帶鋼冷卻裝置的設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：帶鋼冷卻裝置的設(shè)計(jì)學(xué)院:材料與冶金學(xué)院專業(yè):熱能與動(dòng)力工程學(xué)號(hào):2010@@@@@@@@學(xué)生姓名:@@@@@@指導(dǎo)教師:@@@@@@@日期:二○一四年五月摘要冷卻技術(shù)是控制帶鋼的冷卻速度以改善產(chǎn)品性能采用的工藝。在帶鋼連續(xù)熱處理爐中，加熱后的帶鋼的冷卻過(guò)程對(duì)于帶鋼性能的提高有著重要作用。合理的冷卻裝置，不僅能夠保證帶鋼的冷卻速度，還可以保證帶鋼的冷卻均勻性。本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)帶鋼水噴淋裝置。帶鋼進(jìn)冷卻裝置溫度為950℃，因此，水噴淋裝置采用水套式外殼，為保證帶鋼冷卻的均勻性，沿帶鋼運(yùn)行方向在帶鋼上下表面均勻布置噴水管。冷卻計(jì)算有兩部分，一部分為水噴淋冷卻計(jì)算，一部分為水套冷卻計(jì)算。水噴淋計(jì)算過(guò)程中，冷卻時(shí)間是一個(gè)重要參數(shù)，本文根據(jù)文獻(xiàn)[20]確定了表面換熱系數(shù)與單位面積噴水量之間的關(guān)系，并以帶鋼運(yùn)行方向微元體為研究對(duì)象，利用集總參數(shù)法，計(jì)算得出冷卻溫降要求下帶鋼的冷卻時(shí)間為15s。根據(jù)冷卻時(shí)間確定了冷卻裝置的長(zhǎng)度。冷卻噴嘴選用扇形噴嘴，噴管、噴嘴的排布充分考慮了扇形噴嘴噴射冷卻的邊緣效應(yīng)，在邊緣處考慮了25%的重合，這樣有助于帶鋼的均勻冷卻，保證帶鋼的出口溫度以及冷卻效果。最后，根據(jù)冷卻計(jì)算過(guò)程確定的參數(shù)，用AtuoCAD軟件設(shè)計(jì)了冷卻裝置圖。關(guān)鍵詞：水噴淋冷卻；冷卻計(jì)算；冷卻裝置；設(shè)計(jì)AbstractCoolingtechnologyisusedtocontrolthecoolingspeedofsteelstripinordertoimproveproductperformance.Inthestripcontinuousheattreatmentfurnace,thecoolingprocessafterheatingthestripsteelforimprovingstripperformancehasanimportantrole.Reasonablecoolingdevice,notonlycanguaranteethecoolingspeedofsteelstrip,alsocanguaranteethecoolinguniformityofstripsteelInthispaper,astripofwatersprayingdeviceisdesigned.Striptempofinlettemperatureis950℃,thus,Aconstructionofwatersleeveisadopted,Inordertoguaranteetheuniformityofthestripcooling,spraypipesarearrangedalongthedirectionofstriprunningatup-downofthestripsurface.Coolingcalculationhastwoparts,oneisthewaterspraycoolingcalculation,andtheotheristhewatersleevecoolingcalculation.Inwaterspraycalculationprocess,thecoolingtimeisanimportantparameter.Inthispaper,basedonliterature[20],thesurfaceheattransfercoefficientisdeterminedwiththerelationshipbetweenthewaterquantityperunitarea,alongthestriprunningdirectioninfinitesimalbodyastheresearchobjectisstudied,usingthelumpedparametermethod.weobtainthecoolingtimeis15s.Accordingtothecoolingtimewecandeterminethelengthofthecoolingdevice.Wechoosefannozzleascoolingnozzle,andthenozzlearrangementisgivenconsiderationtotheedgecoolingeffect,andtheoverlapintheedgeis25%.Thishelpsstripcooling’suniformityandensurethestripoutlettemperatureandcoolingeffect.Finally,accordingtotheparameterscalculatedinthecoolingprocess.ThecoolingdeviceisdesignedbyAuto-cadsoftware.Keywords:Waterspraycooling;Coolingcalculation;coolingdevice;Design目錄1緒論 11.1前言 11.2冶金行業(yè)中冷卻技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 11.2.1冶金行業(yè)中冷卻技術(shù)的應(yīng)用 11.2.2冶金行業(yè)中冷卻技術(shù)的發(fā)展 31.3冶金行業(yè)中常用的冷卻方式 61.3.1層流冷卻 61.3.2高壓噴射冷卻 71.3.3水幕冷卻 71.3.4水噴淋冷卻 91.3.5噴霧冷卻 101.3.6板湍流冷卻 101.3.7淬火冷卻 101.4帶鋼連續(xù)退火爐常用的冷卻方式 121.5冷卻裝置設(shè)計(jì)要求 131.6本設(shè)計(jì)概述 142冷卻裝置的設(shè)計(jì)工藝計(jì)算 152.1設(shè)計(jì)參數(shù) 152.2.1帶鋼設(shè)計(jì)參數(shù) 152.2.2水的設(shè)計(jì)參數(shù) 152.2單位時(shí)間總換熱量 152.3冷卻計(jì)算 162.3.1水套冷卻過(guò)程計(jì)算 162.3.2噴淋冷卻過(guò)程的計(jì)算 172.4計(jì)算帶鋼冷卻時(shí)間 202.5確定最終水量 213冷卻裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 223.1噴嘴尺寸與數(shù)量的確定 223.2確定冷卻裝置尺寸 233.3確定噴嘴選型 243.4確定噴管尺寸 253.5水冷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 28結(jié)束語(yǔ) 29參考文獻(xiàn) 30致謝 32

