液压流体力学钢板冷却.docx

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液压流体力学钢板冷却

一.流体力学在钢板冷却中的应用

1.1热轧带钢的层流冷却

热轧带钢卷取温度控制系统通常称为CTC（CoilTemperatureControl），常采用U型管层流方式，层流就是使低水头的水从水箱或集水管中通过弯曲管的作用形成一无旋和无脉动的流层流冷却股，这种流股从外观上看如同透明的棒一样，液体质点无任何混杂现象。

这样的层流态的水从一定高度降落到钢板表面上会平稳地向四周流去，从而扩大了冷却水同板材的有效接触，大大提高了冷却效率。

层流冷却的特点是冷却设备的流量范围基本上是一定的。

　　层流冷却广泛应用于热轧板带生产线上，安放在热连轧机组的后方、卷取机的前方。

　　采用层状水流对热轧钢板或带钢进行的轧后在线控制冷却工艺。

将数个层流集管安装在精轧机输出辊道的上方，组成一条冷却带，钢板（带）热轧后通过冷却带进行加速冷却。

层流冷却系统控制的基本原理主要是根据原始数据输入，计算带钢终轧温度、目标卷取温度，设定带钢冷却所需的空冷段长度和水冷段的长度。

根据实测值调节冷却集管的开闭数量，调节水量和控制冷却温度精度。

其中，通过分析研究，计算层流冷却水量调节与带钢温降是建立带钢冷却系统控制模型的关键环节。

在精轧机后的输出辊道的上下布置喷水管，把由高位水箱供给的压力平稳的冷却水直接喷向轧件上下表面。

根据用户对产品组织与性能的要求和材料组织演变特点，确定冷却策略，利用数学模型来计算冷却集管的开关阀门组态，实现加速冷却。

在卷取机之前设有测温仪，根据实测温度与目标卷取温度的差值进行反馈控制，以提高卷取温度精度。

1.2中厚板的加速冷却

由于没有充分重视加速冷却的作用和设备条件等方面的原

因，中国的中厚板轧机曾经被讥讽为世界上最干旱的轧机。

近年

来情况有了很大的变化，随着各大中厚板厂建起了加速冷却系

统，使我国中厚板轧机生产高质量产品的能力有了大幅度提高。

与热轧带钢不同，中厚板的加速冷却系统除了有冷却水阀门的

开关控制外，还有流量调节和辊试速度调节，以满足对终冷温度

精度的要求。

1.3超快速冷却（UFC,UltraFastCooling）

新近开发成功的超快速冷却系统，满足了生产新钢种对控

冷的要求。

其要点是：

用带有压力的密布水流，喷射向冷却区域，

使其能够大面积地打破钢板与表面残水之间的汽膜，保证有更

多的新水与钢板表面直接接触，提高换热效率，实现短时间内大

幅度降温。

据介绍，这种超快速冷却装置的冷却速度最高可达

400℃/s，用在热轧带钢轧机精轧出口侧来生产TRIP钢或双相

钢，用在精轧入口侧来进行铁素体区轧制。

二.流体力学在轧钢生产除鳞技术中的应用

高压水除鳞技术现已广泛应用于热轧产品生产中，该技术是流体力学原理在钢铁企业轧制生产线应用的结果。

而新兴喷嘴的开发和研制以及对喷嘴喷射参数的调整可以明显提高除鳞效果。

在热轧过程中，充分地除鳞是保证热轧产品质量的重要困素。

喷嘴的结构和参数又决定了除鳞的效率、可靠性和经济性。

2.1喷嘴的工作原理

基于流体力学原理的高压水除鳞技术是以球为“工具”，将轧涮过程中钢板表面的氧化铁皮（或叫做”鳞片”）与钢板机体剥离，从而保证钢板产品的质量和性能。

其作用有：

破裂作用、冷却作用、蒸发作用和冲洗作用。

而喷嘴又是高压水除鳞技术中的关键部件．它由精密元件制造而成。

只有选择合理、先进的喷嘴，才能将高压水以一定的形状和流量及较高的速度喷射到灼热的钢坯表面，这样不仅可以使氧化铁皮爆裂分离，而且还可以把它们迅速地冲离轧制钢板的表面。

详细过程如下：

（1）利用高压水所具有的动能破坏氧化铁皮；

（2）高压水喷射灼热的钢板表面引起的急骤淬火，使氧化铁皮与金属机体分离；

（3）金属机体与氧化铁皮之间的水滴产生的爆炸性蒸发使氧化铁皮剥离；

（4）带有一定角度的高压水流将已脱离机体的氧比铁皮冲掉。

2.2喷嘴的重要设计参数

在确保安全操作的前提下，确保喷嘴的重要参数，是设计、制造喷嘴的关键环节喷嘴的主要参数如

下：

（1）喷射水流的分布；

（2）喷射压力在钢板表面上的分布；

（3）在宽度方向上的喷射角}

（4）在厚度方向上的喷射角；

（5）喷射水的流量。

现在，计算机测量技术已广泛应用于高压水除鳞技术中的喷嘴设计和精密控制领域，这一技术的应用．保证了喷嘴的上进参数能够控制在严格的公差范围内。

2.3水射流的工作原理

水射流技术的基本原理是利用液体增压原理，通过特定的装置（增压器或高压泵），将动力源（电动机）的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能，从而形成高速射流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的。

描述流体运动的基本方程有连续性方程和运动方程。

不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中的表达式为

.

