（机械电子工程专业论文）热轧层冷区测温装置研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 热轧温度控制对热轧带钢成品质量有重要影响，提高带钢终轧温度的精度始 终是热轧温度控制领域的重要问题，而层冷是热轧生产过程中，最后一道温控工 序，在带钢终轧温度控制中扮演着重要的角色。现有的热轧层冷温度控制是在模 型预测的基础上，通过调节冷却水量实现的，预测模型的精度直接影响带钢的终 轧温度。通过修正预测模型的关键参数，提高模型的温度预测精度，是一种切实 有效的方法，但层冷区带钢表面被厚达数十厘米的冷却水所覆盖，通过常规的检 测方法，无法获得带钢表面的温度，极大的阻碍了模型修正工作的开展。针对这 种需求，受宝钢研究院委托，我方设计开发一套能够适应层冷恶劣环境的高精度 温度测量装置。 本课题主要对热轧层冷区测温装置和环境模拟试验台进行了研究设计，主要 内容如下： 第一章，概括介绍了热轧带钢生产设备和工艺流程。并指出了课题的研究背 景、研究内容和研究意义。 第二章，针对层冷区带钢表面有水层覆盖，无法直接进行测量的问题，提出 了接触式和非接触式测温方案，并对两种方案进行了分析比较。最后设计了热轧 层冷区测温装置。 第三章，建立了喷嘴悬浮系统的流场数学模型，采用c f d 软件对喷嘴系统 进行了三维仿真，研究了均压槽、喷嘴间隙、入口压强和下缘面积对喷嘴特性的 影响。最后对喷嘴悬浮系统整体的动态特性进行了建模仿真，并研究了阻尼孔对 系统动态特性的影响。 第四章，设计了一套热轧层冷区环境模拟试验台，模拟带钢的高速传送和振 动提出多种设计方案并进行了详细的研究对比，并对最终方案进行了可行性分 析。 第五章，利用有限元分析软件对实验台的关键件主轴、曲柄联接柱及长杆固 定座进行有限元分析，并进行了强度校核和结构优化。 关键词：热轧；层流冷却；带钢；测温；喷嘴；f l u e n t ；仿真 浙钉：大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fc o m p l e t es t r i ps t e e lp r o d u c tg r e a t l yd e p e n d so nt h ec o n t r o lo ft h e h o t - r o l l i n gt e m p e r a t u r e h o t - r o l l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o lh a sa l w a y sb e e nf o c u s i n go n h i g h e rt e m p e r a t u r er e g u l a t i n gp r e c i s i o n ，i nw h i c hf i e l d ，l a m i n a rc o o l i n g ，a st h el o s t p r o c e s s ，p l a y sas i g n i f i c a n tr o l e e x i s t i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e t h o d sf o rl a m i n a r c o o l i n gi nh o t - r o l l i n gm a i n l yb a s eo nm o d e lc a l c u l a t i n ga n df o r e c a s t i n gb ya d j u s t i n g c o o l i n gw a t e rv o l u m e s ，w h i l et h em o d e lp r e c i s i o nd r a w sd i r e c t e f f e c to nt h ef m a l r o l l i n gt e m p e r a t u r e m o d i f y i n gt h ek e yp a r a m e t e r si np r e d i c t i n gm o d e li sc o n s i d e r e d t ob ea l le f f e c t i v ew a yf o rh i g h e rf o r e c a s t i n gp r e c i s i o n s i n c et h es t r i ps t e e lo n p i p e l i n e i sc o v e r e db ys c o r e so fc e n t i m e t e r s c o o l i n gw a t e r , s e n s i n g s u r f a c e t e m p e r a t u r e ，r e q u i r e di nm o d e lc o r r e c t i n g ，c a nn o tb ec a r r i e do u tb yr e g u l a rm e t h o d s a sac o m m i s s i o nf