武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1緒論1.1前言我國(guó)是鋼材生產(chǎn)大國(guó)，板帶鋼一直是鋼材品種中應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)含量、工業(yè)附加值最高的產(chǎn)品，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，板帶鋼的生產(chǎn)一直呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，板帶鋼是最主要的鋼材產(chǎn)品，約占鋼材總量的45%，且用途十分廣泛，主要應(yīng)用于汽車工業(yè)、重型機(jī)械、制造業(yè)、商用建筑業(yè)、化學(xué)工業(yè)和輕工業(yè)等[1]。實(shí)現(xiàn)帶鋼熱處理工藝的關(guān)鍵設(shè)備是連續(xù)退火爐。其主要功能是把帶鋼加熱到設(shè)定的退火溫度、保溫并在適當(dāng)?shù)睦鋮s速度下冷卻到設(shè)定溫度。帶鋼退火工藝實(shí)施的好壞關(guān)系到帶鋼的質(zhì)量。退火工藝對(duì)冷卻速度以及帶鋼寬度方向上的冷卻均勻性有較嚴(yán)格的要求。冷卻工藝的控制精度對(duì)帶鋼內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量均有較大的影響：1、冷卻工藝對(duì)帶鋼內(nèi)在質(zhì)量方面的影響。在連續(xù)退火爐中，帶鋼首先經(jīng)過(guò)加熱和保溫，進(jìn)入冷卻過(guò)程。冷卻速度的快慢對(duì)帶鋼再結(jié)晶的金相組織有著決定性作用。帶鋼微觀的組織形態(tài)決定了成品帶鋼的加工性能、力學(xué)性能和物理性能2、冷卻工藝對(duì)帶鋼外觀質(zhì)量方面的影響。為了提高帶鋼產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，各鋼鐵企業(yè)對(duì)帶鋼外觀質(zhì)量也提出更高的要求。帶鋼的外觀形狀要平直、無(wú)浪形和瓢曲，表面要光潔，無(wú)裂紋、結(jié)疤、夾層、麻坑等缺陷。帶鋼進(jìn)行冷卻時(shí)，冷卻的均勻與否對(duì)帶鋼的板形與表面質(zhì)量有著很大的影響。因此，對(duì)帶鋼冷卻工藝進(jìn)行深入研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。1.2冶金行業(yè)中冷卻技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展1.2.1冶金行業(yè)中冷卻技術(shù)的應(yīng)用在冶金行業(yè)中，冷卻技術(shù)的應(yīng)用隨處可見(jiàn)，下面介紹一些常見(jiàn)的應(yīng)用。1、冷卻技術(shù)在連鑄過(guò)程中的應(yīng)用。鋼液出爐連鑄成型過(guò)程需要進(jìn)行一次冷卻和二次冷卻，兩次冷卻對(duì)于鑄坯的性能都有重要作用。連鑄過(guò)程的冷卻包括結(jié)晶器（如圖1.1所示）內(nèi)的一次冷和在連鑄機(jī)上的二次冷卻，鋼水在結(jié)晶器冷卻示意圖，如圖1.2所示。在結(jié)晶器內(nèi)的一次冷卻通過(guò)結(jié)晶器通水進(jìn)行冷卻，其作用是規(guī)定鑄坯形狀，強(qiáng)制鋼水冷卻，確保鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)形成足夠強(qiáng)度和厚度的均勻坯殼，水量的確定不是很精確。在連鑄機(jī)上進(jìn)行的二次冷確是鑄坯出結(jié)晶器后進(jìn)行的冷卻過(guò)程，其目的是對(duì)帶有液芯的鑄坯實(shí)施噴水冷卻，使其完全凝固，以達(dá)到在拉坯過(guò)程中均勻冷卻，在這一過(guò)程中還要對(duì)鋼坯進(jìn)行引導(dǎo)、支撐，以防鑄坯變形。二次冷卻通常結(jié)合鑄坯傳熱與鑄坯冶金質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)考慮，鑄坯剛離開結(jié)晶器時(shí)，要采用大量水冷卻以迅速增加坯殼厚度，隨著鑄坯在二冷區(qū)移動(dòng)，坯殼厚度增加，噴水量逐漸降低。因此，二冷區(qū)可分若干冷卻段，每個(gè)冷卻段單獨(dú)進(jìn)行水量控制，同時(shí)冷卻過(guò)程中還要考慮鋼種對(duì)裂紋的敏感性，然后有針對(duì)性的調(diào)整二次冷卻的噴水量。二次冷卻具有保證生產(chǎn)順行、提高生產(chǎn)率、控制鑄坯質(zhì)量、保護(hù)設(shè)備等重要作用，冷卻介質(zhì)可用水或汽水[3]。水冷過(guò)程中相較于一次冷卻來(lái)說(shuō)，二次冷卻水量的控制顯得更加精確。圖1.1連鑄連軋示意圖2、冷卻技術(shù)在軋制過(guò)程中的應(yīng)用市場(chǎng)上鋼材產(chǎn)品多種多樣，如帶材、管材、板材、線材以及型材等。因此，必須對(duì)連鑄產(chǎn)品進(jìn)行再加工，得到多種所需產(chǎn)品。鋼材的加工過(guò)程包括塑性加工和機(jī)械切削加工，塑性加工過(guò)程包括軋制、煅造、擠壓、拉拔、沖壓等過(guò)程；在這些過(guò)程中特別是軋制過(guò)程對(duì)于冷卻控制是必不可少的，軋制冷卻過(guò)程對(duì)于冷卻的控制是其中比較重要的環(huán)節(jié)，軋制中控制冷卻是主要是結(jié)合軋制的情況控制鋼溫度，從而對(duì)鋼板的相圖1.2鋼水在結(jié)晶器中一次冷卻示意圖變進(jìn)行控制，鋼的組織也會(huì)發(fā)生變化，通常是細(xì)化晶粒、促進(jìn)微合金元素析出。另外冷卻過(guò)程還對(duì)軋輥的起到保護(hù)作用，以防溫度過(guò)高損壞軋輥，影響軋輥使用壽命。金屬的機(jī)械切削加工過(guò)程，如車、銑、鏜、刨等過(guò)程中也需要進(jìn)行冷卻，有的是需要油冷，有的則是水冷，冷卻作用主要就是起降低溫度的作用。3、冷卻技術(shù)在熱處理中的應(yīng)用鋼材熱處理工藝主要包括退火、正火、淬火、回火等。他們整個(gè)工藝流程都要經(jīng)過(guò)加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程。