（机械电子工程专业论文）高压水除鳞喷嘴性能测试系统研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 在轧钢生产过程中，板坯、方坯等在加热炉中加热都会发生氧化，并生成很厚的氧化 铁皮，附着在钢铁材料表面上。另外，钢铁在轧制过程中，还会发生二次氧化，形成薄薄 的二次氧化铁皮。在轧辊的辗压作用下，一部分氧化铁皮被破碎成小片状自动脱落，另一 部分则被压入金属表面，形成夹渣、麻点、疤痕等，成为影响轧材表面质量的重要因素之 一。为了改善成品质量，目前在钢铁轧制中广泛采用在线高压水除鳞系统。高压水除鳞系 统是利用高压水喷出时产生的强大的冲刷力和冷却力，由于轧材的基体材料和氧化铁皮层 的冷却收缩率不同而产生的剪切力，又因高压水水渗入基体材料和氧化铁皮之间产生的蒸 汽膨胀而爆裂，使氧化铁皮破碎并与基体表面脱离，同时高压水还可将氧化铁皮冲掉。 高压水除鳞系统的关键部件是高压水除鳞喷嘴。近年来，国内外一些研究人员对高压 水除鳞喷嘴进行了大量的研究，结果表明，喷嘴的除鳞效果和冷却效果不仅仅与喷水条件 有关，还和喷嘴的种类、结构以及安装布局有很大的关系。研制一套高压水除鳞喷嘴的性 能测试系统，对国产以及进口的喷嘴进行特性测试，为生产选择合适喷嘴、提高除鳞效果 和板坯质量，具有十分重要的意义。 本文结合工程实际，分析了高压水除鳞系统中喷射冲击力对除鳞效果的影响，并综合 研究了影响喷射冲击力的各个要素，例如喷射压力、喷嘴出流量、喷射角和喷射距离，以 及喷嘴的布置对喷射特性的影响等，如喷嘴安装前倾角和偏转角，并以此设计出高压水除 鳞喷嘴性能测试系统。本系统主要由三个部分组成，包括高压水除鳞喷嘴的供水系统、电 气控制系统和计算机辅助测试系统。文中还讨论了喷射打击力的测试方法，提出了传感器 作“之一字形运动的测试方案，并对该方案做了详细分析。 本文在信号处理中，采用复合滤波技术，结合最小二乘法、曲面拟合算法，绘制了测 试系统压力一流量曲线和打击力三维分布特性曲面，从而使整个测试系统控制有效，全面 准确的反映高压水除鳞喷嘴的性能，对喷嘴的结构和现场安装具有重要的指导作用。 关键词：高压水除鳞喷嘴，特性测试，v c + + ，数字滤波，曲面拟合 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fh e a t i n gi nh e a t i n g - f i l r n a c e ，t h ei r o ns c a l ew o u l db ef o r m e do nt h e s u r f a c eo fs t e e ls l a ba n db i l l e t o t h e r w i s e ，s e c o n d a r yi r o ns c a l ew o u l db ef o r m e dd u r i n gt h e p r o c e s so fh o tr o l l i n g b yt h er o l l i n go fr o l l e r , ap a r to fi r o ns c a l ew a sb r o k e ni n t os m a l lp i e c e s a n df e l lf r o mt h ep l a n ta u t o m a t i c a l l y t h eo t h e rp a r tw a sp r e s s e di n t om e t a ls u r f a c e ，f o r m i n gs l a g , b u g ，s c a r sa n ds oo n i tw i l lb eo n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hw o u l di m p a c tt h eq u a l i t yo f t h es u r f a c eo ft h es l a b i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t ，h i g h - p r e s s u r ew a t e r d e s c a l i n gs y s t e mw a sa d o p t e dw i d e l yi nh o tr o l l i n gm i l l t h ei r o no x i d es k i nw i l lb r o k e ni n t