r o ms h a n g h a ib a o s t e e lr e s e a r c h i n s t i t u t e ( s b p d ) ，w ea r e d e s i g n a t e df o rd e v e l o p i n gah i g hp r e c i s i o nt e m p e r a t u r es e n s i n gd e v i c eu n d e rs e v e r e l a m i n a rc o o l i n gs i t u a t i o n t h i st h e s i si sm a i n l yd e v o t e dt ot h ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c h o f t e m p e r a t u r em e a s u r i n ga n da r t i f i c i a ls u r r o u n d i n g s t h ef i r s tc h a p t e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ed e v i c e sa n dt h ep r o c e s sf o rh o t r o l l i n g s t r i ps t e e l ，a l s ow i t hb a c k g r o u n d ，g o a la n ds i g n i f i c a n c eo f t h ep r o j e c t t h es e c o n dc h a p t e rb r o u g h tu pa n dc o m p a r e dt w ot e m p e r a t u r es e n s i n gm e t h o d ， c o n t a c t i n ga n dw a t e re x p e l l i n gw i t h o u tc o n t a c tp o i n t ，s o l v i n gt h em e a s u r e m e n t d i f f i c u l t i e sw i t hw a t e rc o v e r i n gt o po fs t r i ps t e e l a ni m p l e m e n tw a sd e s i g n e d a f t e r w a r d s t h et h i r dc h a p t e rs e tu paf l o w - f i e l dm o d e lf o rn o z z l es u s p e n d i n gs y s t e m , w h o s e c f ds i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u t ，r e s e a r c h i n gn o z z l ec h a r a c t e r i s t i c sr e s u l t i n gf r o mt h e p r e s s u r e - u n i f o r m i n gn o t c h e s ，n o z z l ed i m e n s i o n s ，i n l e tp r e s s u r ea n di n f e r i o rb o r d e r a 嗽a l s o t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no r i f i c ea n ds y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c ew a s d i s c u s s e d 1 1 1 ef o r t hc h a p t e rd e s i g n e da na r t i f i c i a ls u r r o u n d i n g se x p e r i m e n tp l a t f o r mf o r s t r i ps t e e ll a m i n a rc o o l i n g h i g hs p e e dt r a n s p o r t a t i o na n dv i b r a t i o nc o n d i t i o nw a s n 望望奎兰堡主兰焦笙塞 一一一 t a k e ni n t oa c c o u n ta n dc o m p a r e d ，w i t ha n a l y z i n go nf m a li m p l e m e n t i n g t h ef i f t hc h a p t e rs t u d i e dt h ek e ys h a f t ，l i n k i n gb r a c ea n dp o l eb a s eo f e x p e r i m e n t p l a t f o r