在冷卻過(guò)程中退火、正火、淬火、回火各有所不同，退火過(guò)程加熱之后要進(jìn)行保溫一段時(shí)間然后進(jìn)行緩慢冷卻，一般是隨爐冷卻；正火過(guò)程在加熱保溫后進(jìn)行的是空冷；淬火過(guò)程的冷卻則以大于臨界冷卻速度的速度快速冷卻，冷卻介質(zhì)常用的有水、油、鹽或堿的水溶液等；回火過(guò)程一般是接著淬火過(guò)程而進(jìn)行的，通常的冷卻方式是水冷或者空冷。鋼的熱處理過(guò)程可以改變它的的組織結(jié)構(gòu)，提高鋼的性能，最終得到我們想要的組織結(jié)構(gòu)。綜合來(lái)說(shuō)，冶金行業(yè)中冷卻過(guò)程的主要目的有降溫成型、促進(jìn)結(jié)晶以及改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，有助于提高鋼的性能。1.2.2冶金行業(yè)中冷卻技術(shù)的發(fā)展上世紀(jì)四、五十年代。二次世界大戰(zhàn)期間，大量采用焊接結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸船只發(fā)生的焊接斷口脆性斷裂事故，促使人們認(rèn)識(shí)到提高鋼材韌性的重要性。六十年代軋后層流冷卻系統(tǒng)在熱軋帶鋼生產(chǎn)中首先得到應(yīng)用，由于加速冷卻對(duì)于鋼的晶粒細(xì)化和組織強(qiáng)化的作用，使人們深刻認(rèn)識(shí)到“水是最廉價(jià)的合金元素”，并把注意力集中到軋后的加速冷卻工藝上[4]。六十年代末期，日本從歐洲和美國(guó)引進(jìn)了控制軋制技術(shù)，隨后投入了大量的精力對(duì)控制軋制技術(shù)進(jìn)行了研究，使之成為世界上控制熱軋技術(shù)頭號(hào)強(qiáng)國(guó)。但到了七十年代，傳統(tǒng)的熱軋技術(shù)不能滿足金屬?gòu)?qiáng)度、熱處理后的韌性和焊接性能的要求。由于水的廉價(jià)性，人們致力于用水作為冷卻工質(zhì)，對(duì)中厚鋼板進(jìn)行冷卻。從這個(gè)時(shí)候開始，在日本、前蘇聯(lián)、德國(guó)等國(guó)家出現(xiàn)了有關(guān)各種水幕冷卻裝置的專利報(bào)道。水幕冷卻系統(tǒng)具有較高的“比冷卻特性”，但對(duì)帶鋼上、下表面和整個(gè)冷卻區(qū)長(zhǎng)度冷卻不夠均勻，且成幕性生受水質(zhì)、表面張力、邊端部的附流作用等因素影響較大，水流易產(chǎn)生橫向縮窄現(xiàn)象，如圖1.3所示[5]。圖1.3上下水幕安裝示意圖1—上部水槽2—上部水幕3—下部水槽4—輥?zhàn)?—軋件二十世紀(jì)八十年代，美國(guó)人在匹茲堡市在對(duì)厚度S=25.4mm的中厚鋼板進(jìn)行了控制冷卻實(shí)驗(yàn)，這是人類首次對(duì)厚度超過(guò)16mm的鋼板進(jìn)行控制冷卻實(shí)驗(yàn)，得到了最初的中厚板控制冷卻實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。進(jìn)入80年代中期，材料技術(shù)、冷卻設(shè)備、操作技術(shù)三位一體的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，尤其是快速發(fā)展的鋼鐵產(chǎn)業(yè)高技術(shù)裝備水平，對(duì)此作出了很大的貢獻(xiàn)。國(guó)外開發(fā)了諸多冷卻裝置，有意大利NuovaItalsider的水刀噴射冷卻、比利時(shí)CRM的MUPIC水枕方式冷卻、法國(guó)Usinor的噴淋方式冷卻。在以后的發(fā)展過(guò)程中，占主導(dǎo)地位的是由用噴嘴噴射的高壓水冷卻方式逐步演變形成的柱狀管層流冷卻。隨后，日本的熱軋冷卻裝置OLAC在日本福山鋼鐵廠研制成功，這是世界上第一個(gè)成套中厚板快速冷卻置，并迅速得到了推廣應(yīng)用。接著，日本的神戶制鋼，住友金屬等鋼鐵企業(yè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)控制冷卻技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)控制冷卻裝置進(jìn)行了改造，取得了一些成績(jī)，但是還有很多不足，針對(duì)這些不足提出了一些解決方法。例如針對(duì)冷卻能力不足，提出了增加冷卻水流量和安裝高位水箱的方法；上下冷卻不平衡，采取了調(diào)整上下水量或者上下采取不同的冷卻方式的方法；安裝了傳感器來(lái)提高控制溫度精度和控制冷卻速率；研究出了噴嘴流量可調(diào)和多段冷卻的方法來(lái)控制終冷溫度和冷卻速率等[6]。近年比利時(shí)的CRM研究所開發(fā)了一種布置在軋線上的超快速冷卻裝(UFC．UltraFastCoolingSystem)，立即受到同行的關(guān)注[7]。其要點(diǎn)是減小每個(gè)出水口的孔徑，加密出水口，增加水的壓力，保證小流量的水流也能有足夠的能量和沖擊力，能夠大面積地?fù)羝破?。這樣，在單位時(shí)間內(nèi)有更多的新水直接作用于鋼板表面，大幅度提高換熱效率，實(shí)現(xiàn)超快速冷卻。UFC系統(tǒng)比通常層流冷卻的熱傳導(dǎo)系數(shù)高的多，對(duì)于4mm薄板短時(shí)冷卻速率可達(dá)到300℃/s，該系統(tǒng)占地不長(zhǎng)，僅7～12m，總用水量也不高，在軋后輸出輥道上的布置形式分為前置式(安裝在精軋出口)和后置式(安裝在卷取機(jī)前)。如圖1.4所示[8]。圖1.4前置式UFC和后置式UFC布置形式我國(guó)研究控制冷卻技術(shù)起步較早，但開始投入不大，研究的總體思路是從西方發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行研究，結(jié)合自己的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，形成自己的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。最早我國(guó)利用的是水幕冷卻的方法進(jìn)行控制冷卻，但是，項(xiàng)目并不順利。雖然在1985年，我國(guó)利用水幕冷卻的方法在鞍山鋼鐵廠半連軋廠自己建成了第一套由自己完全生產(chǎn)的控制冷卻裝置，但是該裝置冷卻能力嚴(yán)重不足，鋼板冷卻均勻性很差，根本不能達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量工藝的要求。隨后，邯鋼、重鋼、柳鋼等在九十年代安裝了改進(jìn)的水幕冷卻裝置，新的冷卻裝置的性能有了一些提搞，但是還有不少不足[5]。