o s m a l lf r a g m e n t sa n dd i s e n g a g eq u i c k l yf r o mt h es u r f a c eo ft h ep l a t eb yt h ep o w e r f u ls c o u t i n g a n dc o o l i n gf o r c ew h i c hw a sp r o d u c e db yt h eh i g h - p r e s s u r ew a t e r , a n dt h es h e a rf o r c ew h i c hw a s p r o d u c e db yt h e d i f f e r e n tc o o l i n gc o n t r a c t i b i l i t yb e t w e e ns t e e la n do x i d a t i o ns c a l e ，a n dt h e e x p a n s i o no ft h es t e a mw h i c hw a sp r o d u c e db yt h ew a t e ri n f i l t r a t i n gi n t ot h es u b s t r a t ea n dt h e i r o ns c a l e t h ei r o ns c a l ew i l lb ew a s h e do u tb yt h eh i g h - p r e s s u r ew a t e ri nt h es e t t i n gd i r e c t i o n i nt h eh i g h - p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gs y s t e m ，t h ek e ye q u i p m e n tw a st h en o z z l e n e h i g h - p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gn o z z l ew a ss t u d i e db ys o m et e c h n i c i a n sa th o m ea n da b r o a di n r e c e n ty e a r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f e c to fd e s e a l i n ga n dc o o l i n gd i dn o to n l yd e p e n do n t h es u p p l yw a t e r , b u ta l s oh a dag r e a tr e l a t i o nt ot h et y p eo ft h en o z z l e s ，s t r u c t u r ea n dl a y o u to f t h en o z z l e s d e v e l o p i n gat e s t i n gs y s t e mf o rh i g h p r e s s u r ed e s e a l i n gn o z z l ew a so fg r e a t s i g n i f i c a n c et oc h o o s i n gt h es u i t a b l en o z z l ef o rp l a t ep r o d u c t i o n , i m p r o v i n gt h ed e s c a l i n g e f f e c t i v e n e s sa n dt h eq u a l i t yo fs l a b i nt h i sp a p ear e s e a r c hh a db e e nd o n eo ne f f e c to ft h ed e s c a l i n gb yt h ej e ti m p a c t ，a n ds t u d i e d v a r i o u sf a c t o r sw h i e hi m p a c t e dt h ej e ts u c ha ss p r a yp r e s s u r e ，f l u x ，j e ts p r a ya n g l e , d i s t a n c ea n d