m , u s i n gt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y z i l l gs o f t w a r e ，p r o v i d i n gt h ei n t e n s i o n c h e c k i n ga n d s t r u c t u r eo p t i m i z i n g k e y w o r d s ：h o t - r o l l i n g ；l a m i n a rc o o l i n g ；s t r i ps t e e l ；t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ； n o z z l e ；f l u e n t ：s i m u l a t i o n 1 1 1 学号垦里塑f31 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸婆盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：启中俸华签字日期：e 匕一7 年石月c i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名力啤传绰 签字日期：a 。口 年6 月d 日 学位论文作者毕业后去囱： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 p 吃哿 签字日期：2 嘲年台月日 电话 邮编 浙订：大学硕士学位论文 i i 课题研究意义 第一章绪论 在热轧带钢生产中，带钢的温度直接影响着最终产品的尺寸精度及其组织性 能【l 】【2 】。因此，在热轧带铜生产控制过程中，带钢温度的预测与控制是影响轧制 速度、轧制力、辊缝等的重要因素，也是提高轧制稳定性的核心【3 j 。轧后层流冷 却是热轧带钢生产过程中，最后一道温度控制工序，在带钢整个温度控制中扮演 着重要的角色h 】【5 】。层流冷却过程的目的是通过冷却过程控制带钢的温度，使带 钢温度从终轧温度冷却到接近工艺所确定的目标卷曲温度，并通过层冷区温度控 制来改变带钢的晶相组织，细化带钢晶粒，提高加工性能、力学性能和物理性能 1 6 。因此可以说，能否有效提高最终产品质量，关键在于能否对带钢温度进行精 确的控制【，j 。 国内外热轧线模型自主研发计划中，针对轧制和层冷区的温度研究一直是提 高轧制过程中温度控制精度的重要课题之一f 8 】 9 1 。现有的热轧层冷温度控制是在 模型预测的基础上，通过调节冷却区水量实现的，预测模型的精度直接影响带钢 的终轧温度【1 0 】【1 1 1 。以国内的宝钢为例，宝钢已经投产的两套热轧线1 5 8 0 和2 0 5 0 ， 前者采用指数类型平均温度预测模型，后者采用更简单的r 甲均温度线性预测模 型。此类模型有它的优点，也有缺点。优点是线性、简单的温度模型将减少计算 的时间，以适应快速的带钢生产，缺点是建立模型的过程中忽略热在带钢厚度方 向上的传导，对于较厚带钢的温度控制将产生明显的偏差0 2 。随着技术的发展 和对产品质量要求的提高，现有的平均温度线性预测模型和指数类型平均温度预 测模型，已经无法满足热轧生产的要求，迫切要求研究带钢从粗轧、精轧到层冷 的高精度温度预测模型f 1 3 】f 1 4 ) 。 通过修正预测模型的关键参数，提高模型的温度预测精度，是一种切实有效 的方法【1 5 1 。如图i - i 所示，课题在基础自动化级自主研发热轧层冷区测温装置， 实时采集带钢全长数据，并基于实测温度数据对温度预测模型进行参数综合优 化，从而开发出高精度的温度控制模型【l “。热轧层冷区温度测量装置的研制成 功将有利于精确预测和控制带钢在热轧过程中的温度，从而大i 幅度提高产品质 量，获得优质、高韧性、低屈服强度比的带钢。同时，热轧层冷区测温装置的研 浙江大学硕士学位论文 究也对国内新型热轧线模型的自主研发具有重要的现实意义【m 。 1 2 课题研究背景 图i - l课题研究意义和目的 1 2 1 热轧线设备和工艺流程简介 1 热轧线设备介绍 课题以上海宝钢热轧线为研究背景进行测温装置的研究。宝钢现投产的热轧 线有一热轧2 0 5 0 、二热轧1 5 8 0 ，以及正在建设的三热轧1 8 8 0 。 幻2 0 5 0 热轧线 由s i e n m e n s 引进，3 4 连续式热带轧机，采用c v c 板形控制、立辊大测 压、全液压a g c 、最佳化剪切等先进技术。年设计产量4 0 9 万吨，目前为5 1 0 万吨。带钢厚度1 2 2 5 4 m m ；宽度范围6 0 0 1 9 0 0 m m t l 8 】。 m1 5 8 0 热轧线 由日本三菱引进，采用了热装、热送和直接轧制、粗轧大侧压、边部加热器、 交叉轧机( p c ) 及板形控制、在线磨辊装置( o r g ) 、轧线电气传动全数字化等 技术。年设计产量2 7 9 3 6 万吨，目前3 2 0 万吨。产品厚度：1 5 1 2 7 r a m ：宽度： 7 0 0 1 4 3 0 m m t l 9 1 。 