20世紀(jì)70年代米，武鋼1700mm熱軋帶鋼機(jī)從日本全套引進(jìn)層流冷卻系統(tǒng)，上部采用柱狀層流冷卻，下部采用噴水冷卻，90年代，武鋼將控冷模型改進(jìn)移植到新一代計(jì)算機(jī)中，不僅得到了本廠的實(shí)踐驗(yàn)證，而且在太鋼和梅鋼得到推廣。寶鋼2050mm(德國(guó)引進(jìn))和1580mm(日本引進(jìn))生產(chǎn)線也均采用柱狀層流冷卻，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，卷取溫度控制精度高。目前，國(guó)內(nèi)許多熱軋帶鋼廠積極進(jìn)行改造，完善冷卻設(shè)備，改進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，采用控制精度更高的數(shù)學(xué)模型和更先進(jìn)的控制策略?？刂评鋮s技術(shù)在我國(guó)熱帶生產(chǎn)應(yīng)用中取得積極效果。1.3冶金行業(yè)中常用的冷卻方式冷卻方式概括起來(lái)主要有高壓噴嘴冷卻、層流冷卻、水幕冷卻。同時(shí)，壓力噴射冷卻、霧化冷卻、噴淋冷卻、板湍流冷卻、水一氣噴霧法加速冷卻、直接淬火等幾種冷卻方式[9]。有實(shí)際應(yīng)用采用哪種冷卻方式應(yīng)根據(jù)具體工藝環(huán)境和限定條件確定。從國(guó)內(nèi)外使用資料表明，層流冷卻方式和水幕冷卻方式因其冷卻速率快、冷后軋件性能好、節(jié)省成本、提高生產(chǎn)效益而受到更多鋼鐵企業(yè)的認(rèn)可，是今后冷卻方式的主要發(fā)展趨勢(shì)。下面介紹一下主要的冷卻方式。1.3.1層流冷卻目前使用最多的中厚鋼板冷卻方式之一，此種冷卻方法早在二十世紀(jì)六十年代的英國(guó)的布林斯奧恩就有使用，當(dāng)時(shí)432m窄帶鋼熱軋機(jī)為最早的層流冷卻系統(tǒng)[10]。層流冷卻技術(shù)出現(xiàn)之前熱軋帶鋼的冷卻或靠噴霧冷卻，或靠噴水冷卻。前者由于霧狀水柱的動(dòng)能較小，無(wú)力沖破帶鋼表面的蒸汽膜而影響熱交換，因此后來(lái)改而采用壓力水冷卻。冷卻水壓力范圍一般在0.5～1.7MPa，動(dòng)能雖大，但由于沖擊回跳動(dòng)能損失大，而重跳后已無(wú)力沖破汽膜，且導(dǎo)致冷卻水與帶鋼表面接觸時(shí)間短而冷卻效果仍較低，水的利用率也較低。層流冷卻，是在無(wú)壓力情況下流向帶鋼，冷卻水不反濺，層流冷卻系統(tǒng)的“比冷卻特性”只比水幕稍低，但它能對(duì)帶鋼上、下表面及整個(gè)冷卻區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行均勻冷卻。理論和實(shí)踐都證明對(duì)于熱軋帶鋼而言，層流冷卻的效果最佳。輸出輥道上的層流冷上口裝置現(xiàn)己成為熱帶鋼軋線設(shè)備的重要組成部分。帶鋼層流冷卻(無(wú)慣性層流冷卻)是使帶鋼表面覆蓋一層處于層流狀態(tài)下流動(dòng)的最佳厚度的水，利用熱交換原理使帶錒冷卻至卷取溫度。方法是以大量虹吸管從水箱中吸出冷卻水，以低壓力大流量的冷卻水平穩(wěn)的流向帶鋼表面，使大流量的低壓水與帶鋼平穩(wěn)接觸，沖破了帶鋼表面的蒸汽膜，隨后緊緊的覆在帶鋼表面而不飛濺，并緊貼在帶鋼表面上按一定方向做宏觀運(yùn)動(dòng)。由于虹吸管的數(shù)量很多，排列又很緊密，帶鋼表面上的水層時(shí)刻可以更新，這些柱狀水流接觸帶鋼表面后有一定的方向性，并且沿輸出輥道每隔一段距離設(shè)置一定數(shù)量的側(cè)噴噴嘴，當(dāng)冷卻水吸收一定熱量后，用側(cè)噴壓力水將舊水更換掉，將滯留在帶鋼表面上的水沖掉，從而吸收并帶走大量余熱(冷卻效率比壓力水提高30～40％)，所以冷卻效果好。下部冷卻是采用噴射式的形式并與上部冷卻相對(duì)應(yīng)同步進(jìn)行是為了使用最佳供水量和提高冷卻精度，影響層流冷卻效果的因素很多，主要有以下兩點(diǎn)。噴嘴的名義通徑在壓力恒定的條件下，噴管懸空高度與其名義直徑有關(guān)，高度值大則通徑相應(yīng)增大。如確定不當(dāng)，在重力加速度的作用下垂落的水柱在接近帶鋼之處變細(xì)，甚至斷流垂落。2、噴嘴的排列與其名義通徑的關(guān)系噴嘴間距過(guò)近，相鄰水柱垂落后形成擴(kuò)散波相互干擾沖撞，產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。過(guò)遠(yuǎn)造成帶鋼沿寬度方向冷卻不均勻，需綜合考慮[8]。在國(guó)內(nèi)外普遍采用了計(jì)算機(jī)控制的層流冷卻設(shè)備，以滿足軋制速度日益提高、產(chǎn)量大幅度增加的需要，同時(shí)也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。雖然此種冷卻方式投資不算大，但系統(tǒng)較龐大，冷卻區(qū)較長(zhǎng)，如果發(fā)生設(shè)備損壞的狀況，修理較復(fù)雜，一般用于上表面冷卻。當(dāng)板材的規(guī)格及材質(zhì)改變的時(shí)候，層流冷卻水的給水段可進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。加上計(jì)算機(jī)控制的先進(jìn)技術(shù)，使得帶鋼的冷卻過(guò)程和卷取溫度的控制可以按人們的意愿實(shí)現(xiàn)。因此，目前在國(guó)內(nèi)外的熱軋帶鋼廠里層流冷卻裝置正在被廣泛地應(yīng)用。1.3.2高壓噴射冷卻高壓噴嘴冷卻噴射部位的控制性好，可噴射到需要冷卻的部位；另外，高壓水除鱗裝置不僅可以對(duì)鋼坯進(jìn)行冷卻控溫，還可以去除鋼坯表面氧化鐵皮，最終提高鋼坯質(zhì)量，由于噴射水是連續(xù)的，因此不會(huì)出現(xiàn)間斷現(xiàn)象；穿透力強(qiáng)，對(duì)影響換熱的汽膜的破壞性較大。但是，此種冷卻方式水的用量很大，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的液滴飛濺，并且水很難循環(huán)使用，故水的利用率不高；對(duì)噴嘴和水質(zhì)的要求較高，如果水質(zhì)或者噴嘴達(dá)不到要求，很容易造成噴嘴堵塞。高壓噴射冷卻有如下優(yōu)點(diǎn)：噴射部位的控制性好，可噴射到需要冷卻的部位；由于噴射水是連續(xù)的，因此不會(huì)出現(xiàn)間斷現(xiàn)象；穿透力強(qiáng)，對(duì)影響換熱的汽膜的破壞性較大。但是，此種冷卻方式水的用量很大，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的液滴飛濺，并且水很難循環(huán)使用，故水的利用率不高；對(duì)噴嘴和水質(zhì)的要求較高，如果水質(zhì)或者噴嘴達(dá)不到要求，很容易造成噴嘴堵塞[11]。