1、 本科毕业设计 题目 ： 带钢冷却装置的设计 学 院 : 材料与冶金学院 专 业 : 热能与动力工程 学 号 : 2010 学生姓名 : 指导教师 : 日 期 : 二一四年五月 I 摘 要 冷却技术是控制带钢的冷却速度以改善产品性能采用的工艺。在带钢连续热处理炉中，加热后的带钢的冷却过程对于带钢性能的提高有着重要作用。合理的冷却装置，不仅能够保证带钢的冷却速度，还可以保证带钢的冷却均匀性。 本文设计了一台带钢水喷淋装置。带钢进冷却装置温度为 950，因此，水喷淋装置采用水套式外壳，为保证带钢冷却的均匀性，沿带钢运行方向在带钢上下表面均匀布置喷水管。冷却计算有两部分，一部分为水喷淋冷却计算，一部
2、分为水套冷却计算。水喷淋计算过程中，冷却时间是一个重要参数，本文根据文献 20确定了表面换热系数与单 位面积喷水量之间的关系，并以带钢运行方向微元体为研究对象，利用集总参数法，计算得出冷却温降要求下带钢的冷却时间为 15s。根据冷却时间确定了冷却装置的长度。冷却喷嘴选用扇形喷嘴，喷管、喷嘴的排布充分考虑了扇形喷嘴喷射冷却的边缘效应，在边缘处考虑了 25%的重合，这样有助于带钢的均匀冷却，保证带钢的出口温度以及冷却效果。 最后，根据冷却计算过程确定的参数，用 AtuoCAD 软件设计了冷却装置图。 关键词 ：水喷淋冷却；冷却计算；冷却装置；设计II Abstract Cooling techno
3、logy is used to control the cooling speed of steel strip in order to improve product performance. In the strip continuous heat treatment furnace, the cooling process after heating the strip steel for improving strip performance has an important role. Reasonablecooling device, not only can guarantee
4、the cooling speed of steel strip, also can guarantee the cooling uniformity of strip steel In this paper, a strip of water spraying device is designed.Strip temp of inlet temperature is 950 , thus, A constructionof water sleeve is adopted, In order to guarantee the uniformity of the strip cooling, s
5、pray pipes are arranged along the direction of strip running at up-down of the strip surface.Cooling calculation has two parts, one is the water spray cooling calculation, and the other is the water sleeve cooling calculation. In water spray calculation process, the cooling time is an important para
6、meter. In this paper, based on literature 20, the surface heat transfer coefficient is determined with the relationship between the water quantity per unit area, along the strip running direction infinitesimal body as the research object is studied, using the lumped parameter method. we obtain the c