c ) 1 8 8 0 热轧线 三热轧采用常规半连续式热轧带钢轧机，轧机的宽度为1 8 8 0 m m 。主要设备： 四座步进梁式加热炉；一台定宽大侧压机；两台粗轧机，一台为不带立辊的两辊 可逆轧机，另一台为带立辊的四辊可逆轧机；七台精轧机，前四台采用p c 交叉 2 浙江大学硕士学位论文 轧机，工作辊采用正负弯辊，后三台采用平辊可窜动轧机，工作辊采用负弯辊； 精轧后设有输出辊道和加强型层流冷却系统；两台液压式三助卷辊地下卷取机； 卷取结束后进行打捆、喷印及称重；运输链和钢卷小车等运输系统；钢卷采用卧 式运送 2 0 l 。 2 热轧工艺流程介绍 图1 2热轧线设备布置示意图 板坯从加热炉出来经过粗轧高压水除鳞机除去氧化铁皮后进入粗轧机组进 行轧制。粗轧机组包括一台大立辊轧机( e 1 ) 、一台二辊可逆轧机( r 1 ) 、一台 四辊可逆万能轧机( e 2 、r 2 ) 和两台四辊不可逆万能轧机( e 3 、e 4 、r 3 、r 4 ) ， 最后两台轧机串列布置形成连轧。图1 2 为热轧线设备布置示意图。每架水平机 架前均设有立辊，可以进行宽度自动压下( a w c ) 。板坯在粗轧机组中被轧成精 轧机所需宽度及厚度的粗轧坯【2 m 1 12 1 。 用设在粗轧机组与精轧机组之间的中间辊道把粗轧坯送往精轧机组进行轧 制。中间辊道两侧设有废品推出机和废品台架，用来处理废品。保温罩骑跨在中 间辊道上，对粗轧坯保温。 粗轧坯先进入切头飞剪并在其行进中剪去头尾，之后进入精轧除鳞机去除二 次氧化铁皮，然后进入七机架串列式布置的四辊不可逆精轧机( f 1 f 7 ) 中，最 后被轧制成一定厚度的带钢。f l 和f 2 之间设的微张力控制装置与f 2 f 7 之间所 设的活套支持器用以调整轧制带钢的张力。机前设工作辊快速更换装置，在十几 分钟内可以把七台精轧机工作辊全部更换完毕。 精轧后带钢被输出辊道送往卷取机进行卷取。输出辊道上方设有带钢层流冷 却装置，下方设有喷水装置，对带钢进行冷却，把带钢温度控制到卷取温度。卷 取机前还设有夹送辊用于辅助带钢进入卷取机和在带钢头尾与卷取机之间形成 张力，以提高卷取质量。为提高生产率，带钢在精轧机和卷取机同时升速的情况 浙江大学硕士学位论文 下进行轧制。带钢在卷取机上卷取完成后，卷筒收缩形成钢卷，用卸卷小车把钢 卷送到翻卷机上被倾翻到高速链式运输机上。在卷取机及翻卷机之问设卧式打捆 机，在钢卷圆周方向进行打捆。钢卷在运输机上立卷运输。高速链式运输机后面 设打印机对钢卷进行编号打印，然后步进梁式运输机和链式运输机交替地将钢卷 运送到各个钢卷库存放。在运输机一侧还设有钢卷检查线对钢卷进行抽查，详细 检查钢卷表面质量，并切取试样检验理化性能。 钢卷在钢卷库内冷却后，一部分钢卷直接发货或经平整机组平整后包装发 货，一部分钢卷送到横剪切线和纵剪切线被切成钢板或窄钢卷后包装发货。大部 分低碳钢热轧钢卷被送到冷轧厂的钢卷库存放，作为冷轧钢卷的原料，钢卷库布 置在冷轧酸洗线的前面。其余钢卷直接在热轧钢卷库冷却存放田 2 4 1 。 1 2 2 辅助测温装置研究现状 宝钢1 8 8 0 三热轧配备了新型的密集冷却装置，该装置密集布孔和水压增大， 使下冲冷却水和带钢的直接对流热交换面积远大于常规冷却条件下的直接接触 面积，因而使密集冷却的速度可以达到常规冷却的几倍。另外，由于高强钢等特 殊钢种将在三热轧中生产，这些钢种不仅要求控制带钢的卷取温度，还要求控制 带钢冷却速度等过程量，这对层冷温度跟踪模型提出了更高的要求。热轧层冷区 现场环境非常恶劣口5 】【2 6 j ：带钢的终轧温度为8 6 0 c 9 6 0 。c ，目标卷取温度为 5 0 0 6 0 0 c ；带钢的运动速度约为1 5 m s ，同时带钢在竖直方向上有较高频率 和较大幅度的振动；表面还有随带钢高速运动的层流冷却水。图1 3 所示为层冷 区测温装置的测温环境。 图1 - 3热轧层冷区环境 4 浙l ：大学硕士学位论文 由于层冷区环境的恶劣，目前国内外的常规方法及手段只能获取带钢终轧和 带钢卷取入口的温度，而在层流冷却过程中的带钢温度无法跟踪。这是由于轧件 刚从轧机中轧出，表面状况良好，加上厚度适中，因而所测温度能较好地反映带 钢的实际温度。图l - 4 所示为热轧线测温点示意图。 口测温点 1 3 课题研究内容 图l - 4热轧线测温点示意图 热轧带钢在输出辊道上的冷却速度及其最终卷取温度，很大程度上决定了带 钢的最终性能，相应的温度控制技术在近年也受到广泛重视【2 7 1 。目前常规方法 只能获取带钢终轧和带钢卷取入1 3 的温度，在冷却过程中的温度无法跟踪2 引。 而且1 8 8 0 三热轧配备了新型的密集冷却装置，该装置由于密集布孔和水压增大， 使下冲冷却水与带钢的直接对流热交换面积远大于常规冷却条件下的直接接触 面积，因而使密集冷却的速度可以达到常规冷却的几倍口9 】。另外，由于高强钢 等特殊钢种将在三热轧中生产，这些钢种不仅要求控制带钢的卷取温度，还要求 控制带钢冷却速度等过程量，这对层冷温度跟踪模型提出了更高的要求 3 0 l 。 本课题的研究内容就是研究开发出热轧层冷区温度测量装置，对带钢表面温 度进行连续测量。然后将采集到的温度数据用于验证层冷温度跟踪模型和修正模 型参数，以及分析终轧温度、终轧速度、终轧厚度、目标卷取温度等工艺参数对 带钢温度变化的影响。