t h el a y o u to ft h es p r a yn o z z l e d e p e n d i n go nt h er e s e a r c h , t h eh i g h - w a t e rd e s c a l i n gt e s t i n g s y s t e mw a sd e s i g n e d t h i ss y s t e mm a i n l yc o n s i s t e dt h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gt h ew a t e rs u p p l y s y s t e m s ，e l e c t r i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dc o m p u t e r - a i d e dt e s t i n gs y s t e m t h ep a p e ra l s o d i s c u s s e dt h et e s t i n gm e t h o do ft h ej e tf o r c ea n dt h e ”z h i ”s h a p e dm o v e m e n tt e s t i n gp r o g r a m m e w a sp r o p o s e da n dd o n ead e t a i l e da n a l y s i s 1 1 1 e c o m p u t e r - a i d e dt e s t i n gs y s t e m i nt h i s p a p e rd r e wt h ep r e s s u r e - f l o wc u r v ea n d t h r e e d i m e n s i o n a ld i s t r i b u t i o ns u r f a c eo ft h eh i t t i n gp o w e rb yt h es i g n a lp r o c e s s e db yf i l t e r i n g t e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t hl e a s t s q u a r e sc u r v e ，s u r f a c ef i t t i n ga l g o r i t h m s ot h a tt h ee n t i r e t e s t i n gs y s t e mw o r k e de f f e c t i v e l ya n dr e f l e c t e dt h eh i g h - p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gn o z z l e a c c u r a t e l y t h et e s t i n gs y s t e mp l a y e da ni m p o r t a n tg u i d i n gr o l eo nt h es t r u c t u r ed e s i g na n d i n s t a l l a t i o no ft h en o z z l e k e yw o r d s ：h i g h - p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gn o z z l e c h a r a c t e r i s t i ct e s t i n g ，v c + + ，d i g i t a lf ilt e r ， s u r f a c ef i t t i n g 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：字塑i 日期： 伊。6 。 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 随着钢铁制造业的发展，国内各大钢铁企业的热轧工艺中都采用了高压水除鳞技术。 高压水除鳞装置一方面可以对钢坯进行冷却控温，一方面可以去除钢坯表面氧化铁皮，提 高钢坯质量口1 。然而国内对高压水除鳞系统的研究还处于初步阶段，各大钢厂c s p 生产线 中的除鳞装置大部分都是从国外全套引进，国内所采用高压水除鳞喷嘴也几乎为国外品 牌。