在工程应用中，许多流动问题可近似看成一元流动（指流动参数仅在

一个方向上有显著的变化，而在其它两个方向上的变化非常微小，可忽

略不计）。

如在管道中流动的液体，其连续性方程可简写成:

式中A1，、A2一液体流过1、2两个有效截面的面积;V1，、v2一液体流过1、2两个有效截面的平均流速。

描述理想液体（既无粘性又不可压缩的假想液体）的运动方程是欧拉方程。

伯努利对欧拉方程沿某一流线积分得到了理想液体的伯努利方程。

而描述粘性流体运动的运动方程式是纳维一斯托克斯方程，简称N一S方程。

对不可压缩粘性流体的N一S方程，其在空间直角坐标系中的表达式为：

联合式（3.3）和式（3.5），原则上就可以求得不可压缩粘性流体流场的解。

但由于N一S方程中出现了速度的二阶导数，它的普通解在数学上还有困难，只对某些特殊情况使用方程得到充分简化，才能求出近似解。

与伯努利沿流线对欧拉方程积分类似，对N一S方程积分，将积分时式中遇到的粘性阻力项用h牛表示，考虑重力场中的恒定流动，最后可得到粘性不可压缩流体运动的伯努利方程，即

将上述沿流线的伯努利方程推广到沿总流上去，则可得到

上式中每项的单位为J/kg或N.m/kg，即单位质量的能量。

所以，p/p表示单位质量的压力能，v，/2表示单位质量的动能，92表示单位质量的位置势能，gh;表示运动中由摩擦阻力引起的单位质量的机械能变成热能而散逸的能量。

式中系数a（动能修正系数）表示总流流过断面的实际动能与以平均速度计算的动能的比值。

它的值总是大于1，并与断面上的流速分布有关。

流速分布越不均匀，a值越大;流速分布较均匀时，则a值等于1。

三.液压系统在轧机中的应用研究

目前,液压伺服系统在自动化领域占有重要地位,特别是需要大功率、快速、精确反应的系统大多采用液压控制。

在冶金工业中,现在不仅新建的轧机都采用了带计算机系统的液压控制,众多旧的轧机也改造成液压AGC轧机。

计算机系统和液压AGC已成了板带轧机装备水平的标志。

最初,轧钢轧机的压下机构为电动压下,电动压下装置由于电动机和减速齿轮等运动部分的转动惯量大,有反应速度慢、调整精度低、传动效率低等缺点。

随着带钢轧制速度的逐步提高,产品的尺寸精度要求日趋严格,特别是采用厚度控制系统之后,电动压下装置已经不能满足工艺的要求。

而液压压下系统由于具有惯性小、精度高、响应快等优点,逐步取代了电动压下装置,这就是液压压下厚度控制系统HAGC（HAGC—HydraulicAutomationGaugeControl）

（见表1）。

（1）惯性小、反应快、截止频率高,系统对外来干

扰跟随性好,调节精度高;

（2）由于系统响应快,因此对轧辊偏心引起的辊

缝发生高频周期变化的干扰能进行有效清除;

（3）可实现轧机刚度系数调节,可依据不同的轧

制条件选择不同的刚度系数,获得更高的成品

质量。

四.往复式轧钢机清洗机的研制

在清洗箱两侧竖向对称各安排一排喷射头,其作用是清洗轧钢机的两个侧面.当轧钢机在清洗箱内作来回往复运动时,在喷射头的喷射下,轧钢机的两侧面就得到了清洗.喷射头的安排因轧机的类型不同而异.喷射头安排的原则是,清洗重油污处,喷射头安排要密;清洗油污较轻处,喷射头安排可疏.如,对于板带轧机来说,喷射头在清洗箱两侧的上下部位可以稍疏,而在中间位置要稍密,因为重点油污区是在中部的轴承座及其附近.在清洗箱顶盖上以一定角度安装两排喷射头,其作用是清洗轧钢机正面和背面.顶盖上最外围的4个喷射头,要有较大的安装角度,以对轴承座作径向喷射,形成对轴承座上、侧表面的清洗.这样,轴承座从轴向、径向都可以被喷射到。

另外,喷射头需要能够摆动,因为如果喷射头固定不动,那么,它的清洗范围就只能是一个点或一条线,所以为了扩大清洗范围,就必须使喷射头摆动.为此,我们设计了一个喷头摆动机构,它是一个自动摆动机构.它的传动关系是:

小型电动机驱动,通过二级～三级齿轮减速,带动凸轮转动.而喷头和连杆构成平行四边形机构,连杆的下端部有一滚轮.滚轮与凸轮在连杆机构的自重作用下互相贴住.当凸轮转动时,连杆机构摆动,喷射头即上下摆动（或左右摆动）.清洗液使用乳化液.清洗液工作压力Pmax=8MPa.根据要求,可在8MPa以下一定范围内调节通常情况下,顶上一排喷射头工作压力可较小,为Pup=4MPa,根据去污情况,可在2～4MPa范围内调节.两侧喷射头工作压力为Pside=8MPa,根据去污情况,可在4～8MPa范围内调节。

五.液压系统在加热炉步进梁中的应用

它采用步进梁机构使钢坯在加热炉内做矩形运动来移送钢坯,从而使钢坯在炉内均匀加热。

步进梁采用液压传动,其液压系统可以分为动力系统、控制系统两大部分。

为了实现步进梁上升、前进、下降、后退的矩形运动轨迹以及调节步进梁的运动速度,原系统液压传动部分采用了3台油压平衡型双联定量泵供油,并用专门的AD阀（加、减速阀）调节流量,如图2所示。

即通过逐渐地使部分供油泵卸荷或加载来改变系统的供油量,从而调节液压缸活塞的运动速度。

这种定量泵AD阀（A表示加速、D表示减速）形式的调速回路属于旁油路节流调速。