从而提高带钢冷却速度和卷取温度的控制精度，及缩短模 型调试时间，最终实现对整个带钢热轧模型的优化【3 1 】【3 2 】。 本课题的具体研究内容主要包括以下几个方面： 1 喷嘴悬浮系统特性研究 包括：喷嘴悬浮系统边界条件对喷嘴悬浮特性和喷嘴悬浮系统响应特性的影 响。 浙钉：大学硕士学位论文 2 热轧层冷区测温装置设计 ， 包括：测温头设计、支撑平台设计、支撑臂位置控制系统设计、测温头位置 控制系统设计、供气系统设计、温度采集及记录系统开发。， ， 3 热轧层冷区环境模拟装置设计 包括：带钢水平运动模拟装置设计、带钢振动模拟装置设计、层冷区水环境 模拟系统设计、电机控制系统设计。 6 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章热轧层冷区测温装置设计 经过热轧生产线精轧模块后，带钢进入层流冷却区。在冷却过程中，带钢被 大量的冷却水所覆盖。红外测温器无法测量出层流冷却区的带钢温度”】。本章 针对此问题，设计一套能将热轧带钢表面的冷却水排开，用红外测温器测出带钢 温度的热轧层冷区测温装置。 2 2 方案设计 本测温装置的设计难点主要集中在如何将带银层流冷却区的冷却瘩摊并，形 成带钢裸露区，以成功测出带钢温度。针对此难点，本文提出以下两种解决方案： 接触式测温方案和非接触式测温方案。以下将对这两种测温方案做一系列比较分 析，以期得出最佳方案。 2 2 1 接触式测温方案 接触式测温方案根据滚动体的不同可分为滚珠式和滚轮式。其工作原理如 下： c a ) 浙江大学硕士学位论文 簧 向轴 珠 带铡 ( b ) 图2 - 1非接触式方案原理 ( a ) 滚轮式( b ) 滚珠式 该方案由弹簧、万向轴、红外测温仪、吹扫器、滚动体、导向管等组成，如 图2 1 所示。吹扫器通过万向调节机构安装在导向管内，保证吹扫器轴线偏离导 向管轴线一定角度，吹扫器上部安装弹簧，红外测温仪安装在吹扫器内部。测温 时，导向管下降，弹簧受压，吹扫器下降，滚动体始终与带钢表面接触。当带钢 振动时，弹簧保证滚珠始终与带钢表面接触，以保持喷口与带钢的间隙。当带钢 表面倾斜时，万向轴可保证吹扫器轴线始终垂直于带钢表面。吹扫器底面与带钢 表面保持恒定距离，可避免吹扫器底部与带钢表面发生碰撞。高压气体从吹扫器 底部中心孔吹出，将带钢表面的水层吹开，形成无水裸露区域，从而测得此处带 钢温度。 接触式测温方案实际上是依靠滚动体与带钢接触使吹扫器与带钢始终保持 一定间隙，再通过从喷口吹出的高压气体将喷嘴周围水吹开，从而测得层冷区带 钢的温度。但正是因为滚动体与带钢由接触，在带钢的高速运动和快速振动下滚 动体就有可能对高温带钢表面形成损伤。通过计算运动和振动中的带钢与滚动体 所形成的表面接触应力，求得带钢与滚动体的最大表面接触应力o m a x 可达 8 3 8 m p a ，已超过带钢在高温下带钢的屈服强度o o 2 = 3 0 4 0 m p a ，因此滚动轮与 带钢的接触足以使带钢产生塑性变形，从而形成划痕。因此接触式测温方案是不 浙汀大学硕上学位论文 可行。 2 2 2 非接触式测温方案 图2 - 2非接触式方案示意图 如图2 2 所示，接触式方案与非接触式方案的不同点就是由可垂直方向运动 的喷嘴代替接触式方案中的滚动体。其原理主要是：利用高压气体喷射时形成的 气压场将测温头底部的喷嘴悬浮起来，在此过程中因为有大量的气体喷向带钢， 将喷嘴在带钢的覆盖区域的冷却水吹开形成无水裸露区，红外测温器通过喷嘴的 喷口测得带钢温度。 气动喷嘴位置采用被动控制方案。气动喷嘴采用入口横截面积小、出口横截 面积大的结构，出口底面平行于带钢表面。压缩空气从测温头上部a 口进入喷 嘴，然后从喷嘴b 口喷出，直接作用在带钢表面。在喷嘴入口处，压缩空气对 喷嘴有沿喷嘴轴线向下的压力，在喷嘴出口处，由空气动力学可知，喷嘴出口的 压缩空气将对喷嘴下缘面产生沿其轴线向上的作用力，当压缩空气的压强一定 时，该作用力的大小与喷嘴与带钢表面间的距离大小有关。当喷嘴在两作用力的 作用下达到平衡时，就能与带钢保持一定的间隙。通过控制阀调节压缩空气压强， 还可以调节该间隙大小。但喷嘴必须设计成体积小、重量轻、摩擦力小，使其动 态特性好，能准确跟踪带钢的振动。 因为该方案是一种非接触方案，可以在测温时避免因为与带钢接触而出现的 划伤，从而保证带钢的质量。但悬浮系统设计上也存在较多困难，因为无法确定 喷嘴几何尺寸具体为多少时，悬浮效果能达到最好。因此在设计过程中需要不断 9 浙江大学硕上学位论文 对喷嘴进行仿真和试验，找出喷嘴系统的影响因素，然后依据仿真和试验结果对 喷嘴尺寸进行修改，以期达到最好的效果。 2 3 热轧层冷区测温装置整体方案设计 2 3 1 测温装置的组成 方案整体设计如图2 3 所示，系统主要包括可移动式控制柜、测温平台、 支撑臂位置控制系统、测温头位置控制系统和空气压缩系统的几个部分。以下对 系统各部分做较详细说明。 图2 3测温装置方案示意图 1 可移动式控制柜2 数字式水仪3 工作平台4 支撑臂控制电机5 测温头位置控 制电机6 平行四边形机构7 测温头8 带钢9 支撑臂l o 水平调节凸块1 1 测 温平台支撑脚1 2 带钢生产线挡台 2 3 2 可移动式控制柜 为增强测温系统的便携性能，设计可移动式控制柜。