7、ooling time is 15s.According to the cooling time we can determine the length of the cooling device. We choose fan nozzle as cooling nozzle, and the nozzle arrangement is given consideration to the edge cooling effect, and the overlap in the edge is 25% .This helps strip coolings uniformity and ensur
8、ethe strip outlet temperature and cooling effect. Finally, according to the parameters calculated in the cooling process.The cooling device is designed by Auto-cad software. Key words: Water spray cooling; Coolingcalculation; cooling device; Design III 目录 1 绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 冶金行业中冷却技术的应用与发展 . 1
9、1.2.1 冶金行业中冷却技术的应用 . 1 1.2.2 冶金行业中冷却技术的发展 . 3 1.3 冶金行业中常用的冷却方式 . 6 1.3.1 层流冷却 . 6 1.3.2 高压喷射冷却 . 7 1.3.3 水幕冷却 . 7 1.3.4 水喷淋冷却 . 9 1.3.5 喷雾冷却 . 10 1.3.6 板湍流冷却 . 10 1.3.7 淬火冷却 . 10 1.4 带钢连续退火炉常用的冷却方式 . 12 1.5 冷却装置设计要求 . 13 1.6 本设计概述 . 14 2 冷却装置的设计工艺计算 . 15 2.1 设计参数 . 15 2.2.1 带钢设计参数 . 15 2.2.2 水的设计参数
10、. 15 2.2 单位时间总换热量 . 15 2.3 冷却计算 . 16 2.3.1 水套冷却过程计算 . 16 2.3.2 喷淋冷却过程的计算 . 17 2.4 计算带钢冷却时间 . 20 2.5 确定最终水量 . 21 3 冷却装置结构参数的确定 . 22 3.1 喷嘴尺寸与数量的确定 . 22 3.2 确定冷却装置尺寸 . 23 3.3 确定喷嘴选型 . 24 IV 3.4 确定喷管尺寸 . 25 3.5 水冷装置结构设计特点 . 28 结束语 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 32 武汉科技大学本科毕业设计 1 1 绪论 1.1 前言 我国是钢材生产大国 ， 板带钢一直是钢材品种
11、中应用最为广泛 ， 技术含量 、 工业附加值最高的产品，随着经济的发展 ， 板带钢的生产一直呈不断增长的趋势 ， 板带钢是最主要的钢材产品，约占钢材总量的 45%，且用途十分广泛，主要应用于汽车工业、重型机械、制造业、商用建筑业、化学工业和轻工业等 1。 实现带钢热处理工艺的关键设备是连续退火炉。其主要功能是把带钢加热到设定的退火温度、保温并在适当的冷却速度下冷却到设定温度。带钢退火工艺实施的好坏关系到带钢的质量。退火工艺对冷却速度以及带钢宽度方向上的冷却均匀性有较严格的要求。冷却工艺的控制精度对带钢 内在质量 和 外观质量 均有较大的影响： 1、冷却工艺对带钢内在质量方面的影响。 在连续退火
