温度分布严重的不均匀。线上可以通过观察孔观察铸坯的表面判断喷嘴的工作状况，喷嘴喷雾不好，就会造成铸坯冷却不好，反应到铸坯，表面就会出现有的部位发亮，有的部位发黑；还可以通过观察恒压下喷嘴的流量，流量大，喷嘴孔径变大，或恒流量下喷嘴的压力，压力变大，喷嘴堵塞，进行判断。可以通过采用集水槽，秒表，量角仪进行测量喷嘴的喷雾特性，用中性水软于喷嘴材质的材料清洗喷嘴的内腔与通道，保证喷嘴的特性发生最小的变化。

四、连铸喷嘴改进措施

根据上述扇形段整体有限元分析，该扇形段的整体强度和刚度满足使用要求，而局部有几处薄弱环节，提出如下改进措施。

1)扇形段框架辊子轴承底座加筋板，同时在辊子两侧的筋板与扇形段框架立板连通。

2)扇形段辊缝调节连杆螺纹连接处将螺纹的退刀槽加宽，同时增大过渡圆角。

通过以上改进措施，使薄弱处的强度得到改善再次通过有限元分析，满足强度要求。

五、结语

通过对扇形段的强度和刚度分析，并考虑在生产过程中温度对扇形段变形的影响，了解扇形段的应力和应变分布情况，为扇形段的最终设计提供重要依据，扇形段的变形量与实际测试结果相符。最终设计的扇形段在柳钢6号板坯连铸机上进行实际运用，取得了满意的效果。这种结构型式的扇形段在后续设计的多台板坯连铸机中得到了推广。

实际运行经验表面，圆坯在最小拉坯速度时水喷嘴的水压控制在150kPa，气雾喷嘴的气压控制在200kPa、水压控制在120kPa为佳。圆坯连铸喷嘴设计时需要充分考虑喷嘴的特性，布置时考虑喷嘴工作水压下的喷雾覆盖与重叠，尽可能保证圆坯四周均匀地热传导，冷却，减少圆周断面上的温差，热应力。

连铸的水流量与喷射角度受到水压与气压的影响，水压高时，水流量增大，喷射角度增大，热传导系数增大，因此喷嘴的选型和布置仅依据样本标定参数选择确定远远不能满足工艺要求，对于圆坯连铸因为主要生产高档次的产品尤其如此，需在计算机仿真模拟的基础上，必须通过试验室冷态测试；重要用途铸机还需进行热态传热测定，还需要通过连铸运行中喷嘴的良好维护，保证铸机的产品品种.质量和产量。