该控制柜底部装有滚动 轮和支撑脚，下部平板用于安装速度控制电机控制器、位置控制电机控制器、压 力控制阀、压力表、流量表和温度采集电路盒，上部平板用于支撑整个测温装置， 此外，在控制柜的两端安装有气压机构，用于提升和降低测温装置。控制柜底部 l o 浙江大学硕士学位论文 还设有支撑脚，工作时支撑在地面上，用于调节工作台的水平和防止测温时控制 柜发生滑移。 2 3 3 测温平台 该平台主要由支架平台、数字水平仪、支撑臂和水平调节凸块等组成。两个 数字水平仪安装在支架平台上，用于显示工作台台面的水乎度和辅助调节工作台 水平。支撑臂主要作用是收放测温头部分和保障测温头的甲稳。水平调节凸块安 装于支架平台上，用于调节支撑臂在垂直于带钢运动方向上的水平度，保证气动 喷嘴与带钢表面垂直。 测温前，先用控制柜中的气压机构将整个测温装置从控制柜中提升至层冷区 侧边平台同等高度并水甲移至层冷系统侧边甲台上，调节控制柜底部四个支撑脚 和便携式支架前端两个支撑脚的高度，保证支架甲台处于水甲，最后将支架甲台 紧固于层冷系统侧板上的孔上。 2 3 4 支撑臂位置控制系统 支撑臂位置控制系统主要目的是控制测温头上升和下降。该系统主要由减速 器、电动机及其控制器等组成。支撑臂一端与支架平台联接，另一端与测温头相 连。工作时电动机通过减速器减速，将转动传递至支撑臂，带动支撑臂旋转，实 现测温头的上升与下降。 工作过程如下，带钢头部未出现前，电动机将支撑臂保持在竖直位置。当带 钢头部从精轧机末机架出来，热金属检测器可检测到带钢头部出删3 4 1 ，并将该 信号传送至计算机，计算机采集到该信号和延迟一定时间后，控制电动机将支撑 臂慢速旋转下降至水平位置。当精轧完成时，热金属检测器检测到带钢尾部的出 现，计算机将控制电动机将支撑臂从水平位置快速旋转上升，回收测温头，以避 免测温头与带钢发生碰撞。 2 3 5 测温头位置控制系统 测温头位置控制系统的功能就是控制测温头与带钢表面的距离。本方案采用 主动控制，通过控制测温头喷嘴在吹扫器中的位置以间接控制测温头的位置。该 浙江大学硕士学位论文 系统主要由位置控制电机及其控制器、减速器、平行四边形机构和激光位移传感 器等组成。平行四边形机构与减速器联接，后者与位置控制电机输出轴固接，测 温头通过平行四边形机构与支撑臂相连，保证测温头不摆动和垂直于带钢表面。 安装于测温头里的激光位移传感器将测量的喷嘴位移量时时传送至计算机，计算 机处理信号后将控制信号传送至位置控制电机控制器，后者控制电机转动，以带 动测温头上下运动。该系统控制方块图如图2 4 所示。 ， 图2 4测温头喷嘴位置控制系统方块图 其中： 上矿一气动喷嘴在测温头中的设定位置； e 气动喷嘴在测温头中的相对位置； 弘位置控制电机转角； 日l 一测温头与辊道轴间的距离，也即测温头的绝对位置； 仁带钢振动幅度； 卜气动喷嘴底面与带钢表面间的距离j p r _ 茸动喷嘴底面与带钢表面间的压缩空气对气动喷嘴的压力。 2 3 6 空气压缩系统 该部分系统主要功能是向测温系统提供高压气体。该系统由空气压缩机、分 流器、压力控制阀、压力表和流量表等几部分组成。空压机提供压缩空气，分流 器将高压气体分流到三个控制阀。三个控制阀分别控制向测温头、位置控制电机 冷却罩和控制柜气动提升系统输送的高压气体。 2 4 测温头设计 2 4 1 测温头结构设计 测温头结构设计如图2 5 所示。主要由红外测温器、喷嘴、激光位移传感器 1 2 浙订：大学硕r 上学位论文 和外壳组成。其工作原理如下： 高压气体从测温头的喷嘴喷出，使层冷区带钢表面形成一块裸露的无水区。 带钢的热辐射能通过喷嘴孔进入红外测温传感器中，传感器将温度信号转换为电 信号d 习【3 6 1 ，然后温度采集系统将此电信号采集处理，从而完成整个测温过程。 图2 - 5测温头结构示意图 1 红外测温器2 激光位移传感器3 喷嘴 测温头中激光位移传感器作用主要是在测温过程中测出喷嘴在测温头中的 相对位置，以辅助测温头位置控制系统控制测温头的位置。 以下几节中将对测温头中的关键部件进行设计。 2 4 2 喷嘴设计 参考现有类似喷嘴的设计和依照项目设计要求，设计出喷嘴基本外形尺寸 ( 如图2 - 6 所示) 。 图2 - 6喷嘴几何尺寸 浙江大学硕r 上学位论文 喷嘴材料选择：在本文的非接触方案中，为使喷嘴形成悬浮状态，喷嘴与带 钢的间隙很小，基本上保持在o 3 m m 左右。因此喷嘴的温度与带钢的温度接近。 又考虑到带钢振动频率较高，为增强喷嘴对带钢振动的响应特性，因此在材料的 选择上喷嘴需要采用耐热性好同时密度较小的质轻材料。综合喷嘴的设计要求和 各种材料的性能，本设计最终选择钛合金作为喷嘴制造材料。 钛合金是广泛地运用于航空航天技术领域的高性能材料，其重量轻、强度高、 韧性好、耐腐蚀是其最显著的特点。钛合金可以分为d ，a + 卢，芦型合金及钛铝 金属间化合物( t k a l ，此处x = l 或3 ) 四类。表2 1 为各钟钛合金性能特点。 表2 - 1四类典型钛合金及特点 类别典型合金特点 啊5 a i 一2 5 s n 强韧性一般，焊接性能好，抗氧化强， t i ，6 a l 一2 s n - 4 z r _ 2 m 0蠕，叟强度较高。 