国内除鳞装置没有得到广泛应用，关键是因为国内很多关键技术不成熟，比如高压水 除鳞喷嘴质量不高，喷射效果不理想，不能快速提供喷嘴的安装参数和除鳞系统参数等， 所以研究高压水除鳞系统，具有重大的现实意义口h 钉。 高压水除鳞系统中最关键的部件是除鳞喷嘴，除鳞喷嘴的结构、制造工艺对其性能有 重大的影响。如对于武钢热轧厂的6 8 2 7 2 7 型喷嘴，喷嘴的直径为2 m m 时，射流出口速度 最大，增大或减小直径都会使射流出口速度减小。改变喷嘴收缩角、扩张角也会影响射流 出口速度。而且这些参数之间还相互影响，只有合理搭配这些参数才会得到最优的喷嘴结 构。除此之外，喷嘴的安装参数也会极大影响除鳞效果。如喷嘴安装高度、喷射角、安装 前倾角、偏转角等。在除鳞系统中，系统流量、压力的设置对高效除鳞也至关重要。综合 以上分析，要得到较优的除鳞效果，必须对各种型号喷嘴在各种试验条件下反复试验，以 得到最佳喷嘴结构及其安装参数和系统参数。所以，开发出除鳞喷嘴性能测试系统，对已 有型号喷嘴或新开发的喷嘴进行测试，了解其压力一流量特性，打击力特性，从而判断这 种结构喷嘴是否更经济、性能是否更高，也为研发者提供参考。 湖北仙桃恒鑫轴承厂生产的喷嘴，其性能接近标准6 6 6 系列。该厂生产出高压水除鳞 喷嘴后，希望对其性能、特别是打击力性能进行测试，以评判质量是否达到要求，同时对 喷嘴的研制做指导，并为喷嘴现场安装提供参数依据。受其委托，武汉科技大学开发了高 压水除鳞喷嘴性能测试系统，以测试系统的流量、压力，以及系统在一定压力下的打击力 分布状态。 1 2 高压水除鳞喷嘴国内外发展现状 1 2 1 高压水除鳞喷嘴国内发展现状 随着材料和制造工艺的发展，高压水除鳞喷嘴也发展迅速。结构上增加了层流芯整流 装置，喷嘴头采用了强度更高、冲击韧性及耐磨性更好的硬质合金材料，从而大大增加了 喷射打击力，也提高了喷嘴使用寿命。 江苏博际喷雾系统有限公司开发了g y z 系列强力高压除鳞喷嘴，该喷嘴是在原标准 6 6 6 系列高压水除鳞喷嘴的基础上，进一步新开发的九种带整流装置的强力喷嘴。其特点 是：打击力大。由于增设了整流装置，使紊流的高压水流有序化，水流阻力小，流速高， 从而大大提高了打击力。除鳞效果好。由于整流，水流密度增大，形成薄而均匀的高压 水射流，从而有效地除去附在金属表面的氧化铁皮。喷嘴寿命长。由于采用了高强度， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 较好的冲击韧性及耐磨性的钨钴硬质合金喷嘴头，使喷i 嘴的寿命周期大为提高。防堵性 能强。由于设置了过滤罩，可有效地防止水中杂质堵塞喷嘴的隐患，对提高轧件质量和设 备运转率有重要的意义。所丌发的第二代g p z a ，第三代g p z b ，g p z c 系列喷嘴适用h 青 除轧件上氧化铁皮，也可用于其它高压喷射、清洗场合，效果显著。还j | 发了一种尺寸较 小的g p z d 型喷嘴，它能够在降低喷射高度、减小喷射流量的条件下，得到同样或更大的 打击力，其水流集中而锋利，打击力分布均匀，优化了除鳞效果。 鞍i 【i 太阳仪表阀fj 有限公司与鞍l 【i 钢铁设计研究院、沈阳铝镁设计研究院、清华大学 等多家人专院校及科研院所密切合作，积极采用、借鉴和吸收国内外同类产品的先进技术， 成功外发了冶金喷嘴及除鳞设备。冶金喷嘴主要有g y p z o g y p z 6 系列七种高压水除鳞喷 嘴，其l 卜】对于g y p z 2 g y p z 6 型喷嘴，系统压力可达到3 0 m p a ；对于g y p z l 型的喷嘴， 系统压力可达到4 0 m p a 。g y p z z0 型高压水除鳞喷嘴结构简单、拆装方便，适用于系统压 力小二f2 0 m p a ，水质较好的除鳞场合。g y p z l 和g y p z 2 型高压水除鳞喷嘴结构紧凑，主 体部件用不锈钢材料，喷嘴头采用耐磨的硬质合金，强度高，使用寿命长。由于采用过滤 器及稳流器的特殊结构，使其喷射厚度大幅度减少，从而使单位面积上的打击力大大提高， 且在喷射宽度方向上的打击力分布均匀。该喷嘴主要使用于流量小，压力高、安装空间小， 喷嘴排列紧密的除鳞现场，如热轧、精轧除鳞场合。g y p z 3 型高压水除鳞喷嘴在g y p z 2 的基础上，通过增大主体部件的强度，使整体喷嘴的强度用公称压力大大提高，达到 3 0 m p a ，适用于热轧厂系统压力较高的各种粗轧、精轧除鳞场合。g y p z 4 与g y p z 2 、g y p z 3 型喷嘴相比，结构更紧凑，适用于压力高、安装空i h j 小、喷嘴排列紧密的除鳞场合。