1.3.3水幕冷卻水幕冷卻是二十世紀(jì)七十年代逐漸發(fā)展起來(lái)的一種冷卻方式，也是目前使用最多的冷卻方式之一[5]。其中美國(guó)沙明公司、意大利冶金公司熱那亞廠、英國(guó)戴維·勞威公司及日本的某些廠家都競(jìng)相采用了水幕冷卻技術(shù)，并取得了很好的效果。近年來(lái)，我國(guó)在水幕冷卻技術(shù)應(yīng)用方面也取得了較大成就。目前使用較多的是可調(diào)水幕冷卻，也就是可以調(diào)整冷卻水向。由于水幕冷卻對(duì)帶鋼上、下表面和整個(gè)冷卻區(qū)長(zhǎng)度冷卻不夠均勻，且成幕性生受水質(zhì)、表面張力、邊端部的附流作用等因素影響較大，水流易產(chǎn)生橫向縮窄現(xiàn)象，使得冷卻水不在高溫鋼板的表面停留。對(duì)此，可以利用在出水口兩端附加引流裝置；流水道截面按水流速度變化規(guī)律而變化：流水道入口加分流隔板等方法使水流流量分布和速度分布在出口處保持一致，形成等寬幕狀水流。目前水幕成幕的主要控制形式有三種：第一種是出口縫隙保持不變，用改變水的壓力使流量變化。從保持層流的觀點(diǎn)看，這種調(diào)節(jié)是很有限的。第二種是保持水頭不變，而改變出水口的開口度和縫隙寬度，有利于形成穩(wěn)定的層流。第三種是如圖1.5所示的可調(diào)水幕。該水幕利用分段斜楔控制出水的縫寬，提升或下降斜楔控制出水口開口度。在控制上主要采取同時(shí)冷卻和通過(guò)冷卻兩種方式。但同時(shí)冷卻又會(huì)造成局部積水，導(dǎo)致冷卻不均，局部硬度增加[12]。圖1.5分段斜楔式可調(diào)水幕結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.6所示，是日本研究人員獲得的水幕冷卻能力與冷卻水流量的關(guān)系[13]。該圖以空冷為基準(zhǔn)，由圖可知，水幕冷卻的冷卻能力比虹吸管層流冷卻高1倍。由圖中曲線還可看出，雖然冷卻能力隨冷卻水流量增加而提高，但兩者并不呈線性關(guān)系，而是有一極限值。所以只有根據(jù)條件選擇水幕流量，才能充分發(fā)揮其冷卻效果。水幕冷卻時(shí)，冷卻水沿鋼板縱向流動(dòng)，這樣既能沖破蒸氣膜，增加冷卻水與鋼板直接接觸的機(jī)會(huì)，又能發(fā)揮沖擊后的二次冷卻作用。水幕間距大，水流的流動(dòng)距離長(zhǎng);水幕安裝得高，水流對(duì)鋼板的沖擊力大。因此，水幕流量、間距和安裝高度選取適當(dāng)，才能充分發(fā)揮冷卻水的冷卻效果(對(duì)水幕冷卻而言，每個(gè)水幕的極限流量可達(dá)300m3/h)。圖1.6不同冷卻方式時(shí)冷卻能力與單位長(zhǎng)度冷卻水流量的關(guān)系1—水幕冷卻（1臺(tái)）；2—水幕冷卻（2臺(tái)）；3—虹吸管層流冷卻；4—空冷；1.3.4水噴淋冷卻世紀(jì)六十年代起，一些學(xué)者對(duì)噴淋冷卻進(jìn)行了研究。一些研究者把噴淋水在鋼板表面的流動(dòng)分成3個(gè)區(qū)域，如圖1.7所示[14]。噴嘴出來(lái)的水直接沖擊到區(qū)域A為沖擊區(qū)，也叫滯止區(qū)。然后水迅速在很短距離內(nèi)加速到噴流速度。水加速區(qū)域B叫做加速區(qū)，然后水進(jìn)入平行流區(qū)域C。流線速度理論上來(lái)講應(yīng)該是噴流速度。由于加速區(qū)域距離很短，所以工業(yè)上不考慮或者合并到區(qū)域C，所以一般只將鋼板上后區(qū)域分為沖擊區(qū)和平流區(qū)，噴嘴正下方為沖擊區(qū)，其余區(qū)域?yàn)槠搅鲄^(qū)，兩個(gè)區(qū)域的換熱情況不同。噴淋冷卻是液體通過(guò)噴管借助高壓氣體（氣助噴射）或是依賴本身的壓力（壓力噴射）使液體加壓，強(qiáng)制噴射到被冷卻體上，通過(guò)沸騰換熱和強(qiáng)迫對(duì)流的方式，帶走被冷卻物體熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的有效冷卻的一種冷卻方式。噴淋冷卻的水為斷破式的，形成液滴群沖擊高溫物體表面，噴淋冷卻裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，噴淋冷卻有換熱能力強(qiáng)且冷卻較均勻，并且冷卻水可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于鋼板熱軋冷卻過(guò)程中。當(dāng)噴淋速度足夠大時(shí)，就形成了沖擊射流冷卻。但是，噴淋冷卻也存在冷卻速率調(diào)節(jié)范圍小，用水流量大，對(duì)水質(zhì)要求高，需要的壓力較高等缺點(diǎn)。圖1.7噴淋冷卻換熱過(guò)程分區(qū)1.3.5噴霧冷卻此種冷卻方式是將空氣加壓使水霧化，形成汽霧噴向被冷卻鋼板表面，通過(guò)單相或沸騰換熱帶走高溫鋼板表面的熱量的一種冷卻方式。最早在二十世紀(jì)八十年代由法國(guó)人發(fā)明。此種冷卻方式冷卻能力強(qiáng)；冷卻均勻性好；調(diào)節(jié)范圍廣；水的利用率高。但設(shè)備較復(fù)雜，投資大，設(shè)備損壞后維修較復(fù)雜；冷卻車間噪音較大，環(huán)境較差，易對(duì)工人造成聽力和身體上的傷害。1.3.6板湍流冷卻此種冷卻方式就是直接將軋制后的鋼板浸入水中，冷卻速率極高。但冷卻速度很難調(diào)節(jié)，水量也很大，所以目前在大的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)使用較少。1.3.7淬火冷卻冷卻速度快，冷卻能力強(qiáng)，多用于合金的冷卻。冷卻均勻性差，使用的鋼板種類較少，容易產(chǎn)生變形。關(guān)于各冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)，使用范圍的比較如表1.1所示。表1.1各冷卻方式優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍冷卻方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用范圍壓力噴射冷卻水流為連續(xù)的，沒(méi)有間斷現(xiàn)象，呈紊流狀態(tài)噴射到板表面；可噴射到需要冷卻的部位；軋件上下表面冷卻差別顯著比冷卻特性很低；冷卻效率不高；水量消耗打，水的飛濺嚴(yán)重，冷卻不均勻；對(duì)水質(zhì)的要求較高，噴嘴容易堵塞，水的利用率低。適用于一般冷卻，或因?yàn)槠浯┩感院枚m用于水汽膜較厚的環(huán)境。層流冷卻比冷卻特性較高；水流保持層流狀態(tài)，可獲得很強(qiáng)的冷卻能力；上下表面、縱向冷卻均勻。