t i 一6 a 1 4 v 强韧性中上，可热化处理强，可焊， d + 坷 疲劳性能好，多应用于铸造刊头，如铁杆、 t i - 6 a 1 - 2 s n 一4 z r - 6 m o 球道木等。 口 t i - 1 3 v 1i c r - 3 a i s p 7 0 0强度高，热处理强化能力强，可锻性 t j 1 5 v a - 3 c 卜3 a l 一3 n i 及冷成型性能好，可适用多种焊接方式。 t i x a l t i 3 a l ( t 1 2 1 和t i a i ( y ) 使用温度有望达到9 0 0 1 2 ，但室温塑韧 性差。 通过以上比较，喷嘴材料选用了t i k a l 型钛合金。但因为钛合金的加工性能 较差，因此喷嘴的加工需要到一家较专业厂进行。 2 4 3 测温头密封设计 由于测温头中需要用到高压气体，因此在测温头的设计上还需要做密封处 理。本密封设计的原则是在保证安全性的同时能够满足装拆的方便性。在测温头 所处的温度环境上，虽然层冷区带钢温度很高，但因为测温头一直浸泡在大量的 冷却水中，因此测温头的温度基本上和冷却水的温度接近( 约1 0 0 左右) 。考 虑到设计原则和所处的温度环境，本设计采用了传统的o 型圈密封方式。 o 形圈是一种挤压型的密封件，有良好的密封性。使用范围从1 3 3 3 1 0 5 的 真空到4 0 0 m p a 的高压( 动密封可达3 5 m p a ) ，使用温度6 0 2 0 0 。具有以 下优点： 1 4 浙订+ 大学硕士学位论文 结构简单，安装部位紧凑，重量较轻； 自密封作用，往往只用一个密封件就能完成密封； 密封性能较好，用作精密封时几乎没有泄漏； 动摩擦阻力小，对压力交变的场合也能适应； 标准化，成本低，便于购买使用。 根据g b 3 4 5 2 1 9 2 ，0 型圈选择2 0 0 5 3 0 g b 3 4 5 2 1 9 2 。材料上氟橡胶，氯 丁橡胶等均可以满足要求，可根据价格等因素确定最优方案。 具体密封结构如图2 7 所示。 丁一j f 1 1 i 一厂i j! ：芸一ii 【ll 兰1 1 r _ l【一气刖 、厂 ：= = 等、r 。 ni | 【、 ( ” 图2 7密封结构图 ( a ) 整体结构图( b ) 局部视图 2 5 红外温度传感器的选择 本方案采用红外辐射测温方法对带钢温度进行测量。 因为带钢的温度较高( 范围大约为5 0 0 4 c 1 0 0 0 c ) ，因此选择了由美国雷 泰公司生产的红外测温仪，型号：f r l a ，如图2 8 所示，其性能参数如表2 - 2 所示。 图2 - 8红外测温仪 1 5 浙江大学硕士学位论文 表2 - 2红外测温仪性能参数 型号温度范围d ：s响应时问光谱响应精度重复性l f r i a5 0 0 1 1 0 0 2 0 ：l1 0 m s双色士o 3 士， 2 6 空气压缩机的选择 本设计采用喷嘴悬浮式测温方案，其特点是利用喷嘴与带钢之间的气压场所 形成对喷嘴的反作用力使喷嘴悬浮。在工作过程中需要消耗大量高压气体，因此 本设计中需要一个空气压缩机提供高压气体以保证喷嘴悬浮。 根据计算和在第三章中的仿真结果，本设计选择气压为o 7 m p a ，流量约为 2 5 m 2 m i n 规格的空气压缩机。还考虑到在测温装置设计上，宝钢提出了便携性 要求，因此需尽量选择体积小，重量轻，便携性好的空气压缩机。 综合现有一些空气压缩机的性能、便携性和经济性因素，本设计最终选择了 由沈阳空气压缩机厂生产，型号为w - 2 6 8 7 ( 如图2 - 9 所示) 的空气压缩机。其 技术参数如表2 3 所示。 图2 - 9空气压缩机 表2 - 3空气压缩机参数表 型号 排气量 排气压力功率外形尺寸 重量 驱动机 m 2 m i nm p ak wm m l 唱 w _ 2 6 8 72 6 8 0 7 1 51 3 4 0 + 6 8 0 4 9 7 0 4 5 0 三相电动机 1 6 浙江大学硕士学位论文 2 7 水平仪的选择 因为测温时测温头喷嘴要与带钢保持平行，以免喷嘴与带钢发生碰撞，所以 工作平台在测温前必须做水平处理。本设计中水平处理是通过在平台上设立在 x 、y 两轴上各设一个高精度的水平仪，然后通过调节平台上的水平调节螺栓达 到调整工作平台水平的目的。同时为避免发生碰撞，带钢与喷嘴之间需要保持一 定间隙。根据喷嘴下缘面的直径和间隙的大小可计算出喷嘴与带钢之间的最大角 度为( 如图2 1 0 所示) ： = s l n - i 0 4 3 0 = 0 4 3 。 n o 图2 一l o喷嘴倾斜示意图 根据以上计算可知，水平仪的分辨率需小于o 0 1 0 。考虑到尽量保证喷嘴的 水平和经济性，因此本设计选择了陕西航天长城科技有限公司生产的数字式水平 仪( 如图2 1 l 所示) ，其性能参数如表2 4 所示。 图2 - 1 1数字式水平仪 浙江大学硕士学位论文 表2 - 4数字式水平仪性能参数 测量范围 + 1 0 。 显示范围 士2 0 0 分辨率 0 0 0 1 。 