g y p z 5 型喷嘴的喷嘴套长度较小，结构更加紧凑，适用于由于结构，要求安装高度非常小的场合。 g y p z 6 型喷嘴适用于热轧厂一系统压力较高的各种粗轧、精轧除鳞场合。同时鞍山太阳仪表 阀门有限公司为首秦公司设计了除鳞设备，如图1 1 ，并取得了良好的除鳞效果。 图i i 首秦公司4 3 0 0 宽厚板坯除鳞机 四川i 什邡东润制造有限公司供应s g n 和s g m 型高压除鳞喷嘴，主要用在粗轧机e 。 为了进一步适应精轧机除鳞需要，什邡尔润制造有限公司还开发了一种尺寸较小的s g d 兹! 喷嘴。咳类，魁喷嘴1 一j 以存降低喷射高度、减小喷嘴流量的条件下，得到同样或更大的打 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 击力。其水流集中而锋利，打击力分布均匀，优化了除鳞效果。同时什邡东润制造有限公 司还配有检测中心，当用户提出性能参数和结构尺寸要求时，可以对喷嘴内部进行改进， 提供满足用户要求的喷嘴。 1 2 2 高压水除鳞喷嘴国外发展现状 喷嘴的研究在国外起步比较早，高压除鳞喷嘴在国外已发展比较完善。现在高压力、 小流量、高打击力除鳞喷嘴正成为高压除鳞喷嘴新的发展方向。 德国莱克勒( l e c h l e r ) 公司生产出的高压除鳞喷嘴性能稳定，可重复性好，使用寿命长。 目前莱克勒开发的高压水除鳞喷嘴都采用了碳化钨或硬质不锈钢材质的喷嘴头，还采用了 对称平台定位和锁紧螺母连接。喷嘴喷射角度有2 2 0 ，2 6 0 ，3 0 0 ，4 0 0 几种，最大使用压力 为4 5 m p a 。主要开发了5 种高性能喷嘴，s c a l e m a s t e rh p 高性能除鳞喷嘴具有打击力高， 寿命长的特点；m i n i s c a l e m a s t e rl i p 高性能迷你型除鳞喷嘴可以使用在较低除鳞高度，打 击力大，寿命长；m i c r o s c a l e m a s t e r 微型除鳞喷嘴尺寸很小，节约安装空间；m i n i s c a l e m a s t e r 迷你型除鳞喷嘴是具有较低喷射高度的标准除鳞喷嘴；s c a l e m a s t e r 除鳞喷嘴为标准除鳞喷 嘴。 欧洲p n r 高压水除鳞喷嘴是世界上最知名的除鳞喷嘴之一，以性能稳定，可重复性好， 使用寿命长而著称( 在同等的使用条件，比其他同类型除鳞喷嘴使用寿命长2 0 左右) ， 已成为各大型热轧厂生产高表面质量产品的保证。国际上著名冶金设备制造商如西马克、 德马克、达涅利、奥钢联已把欧洲p n r 除鳞喷嘴作为其除鳞系统的首选喷嘴，国内除鳞系 统集成商也已经将欧洲p n r 除鳞喷嘴作为他们的标准配套件。在轧钢用高压除鳞喷嘴方 面，欧洲p n r 有g w 和h w 两种类型。g w 类型喷嘴采用硬质金属内芯、紧密连接喷头 与螺纹接套，增强了喷射冲击力并且使喷射分布更加均匀，从而得到更佳的除鳞效果。h w 类型除鳞喷嘴改善了喷嘴喷头及附件的结构，降低了由于液体动荡引起的能量损失，从而 在钢铁表面产生更高的冲击。欧洲p n r 公司可以使用内部开发的软件来快速、经济地向用 户提出设计方案。对于客户的具体系统，公司的技术支持也可以和客户一起分析，提出改 进方案。欧洲p n r 公司的除鳞喷嘴品种齐全，对于选用其他公司的除鳞喷嘴，只要提供所 订购的型号，p n r 公司也将迅速提供完全等同的p n r 喷嘴型号陋1 。 美国s p r a y i n gs y s t e m s 公司提供大量钢铁用喷嘴，如图1 2 。热轧除鳞方面提供 a a 2 1 8 a c 和a a 2 1 4 两种类型喷嘴，寿命长、打击力大并且能在线自动调宽，喷嘴高度为 15 2 3 0 5 m m 。 第4 贞 武汉科技大学硕士学位论文 雾i 嘲l i 翰 管雹固 i 渤固酝i 瀚嘲 惫每警e l e c t r i c 2 a r ，c f w n 硼彭曲a 曛l j e ! c c o 。n ：t i n l u o 糊u s s l a b c a s t e 。r i ：誉t e m p e r r 蛳n m 瓣誊 j 。一 謦毫荔矜譬， 。t ( 。t i u o l c a s t i n gc l u b o l d 。m “i l 。l 桫k “9 淼 。、1“ 嚷： ：黑麓 一m m 沁帕咖。 + j 纛 孙m s 酬h o r t 。e ，r 镰辫管， 卧b l a s 掀t 。， 虬s ts 啪? ? 