冷卻區(qū)距離長(zhǎng)；集管之間存在一定的距離；達(dá)不到橫向冷卻均勻；對(duì)水質(zhì)的要求較高，噴嘴容易堵塞；設(shè)備龐雜，維護(hù)量較大且難維護(hù)要求強(qiáng)冷時(shí)，如熱軋板出口處水幕冷卻比冷卻特性最高；水流保持層流狀態(tài)，冷卻速度快，冷卻區(qū)距離短，對(duì)水質(zhì)要求不高，易維護(hù)，冷卻速度通常為12-30℃/s，有時(shí)高達(dá)80℃/s軋件上下表面，整個(gè)冷卻區(qū)域不均；可調(diào)節(jié)的冷卻速度范圍較小。不僅應(yīng)用于板帶鋼輸出輥道上的冷卻，有時(shí)也用在連軋機(jī)機(jī)架間的冷卻，霧化冷卻用加壓的空氣使水流成霧狀來(lái)冷卻鋼板，冷卻均勻，冷卻速度可調(diào)范圍大，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)風(fēng)冷、弱水冷和強(qiáng)水冷需要供風(fēng)、供水兩套系統(tǒng)，設(shè)備的線路復(fù)雜，噪音大。對(duì)空氣和水質(zhì)要求嚴(yán)格；車間的霧氣較大，設(shè)備容易受到腐蝕。適用于從空氣水冷到強(qiáng)水冷卻極寬的冷卻能力范圍，尤其適用于連鑄的二次冷卻。噴淋冷卻水為破斷式，形成液流群沖擊被冷卻的鋼板，比高壓冷卻噴嘴冷卻均勻，冷卻能力較強(qiáng)。需要較高的壓力，調(diào)節(jié)冷卻能力范圍小，對(duì)水質(zhì)要求較高。目前較多應(yīng)用于帶鋼連續(xù)熱處理冷卻中。扳湍流冷卻軋制后的鋼板直接進(jìn)入水中進(jìn)行淬火或快速冷卻，冷卻速度達(dá)到30℃/s冷卻速度的調(diào)節(jié)范圍較小，水量要求大。目前應(yīng)用較小水-氣噴霧法快速冷卻可嚴(yán)格控制冷卻速率和溫降；可對(duì)板材的較冷邊緣進(jìn)行補(bǔ)償冷卻，節(jié)省冷卻成本需要供風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)備龐雜。適用于極厚板或者低抗拉強(qiáng)度（低于600PMa）。含有鐵素體及珠光體/貝氏體顯微組織直接淬火冷卻速度快，冷卻能力范圍大；添加少量合金元素可以達(dá)到同樣強(qiáng)度；降低碳當(dāng)量，改善可焊性能；確保鋼板低溫韌性。適用鋼種有限；冷卻不均鋼板大部分變形在10mm以下。寬幅鋼板也在30mm以下。適用于高拉強(qiáng)度（大于600PMa）含有貝氏體和馬氏體組織。1.4帶鋼連續(xù)退火爐常用的冷卻方式連續(xù)退火機(jī)組將冷軋帶鋼軋后的清洗、退火、平整、精整4道工序集中在一條作業(yè)線上連續(xù)化生產(chǎn)，與傳統(tǒng)的罩式爐退火工序比較，具有生產(chǎn)周期短、布置緊湊、便于生產(chǎn)管理、勞動(dòng)生產(chǎn)率高以及產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[15]。它主要包括入口段設(shè)備、連續(xù)退火爐設(shè)備、出口設(shè)備，下面主要介紹一下連續(xù)式退火設(shè)備：連續(xù)式退火爐。冷卻設(shè)備是帶鋼連續(xù)式退火爐的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備之一，冷卻設(shè)備中冷卻方式的選擇對(duì)于加熱后的鋼帶的晶粒的形式，鋼帶組織性能有重要影響。氣體噴射冷卻(GJC)連退最初的冷卻方法是采用輻射冷卻，這種冷卻方法最大的特點(diǎn)是介質(zhì)不和帶鋼接觸，故對(duì)帶鋼表面不會(huì)產(chǎn)生不良影響，但冷卻速度慢，特別是當(dāng)帶鋼冷卻到較低溫度后，冷卻速度更低。后來(lái)相繼開發(fā)了氣體噴射冷卻技術(shù)(干式)，氣體噴射冷卻速度大大高于輻射冷卻速度。幾十年來(lái)隨著國(guó)外各公司對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)型式的不斷研究改進(jìn)，氣體噴射冷卻速度不斷提高。高速氣體噴射冷卻(HGJC)HGJC冷卻是將經(jīng)冷卻后的爐內(nèi)保護(hù)氣體(H2-5%)以高速噴于帶鋼表面的一種干式冷卻方式。HGJC冷卻系統(tǒng)不僅在產(chǎn)品質(zhì)量和操作性能上穩(wěn)定性好，而且其冷卻速度高于氣體噴射冷卻(GJC)，但該冷卻方法對(duì)于厚帶鋼還不可能達(dá)到高的冷卻速度，因此這種冷卻技術(shù)適于生產(chǎn)薄帶鋼。氣-水雙相冷卻(AcC)AcC冷卻是將霧化水作為冷卻劑噴于帶鋼表面的一種濕式冷卻方式。此冷卻方式在冷卻能力和操作穩(wěn)定性方面性能優(yōu)越，但該冷卻系統(tǒng)因水直接接觸帶鋼表面，造成帶鋼表面氧化，所以采用該冷卻方法進(jìn)行冷卻的帶鋼在其生產(chǎn)線上必須增設(shè)后處理設(shè)備和鎳薄鍍層處理工序。水冷(WQ)水冷是目前為止應(yīng)用于連退速度最快的一種濕式冷卻方法，其冷卻速度高達(dá)500℃/s以上。由于冷卻速度的大大提高，因而能生產(chǎn)深沖板和高強(qiáng)鋼(不能生產(chǎn)軟鋼)。但因冷卻速度太快，尤其是水冷后帶鋼表面形成汽膜造成冷卻不均，很容易產(chǎn)生變形問(wèn)題。同時(shí)水冷后帶鋼表面會(huì)產(chǎn)生氧化膜，因此，在生產(chǎn)線上必須增設(shè)酸洗工序設(shè)備，從而增加了基建投資成本和生產(chǎn)運(yùn)行成本。輥式冷卻(RC)輥式冷卻是用輥內(nèi)冷卻水來(lái)冷卻帶鋼的一種接觸式冷卻方法。輥冷技術(shù)是使帶鋼與具有內(nèi)部冷卻的輥?zhàn)咏佑|，通過(guò)熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)帶鋼冷卻，冷卻速度可達(dá)100℃/s。該冷卻方式可通過(guò)帶鋼與輥?zhàn)拥慕佑|時(shí)間控制冷卻速度和帶鋼終點(diǎn)冷卻溫度，而且還可以免去后續(xù)的酸洗工序。輥冷技術(shù)最主要的特點(diǎn)是帶鋼在冷卻過(guò)程中要和輥?zhàn)咏佑|，而且必須均勻接觸，否則將產(chǎn)生不均勻冷卻。熱水冷卻(HOWAC)熱水冷卻是比利時(shí)研究開發(fā)的一種濕式冷卻技術(shù)。冷卻速度為30～150℃/s，該冷卻方法通過(guò)沉沒(méi)輥的上下移動(dòng)，使得終點(diǎn)溫度處于可控狀態(tài)，無(wú)需再加熱設(shè)備，節(jié)約了能源，但該冷卻方法同樣需要酸洗工序，增加了投資成本和生產(chǎn)運(yùn)行成本。高速氣體(H2)噴射冷卻H2-HGJC冷卻是對(duì)高速氣體噴射冷卻技術(shù)的又一發(fā)展，該冷卻技術(shù)就是利用氫氣的高導(dǎo)熱性來(lái)提高帶鋼的冷卻速度，H2-HGJC冷卻中H2含量從HGJC的5%提高到50%，帶鋼的冷卻速度將提高1倍。