线性度 o 2 f r 稳定时问大约0 3 秒 供电电压 5 v d c 允许供电电压范围 3 6 v d c 消耗电流 大约i m a 防护等级嬲 工作温度 一4 0 + 8 5 储存温度 4 5 + 9 0 重量( 除去电线)大约2 5 克 2 8 本章小结 本章针对热轧层冷区带钢表面有水层覆盖无法进行直接测量的问题，提出了 接触式和非接触式测温方案和比较了两种测温方案的优缺点，并设计了热轧层冷 区测温装置。 ： 浙江大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章测温头喷嘴特性研究 根据热轧带钢测温装置设计方案，测温头在测温过程中，高压气体从喷嘴中 喷出，将带钢表面的冷却水吹开形成无水裸露区域，再通过红外测温器将此处带 钢温度测出。由测温装置的测温原理可以知道，喷嘴在此测温方案中起到非常关 键的作用，其性能的好坏将直接影响本测温装置性能的好坏。因此有必要对喷嘴 的特性做一定的研究，以期得出一些对喷嘴设计具有指导性的理论性依据。 本章将以f l u e n t 和m a t l a b 软件作为研究手段，以测温头喷嘴作为研究 对象，研究改变相应边界条件对喷嘴系统特性的影响。 3 2 喷嘴流场特性研究 3 2 1f l u e n t 软件简介 f l u e n t 软件设计基于“c f d 计算机软件群的概念”，针对流体流动特点， 采用适当的数值解法，计算速度快，稳定性和精度高，从而高效率地解决各个领 域的复杂流动的计算问题。还可以计算流场，传热和化学反应，可以方便与其它 软件地进行数值交换，统一的前后端处理工具，为f l u e n t 的通用化建立了基 础【3 7 1 。 f l u e n t 囊括了f l u e n td y n a m i ci n t e r n a t i o n a l 比利时p o l y f l o w 和f l u e n t d y n a m i ci n t e r n a t i o n a l ( f d i ) 的全部技术力量，因此f l u e n t 软件能推出多种优 化的物理模型，如定常流动和非定常流动；层流( 包括各种非牛顿流模型) 紊流 ( 包括最先进的紊流模型) ；不可压缩流动和可压缩流动传热；化学反应等。针 对不同物理问题的流动特点，用户可选择显式或隐式差分格式，在计算速度、稳 定性和精度方面达到最佳。所以f l u e n t 软件在工程技术中得到广泛的应用【3 8 1 。 1 9 9 8 年f l u e n t 正式进入中国市场，现在已成为c f d 的主要软件，其市场占有 率达到4 0 。图3 - 1 为f l u e n t 软件的基本结构。 f l u e n t 软件包含了8 种工程上常用的湍流模型，每一种模型又有若干子模型。 其中舡模型又包括鲁棒性较好的s t a n d a r dk - e 模型、针对逆压梯度的r n gk - e 1 9 浙江大学硕士学位论文 模型和针对旋流的r e a l i z a b l ek - e 模型。这三种湍流模型又分别包括三种壁面函 数：标准壁面函数( 应用最广泛，鲁棒性最好) ，非平衡壁面函数( 适用于分离 流，逆压梯度) ，双层区域壁面函数( 将层流底层同湍流区分别计算，要求y + = 1 ) 。 p 陀p d f g a m b i t 模型的创建 2 d 或3 d 叫格的生成 儿何模型或网格 2 d 或3 d 叫格i边界嘲格 删格 其他c a d 或c a e 软件 t g r i d 2 d 三角形嘲格 ，d 丹面体梅 2 1 ) 或3 d 混合叫格 图3 - lf l u e n t 基本程序结构 f l u e n t 的计算方法是f v m ( 有限体积法) ，g a m b i t 是它专用的前处理 软件，图形的创建、网格的划分以及边界条件的加载都是在g a m b i t 里面完成 的。其中网格的划分是最重要也是最复杂的部分，它的选取直接决定了计算结果 的好坏”】。网格的划分可以根据需要选择合适的形状。对二维流动模型，可以 生成三角形和矩形网格；对三维流动，则可生成四面体、六面体、三角柱和金字 塔等网格；结合具体计算，还可生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细 分或租化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。边界条件的加载有多种方 法，可根据计算模型的需要来选择。对同一个计算模型可能有多种加载边界条件 的方法，这时可以分别加载计算，分析计算结果，择优选择。 3 2 2 数学模型1 4 0 l 根据估算，喷嘴内的气流速度达1 0 0 m s 以上，甚至将近3 0 0 m s 。由于 r e y n o l d s 数很高，因此喷嘴内的气流运动为湍流h 。 3 2 2 1 基本控制方程 在直角坐标系下，可压缩牛顿型流体运动的控制方程表示如下【4 1 1 1 4 2 1 ： 链 调塑件 胛 ，与模条 处m入理界能l妄吲输物边仕和 刖格立定料钉n h 建设材计 件一文一 1 叁| 浙江大学硕士学位论文 幻质量守恒方程( 连续性方程) ： 丝+ 0 p u _ _ _ 2 _ j ：o a 瓠i m 动量守恒方程： ( 3 - 1 ) 孥t - 掣：一