12、炉中，带钢首先经过加热和保温，进入 冷却过程。冷却速度的快慢对带钢再结晶的金相组织有着决定性作用。带钢微观的组织形态决定了成品带钢的加工性能、力学性能和物理性能 2、冷却工艺对带钢外观质量方面的影响。 为了 提高带钢产品在国内外市场上的竞争力，各钢铁企业对带钢 外观质量也 提出更高的要求 。 带钢的外观形状要平直、无浪形和瓢曲 ， 表面要光洁，无裂纹、结疤、夹层、麻坑等缺陷 。带钢进行冷却时，冷却的均匀与否对带钢的 板形 与 表面质量 有着很大的影响。 因此，对带钢冷却工艺进行深入研究具有重要的现实意义 2。 1.2 冶金行业中 冷却技术 的应用与 发展 1.2.1 冶金行业中 冷却技术 的应
13、用 在冶金行业中，冷却 技术的应用 随处可见 ，下面介绍一些常见的应用。 1、冷却技术在连铸过程中的应用。 钢液出炉连铸成型过程需要进行一次冷却 和 二次冷却，两次冷却对于铸坯的性能武汉科技大学本科毕业设计 2 都有重要作用 。 连铸过程的冷却包括结晶器（如图 1.1 所示）内的一次冷和在连铸机上的二次冷却，钢水在结晶器冷却示意图，如图 1.2 所示。在结晶器内的一次冷却通过结晶器通水进行冷却，其作用是规定铸坯形状，强制钢水冷却，确保铸坯在结晶器内形成足够强度和厚度的均匀坯壳，水量的确定不是很精确。在连铸机上进行的二次冷确是铸坯出结晶器 后进行的冷却过程，其目的是对带有液芯的铸坯实施喷水冷却，
14、使其完全凝固，以达到在拉坯过程中均匀冷却，在这一过程中还要对钢坯进行引导、支撑，以防铸坯变形。 二次冷却通常结合铸坯传热与铸坯冶金质量两个方面来考虑，铸坯刚离开结晶器时，要采用大量水冷却以迅速增加坯壳厚度，随着铸坯在二冷区移动，坯壳厚度增加，喷水量逐渐降低。因此，二冷区可分若干冷却段，每个冷却段单独进行水量控制，同时冷却过程中还要考虑钢种对裂纹的敏感性，然后有针对性的调整二次冷却的喷水量。二次冷却具有保证生产顺行、提高生产率、控制铸坯质量、保护设备等重 要作用 ， 冷却介质可用水或汽水 3。水冷过程中相较于一次冷却来说，二次冷却水量的控制显得更加精确。 图 1.1 连铸连轧示意图 2、冷却技术
15、在轧制过程中的应用 市场上钢材产品多种多样，如带材、管材、板材、线材以及型材等。因此 ， 必须对 连铸产品 进行再加工，得到多种所需产品。钢材的加工过程包括塑性加工和机械切削加工，塑性加工过程包括轧制、煅造、挤压、拉拔、冲压等过程；在这些过程中特别是轧制过程对于冷却控制是必不可少的，轧制冷却过程对于冷却的控制是其中比较重要的环节，轧制中控制冷却是主要是结合轧制的情况控制钢温度 ，从而对钢板的相 武汉科技大学本科毕业设计 3 图 1.2 钢水在结晶器中一次冷却示意图 变进行控制，钢的组织也会发生变化，通常是细化晶粒、促进微合金元素析出。 另外冷却过程还对轧辊的起到保护作用，以防温度过高损坏轧辊，
16、影响轧辊使用寿命。金属的机械切削加工过程，如车、铣、镗、刨等过程中也需要进行冷却，有的是需要油冷，有的则是水冷，冷却作用主要就是起降低温度的作用。 3、冷却技术在热处理中的应用 钢材热处理工艺主要包括退火、正火、淬火、回火等。他们整个工艺流程都要经过加热、保温、冷却三个过程。在冷却过程中退火、正火、淬火、回火各有所不同，退火过程加热之后要进行保温一段时间然后进行缓慢冷却，一般是随炉冷却；正火过程在加热保温后进行的是空冷；淬火过程的冷却则以大于临界冷却速度的速度快速冷却，冷却介质常用的有水、油、盐或碱的水溶液等；回火过程一般是接着淬火过程而进行的，通常的冷却方式是水冷或者空冷。钢的热处理过程可以
17、改变它的的组织结构，提高钢的性能，最终得到我们想要的组织结构。 综合来说，冶金行业中冷却过 程的主要目的有降温成型、促进结晶以及改变钢的组织结构，有助于提高钢的性能。 1.2.2 冶金行业中 冷却技术 的 发展 上世纪四、五十年代。二次世界大战期间，大量采用焊接结构的运输船只发生的焊接断口脆性断裂事故，促使人们认识到提高钢材韧性的重要性。六十年代轧后层流冷却系统在热轧带钢生产中首先得到应用，由于加速冷却对于钢的晶粒细化和组织强武汉科技大学本科毕业设计 4 化的作用，使人们深刻认识到 “水是最廉价的合金元素 ”，并把注意力集中到轧后的加速冷却工艺上 4。六十年代末期，日本从欧洲和美国引进了控制轧