由于該冷卻方式是屬于干式冷卻，所以其具備干式冷卻的一切優(yōu)點(diǎn)，而且由于含氫量的增加，帶鋼表面更加潔凈，既保證了帶鋼的表面質(zhì)量、板形和良好的操作穩(wěn)定性，又能夠具有較高的冷卻速度[16]。1.5冷卻裝置設(shè)計(jì)要求 研究冷卻方法，得出各冷卻方式適用范圍以及其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于我們?cè)诓煌牟牧喜煌囊笙逻x用不同的冷卻方式提供了一個(gè)重要參考。根據(jù)不同要求不同材質(zhì)選擇好了冷卻方式，再設(shè)計(jì)相關(guān)的冷卻裝置。使用冷卻裝置進(jìn)行溫度控制的過(guò)程中，影響溫降變化的因素很多，所以要求冷卻裝置的上下噴水段及噴水冷卻組的水量和水壓相對(duì)穩(wěn)定，供水總管的壓力與流量也要相對(duì)穩(wěn)定。其次，要求噴水管和噴嘴布置合理，噴水覆蓋范圍穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)冷卻裝置時(shí)，一方面保證帶鋼進(jìn)出冷卻裝置的溫降，另一方面還要控制帶鋼的冷卻速度，并力圖保持帶鋼全長(zhǎng)方向和寬度方向的冷卻均勻性，這樣使整個(gè)鋼板各處性能的一致性有了保證，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量[7]。1.6本設(shè)計(jì)概述本文主要是設(shè)計(jì)一個(gè)硅鋼帶冷卻裝置，冷卻過(guò)程主要是針對(duì)硅鋼在連續(xù)退火爐熱處理后的冷卻過(guò)程。主要目的是通過(guò)設(shè)計(jì)了解帶鋼冷卻過(guò)程，了解鋼鐵熱處理過(guò)程中冷卻過(guò)程對(duì)于鋼鐵性能的影響以及各個(gè)冷卻過(guò)程的一些優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，利用傳熱學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足給定冷卻要求的帶鋼冷卻裝置。具體的內(nèi)容有兩大部分：1、冷卻裝置的設(shè)計(jì)工藝計(jì)算。通過(guò)冷卻計(jì)算，確定冷卻裝置的關(guān)鍵尺寸以及噴管、噴嘴的布置方式、數(shù)量和型號(hào)。2、由計(jì)算數(shù)據(jù)用CAD制圖軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)裝置的主視圖、俯視圖、側(cè)視圖、后視圖、剖視圖以及設(shè)計(jì)過(guò)程中必要的示意圖。在冷卻裝置尺寸標(biāo)注中，包括裝置的尺寸參數(shù)、鋼結(jié)構(gòu)的定為參數(shù)以及設(shè)計(jì)中所用到的鋼材的材質(zhì)、數(shù)量。

2冷卻裝置的設(shè)計(jì)工藝計(jì)算連續(xù)退火爐快冷段帶鋼出口溫度的精度直接影響帶鋼的組織性能和力學(xué)性能，是保證帶鋼質(zhì)量和板形良好的重要因素。冷卻裝置的設(shè)計(jì)好壞，冷卻方式的選擇都會(huì)影響其冷卻效果以及最終影響鋼帶的組織性能。下面進(jìn)行帶鋼冷卻裝置的設(shè)計(jì)。2.1設(shè)計(jì)參數(shù)2.2.1帶鋼設(shè)計(jì)參數(shù)帶鋼運(yùn)行速度：；帶鋼尺寸：；帶鋼初始溫度：；帶鋼最終溫度：；帶鋼密度：帶鋼比熱：2.2.2水的設(shè)計(jì)參數(shù)水的初始溫度：水的比熱：水套中水的質(zhì)量流量：冷卻水壓：2.2單位時(shí)間總換熱量帶鋼從連續(xù)熱處理出來(lái)后，進(jìn)入冷卻裝置進(jìn)行冷卻。在這個(gè)過(guò)程中，帶鋼需從950℃降到550℃，總的換熱量既是帶鋼在這個(gè)過(guò)程中所要散失的熱。帶鋼速度： 帶鋼體積： (2.1) 帶鋼單位時(shí)間通過(guò)的質(zhì)量： (2.2)帶鋼溫降： (2.3)帶鋼單位時(shí)間放熱量： (2.4)2.3冷卻計(jì)算帶鋼在冷卻過(guò)程中所放出的熱的流向有幾個(gè)去向，帶鋼與設(shè)備之間的輻射散熱，冷卻水套帶走的熱以及與冷卻水之間的所進(jìn)行的換熱。但由于冷卻水套的存在，輻射換熱的熱量絕大部分最終通過(guò)冷卻水套所帶走。因此，在計(jì)算帶鋼熱流向的時(shí)候可以只考慮水套冷卻帶走的熱和冷卻水直接帶走的熱。2.3.1水套冷卻過(guò)程計(jì)算已知水套進(jìn)口水溫為45℃，考慮到溫度對(duì)水垢形成的影響，一般出口水溫不高于55℃，這里選取出口水溫為55℃。水套中水的質(zhì)量流量水套中水帶走熱量： (2.5)這部分熱占總熱量的比為： (2.6)取水的經(jīng)濟(jì)流速為： (2.7)又因，所以： 因此，冷卻水套水管選用DN65焊管，管子的尺寸為：。2.3.2噴淋冷卻過(guò)程的計(jì)算在噴淋冷卻的計(jì)算過(guò)程中，最關(guān)鍵的就是水與帶鋼表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的確定，其是冷卻裝置尺寸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。在這里，為了計(jì)算的簡(jiǎn)化，先假設(shè)帶鋼為薄材，并利用非穩(wěn)態(tài)傳熱的零維問(wèn)題的分析方法集總參數(shù)法，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，在計(jì)算的最后再進(jìn)行薄厚材的驗(yàn)證判斷。計(jì)算帶鋼表面綜合換熱系數(shù)帶鋼表面綜合換熱系數(shù)與單位面積噴水量存在著一定的關(guān)系，如圖2.1所示：是帶鋼由表面溫度920℃下降到不同溫度范圍內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系圖，圖中曲線編號(hào)所代表的溫度范圍及歸納的經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)表2.1[17]。表2.1平均傳熱系數(shù)線段編號(hào)表面溫度的經(jīng)驗(yàn)公式1920（600—785）2920（500—600）3920（400—500）4920（300—400）5920（200—300）6920（100—200）其中：為單位面積排水量（）從表中可以得出帶鋼表面綜合換熱系數(shù)與單位噴水量有如下關(guān)系： (2.8)圖2.1表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與單位面積噴水量關(guān)系單位面積噴水量計(jì)算如下：由于帶鋼表面溫度很高，冷卻水噴射到其表面后一部分蒸發(fā)，一部分達(dá)到飽和溫度以水的形式流出，為確保冷卻能力，這里，假設(shè)水的出口溫度為： 水的平均溫度 (2.9)由有 (2.10) (2.11)則，水的質(zhì)量流量 (2.12) (2.13)水的單位面積噴水量 (2.14)其中；是帶鋼一分鐘內(nèi)通過(guò)的面積。 (2.15)最終 將的計(jì)算結(jié)果帶入式2.8中，可得帶鋼表面綜合換熱系數(shù)為： 薄材驗(yàn)證對(duì)于薄材，須滿足；本設(shè)計(jì)中，，硅鋼導(dǎo)熱系數(shù)如圖2.2[18]，可根據(jù)帶鋼平均溫度選取，即則 (2.16)由結(jié)果可得，上述薄材假設(shè)成立，采用集總參數(shù)法的計(jì)算是正確的。圖2.2導(dǎo)熱系數(shù)-溫度變化關(guān)系圖2.4計(jì)算帶鋼冷卻時(shí)間在前面敘述中，假設(shè)了帶鋼為薄材，取帶鋼長(zhǎng)度方向一微元，故其面積為： (2.17)其體積為： (2.18)冷卻過(guò)程中，假設(shè)帶鋼厚度方向無(wú)溫差，由集總參數(shù)法可得[19]： (2.19)其中，為過(guò)余溫度；為帶鋼最終溫度，；為冷卻介質(zhì)最終溫度，可取水的平均溫度，；為帶鋼初始溫度，；為表面綜合換熱系數(shù)，；為帶鋼密度；為帶鋼比熱；帶鋼體積；為通過(guò)時(shí)間；為帶鋼通過(guò)面積。將數(shù)據(jù)帶入式2.18中參，得關(guān)系式： (2.20)將帶入2.19關(guān)系式得： 2.5確定最終水量由計(jì)算得出水噴淋質(zhì)量流量， 根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這里取富裕系數(shù)K=1.4，則最終的單位時(shí)間噴水量為： (2.21)3冷卻裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定冷卻裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括幾何參數(shù)：長(zhǎng)、寬、高，以及噴嘴數(shù)量，噴管尺寸等，下面就相關(guān)參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行確定。3.1噴嘴尺寸與數(shù)量的確定已知冷卻水壓為0.3，取噴嘴噴射角度為50°，帶鋼表面離噴管中心為350mm，計(jì)算帶鋼運(yùn)行方向噴嘴噴射的寬度，則有： 由于邊緣效應(yīng)的影響，可考慮各冷卻面積之間有25%的重合，如圖2.2所示圖2.3水噴淋冷卻面積示意圖最終在帶鋼運(yùn)行方向的噴嘴之間距離： (3.1)為冷卻均勻，噴嘴選用扇形噴嘴，其噴射寬度方向的尺寸約為長(zhǎng)度方向尺寸的60%。在帶鋼寬度方向同樣考慮25%的重合，有： (3.2)考慮板面兩邊應(yīng)預(yù)留30%噴淋余量，故帶鋼寬度方向噴淋實(shí)際覆蓋尺寸B1為： (3.3)則，噴嘴數(shù)量為： (3.4)最終，噴嘴數(shù)量為每排8個(gè)，間距為150mm；噴管距離帶鋼表面高度上、下噴嘴都為350㎜。配置布置如圖2.3所示。2.3噴嘴布置圖3.2確定冷卻裝置尺寸冷卻裝置長(zhǎng)度為帶鋼運(yùn)行速度乘以冷卻時(shí)間，即： (3.5)考慮帶鋼跑偏等因素，帶鋼邊部距離冷卻裝置內(nèi)壁尺寸取100mm，故冷卻裝置內(nèi)寬為： 由于帶鋼進(jìn)入冷卻裝置時(shí)溫度較高，約為950℃，冷卻裝置結(jié)構(gòu)選用水套式，一方面可以起到間接冷卻帶鋼的效果，另外一方面可以保證冷卻裝置在高溫下穩(wěn)定的工作。這里，水套夾層寬度為150mm。水套內(nèi)外層鋼板厚度取6mm，故冷卻裝置的外寬為 (3.6)上下噴嘴之間高度： 3.3確定噴嘴選型首先確定噴管排數(shù)，噴管之間間距為250mm故噴管總排數(shù)為： (3.7)即，噴管上下各十八排，一共36根噴管，噴管排布如圖2.4所示。2.4噴管布置圖噴嘴總數(shù)為： 每個(gè)噴嘴的流量： 考慮噴嘴型號(hào)以及下噴嘴受重力影響，上噴嘴能力可適當(dāng)縮小，下噴嘴能力可適當(dāng)放大；最終，上噴嘴能力為： 下噴嘴能力為： 噴嘴在高溫下工作，選取材質(zhì)為303不銹鋼，按照斯普瑞廠家進(jìn)行選型，上噴嘴型號(hào)為H1/4DT-SS5004，下噴嘴型號(hào)為H1/4DT-SS5005。噴嘴材料選擇與噴嘴能力及其選型的選取見(jiàn)表2.1、表2.3、表2.4。表2.1噴嘴材料的選擇表2.2噴嘴尺寸和重量3.4確定噴管尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，選噴管內(nèi)水流速為1m/s，則，每根上噴管輸水能力為： (3.8)每根下噴管輸水能力為： (3.9)上噴管內(nèi)徑： 表2.3噴嘴選型 (3.10) (3.11)下噴管內(nèi)徑： (3.12) (3.13)考慮到噴管制造標(biāo)準(zhǔn)，可適當(dāng)縮小或放大內(nèi)徑以選擇標(biāo)準(zhǔn)尺寸。如表2.4所示，上噴管選擇，下噴管選擇，噴管之間中心距為250mm； 表2.4鋼管的公稱口徑與鋼管的外徑、壁厚對(duì)照表單位mm3.5水冷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)為了保證設(shè)備在高溫下安全穩(wěn)定的運(yùn)行，在結(jié)構(gòu)上須加以特殊設(shè)計(jì)。對(duì)于加熱裝置一般采用耐火材料砌筑隔離高溫內(nèi)部介質(zhì)，對(duì)于冷卻裝置常采用水套式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。水套冷卻本體是主要是由板材組合焊接而成，中間采用圓鋼作為內(nèi)外層鋼板的固定支撐。一般情況下，內(nèi)外所選用板材的材質(zhì)是不一樣的，裝置內(nèi)部溫度較高并且與水霧直接接觸，常選用能耐腐蝕，耐高溫的不銹鋼；而外部則可以選用一般的鋼材，只要其強(qiáng)度滿足要求即可。因此本設(shè)計(jì)中冷卻水套內(nèi)層鋼板選用316（00Cr17Ni14Mo2）型不銹鋼材，而外層可選用Q235-A，兩層之間的距離為150mm，采用316L材質(zhì)的圓鋼作為固定支撐水套冷卻進(jìn)水方式采用下方進(jìn)水上方出水的形式，這樣可以讓水在裝置內(nèi)有足夠停留時(shí)間，獲得更好的冷卻效果。如圖4.5所示。圖2.5冷卻水套示意圖為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，水套裝置外面焊有鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)主要用角鋼、槽鋼工