18、制技术，随后投入了大量的精力对控制轧制技术 进行了研究，使之成为世界上控制热轧技术头号强国。但到了七十年代，传统的热轧技术不能满足金属强度、热处理后的韧性和焊接性能的要求。由于水的廉价性，人们致力于用水作为冷却工质，对中厚钢板进行冷却。从这个时候开始，在日本、前苏联、德国等国家出现了有关各种水幕冷却装置的专利报道。 水幕冷却系统具有较高的 “比冷却特性 ”，但对带钢上、下表面和整个冷却区长度冷却不够均匀，且成幕性生受水质、表面张力、边端部的附流作用等因素影响较大，水流易产生横向缩窄现象，如 图 1.3 所示 5。 图 1.3 上下水幕安装示意图 1 上部水槽 2 上部水幕 3 下部水槽 4 辊
19、子 5 轧件 二十世纪八十年代，美国人在匹兹堡市在对厚度 S =25.4 mm的中厚钢板进行了控制冷却实验，这是人类首次对厚度超过 16 mm 的钢板进行控制冷却实验，得到了最初的中厚板控制冷却实验的实验参数。进入 80 年代中期，材料技术、冷却设备、操作技术三位一体的时机已经成熟，尤其是快速发展的钢铁产业高技术 装备水平，对此作出了很大的贡献。国外开发了诸多冷却装置，有意大利 NuovaItalsider 的水刀喷射冷却、比利时 CRM 的 MUPIC 水枕方式冷却、法国 Usinor 的喷淋方式冷却。在以后的发展过程中，占主导地位的是由用喷嘴喷射的高压水冷却方式逐步演变形成的柱状管层流冷却
20、。 随后，日本的热轧冷却装置 OLAC 在日本福山钢铁厂研制成功，这是世界上第一个成套中厚板快速冷却置，并迅速得到了推广应用。 接着 ，日本的神户制钢，住友金属等钢铁企业通过实验的方法对控制冷却技术进行了研究，对控制冷却装置进行了改造，取得了一些成绩， 但是还有很多不足，针对这些不足提出了一些解决方法。例如武汉科技大学本科毕业设计 5 针对冷却能力不足，提出了增加冷却水流量和安装高位水箱的方法；上下冷却不平衡，采取了调整上下水量或者上下采取不同的冷却方式的方法；安装了传感器来提高控制温度精度和控制冷却速率；研究出了喷嘴流量可调和多段冷却的方法来控制终冷温度和冷却速率等 6。 近年比利时的 CR
21、M 研究所开发了一种布置在轧线上的超快速冷却装 (UFC Ultra Fast Cooling System)， 立即受到同行的关注 7。其要点是减小每个出水口的孔径，加密出水口，增加水的压力，保证小 流量的水流也能有足够的能量和冲击力，能够大面积地击破汽膜。这样，在单位时间内有更多的新水直接作用于钢板表面，大幅度提高换热效率，实现超快速冷却。 UFC 系统比通常层流冷却的热传导系数高的多，对于 4mm薄板短时冷却速率可达到 300 /s，该系统占地不长，仅 7 12m，总用水量也不高，在轧后输出辊道上的布置形式分为前置式 (安装在精轧出口 )和后置式 (安装在卷取机前 )。如图 1.4 所示
22、 8。 图 1.4 前置式 UFC 和后置式 UFC 布置形式 我国研究控制冷却技术起步较早，但开始投入不大，研究的总体思路是从西方发达国家 引进先进的设备进行研究，结合自己的理论和实验结果，形成自己的自主知识产权。最早我国利用的是水幕冷却的方法进行控制冷却，但是，项目并不顺利。虽然在 1985 年，我国利用水幕冷却的方法在鞍山钢铁厂半连轧厂自己建成了第一套由自己完全生产的控制冷却装置 ， 但是该装置冷却能力严重不足，钢板冷却均匀性很差，根本不能达到产品质量工艺的要求。随后，邯钢、重钢、柳钢等在九十年代安装了改进的水幕冷却装置 ， 新的冷却装置的性能有了一些提搞，但是还有不少不足 5。 20 世纪 70 年代米，武钢 1700mm热轧带钢机从日本全套引进层流冷却系 统，上部采用柱状层流冷却，下部采用喷水冷却， 90 年代，武钢将控冷模型改进移植到新一代计算机中，不仅得到了本厂的实践验证，而且在太钢和梅钢得到推广。宝钢2050mm(德国引进 )和 1580mm(日本引进 )生产线也均采用柱状层流冷却，设备运行稳定，卷取温度控制精度高。目前，国内许多热轧带钢厂积极进行改造，完善冷却设备，改进自动化控制系统，采用控制精度更高的数学模型和更先进的控制策略。控制冷却技术在我国热带生产应用中取得积极效果。