意 钳 millhotstripmi鑫 阳”“。r 、；， 一一_ 一j ，。t f i r 叫陆圳- 涤；诵矿 一黟囊；，“嚆恕 裂d燃黧al n g 辎d e s c s l e j e t 碑赫罴掣 磊薯。1 1 曼釜b l a s tf t w n a ( 。剧i i 啐“石0 b i h t c a s t e 。； 美国b e t e 公司研发、设计、制造喷嘴，广泛用于钢铁等行业，以善于解决各种难题 f 1 本共立合金制作所e v e r l o y 丌发了许多在钢铁领域具有代表性的喷嘴，主要用于 铣铁工程、炼钢工程、滚轧工程和表面处理工程。在除鳞冷却方面，e v e r l o y 制铁洗涤 用喷嘴适用于薄板、厚板、钢棒、形钢、钢管等所有钢材的热轧工序。e v e r l o y 丌发了 第一代d n h 型高压除鳞喷嘴，该喷嘴具有打击力分布平均、耐磨损性优良和性能稳定的 特点。在第一代基础上又丌发了第二代d n x 型高压除鳞喷嘴。与原型号喷嘴相比，第二 代喷嘴在同样除鳞条件下( 压力，流量，喷射距离) 可大幅度提升除鳞能力，同时可以最 大削减4 0 1 拘高压水量，也削减除鳞水泵电力使用量的1 0 1 5 。 丌发出新型喷嘴后，在一i ：业现场喷嘴应如何安装，喷嘴的性能是否满足现场要求，要 解决这些问题必须了解喷嘴实际性能，所以必须丌发出喷嘴性能测试系统。国内已有几家 江苏博际喷雾系统有限公司已经成立了雾化喷嘴测试中心，该中心拥有独立的空压站 和水泵站，能进行喷嘴高、低压测试。测试中心主要测试项目有：压力流量特性、角度、 水量分布、粒度、冲击力、热态降温测试等。喷嘴流量特性测试系统主要有气、水供给回 路，气、水压力、流量、温度传感器等，通过计算机实时采集、处理，检测各点压力、流 量值，转化为流量特性曲线，并以图表形式打印输出。唢i f 啪i z 小_ 里h 分析j 测试系统是通过采用 特制的液体收集、传递装置及若干个液位传感器，通过计算机实时采集、处理，检测各水 量分布点的液位值及喷嘴的喷射角度，_ = ：以图表形式打- j 印输出。高压喷嘴冲击- ；j 、角度及 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 流量特性测试系统则是模拟高压喷嘴实际使用工况，在喷射区域御置多个压力传感器，如 图1 3 。通过压力传感器、流量、距离传感器传递信号，由计算机实时采集、处理，检测 相应压力下的冲击力、流量、喷射角度，并以图表形式打印输出，如图1 4 、1 5 。喷嘴雾 化粒度的大小在实际使用时，有不i 司的要求，为了进一步对喷嘴的雾化粒度进行研究，江 苏博际喷雾系统有限公司还配置了激光粒度测试系统。由激光管发射出的激光束穿过被测 喷嘴雾化段，射到接受端的探头上，通过计算机实时采样、处理，检测出喷雾的粒子尺寸， 并以图表形式打印输出。江苏博际还配有低压喷嘴冲击力测试系统，系统模拟低压喷嘴实 际使用工况，通过压力、流量、距离等传感器传递信号，由计算机实时采集、处理，检测 喷雾区域各点的冲击力，并以图表形式打印输出。为了更有效掌握喷嘴在热态方面的应用 性能，江苏博际喷雾系统有限公司开发了喷嘴性能热态测试系统，该系统模拟喷嘴现场工 况，配备升温炉、热电偶探头，探测喷雾降温趋势，从而得知该喷嘴冷却的传热系数，通 过计算机处理，并以图表形式打印输出。 图1 3 压力传感器的布置形式 + ? 图1 4 冲击力最大值沿宽度方向分布曲线 图1 5 冲击力分布三维图 第6 页武汉科技大学硕j j 学位论文 鞍1i 太阳仪表阀门有限公司与清华大学合作也建立比较完善的喷嘴检测中心，如图 1 6 ，该中心具备幽内唯一完善、准确的高、低压喷嘴检测设备。测试项h 有：高压喷嘴打 击力分嘶j 测试、喷嘴总冲击j 测试、喷嘴水量分斫j 测试、雾化力度测试等，测试数据出计 算机自动采集，并以二维、二i 维图像和表格彤式打印输 + 。高压喷嘴打击力分和、流量、 喷射角度测试系统通过力传感器、流量传感器等传递信号，由计算机采集处理、检测出对 应压力及一定高度下的打击力、流量、喷射角度，并以：维、二i 维图形及表格形式打印输 出。实际应用巾，要求喷嘴在喷射宽度方向水量分稚均匀，该测试系统通过力传感器、流 量传感器等传递信号，由计算机采集处理，检测出喷射宽度方向的水量分柿。i f i , 况，并以图 表形式扣印输出。喷嘴总冲击力检测系统通过力力传感器、流量传感器等传递信号，由计 算机采集处理，检测出一定嘴日，j 压力下的喷嘴总冲击力。激光粒度测试系统是由激光管发 射出激光束穿过被测的喷嘴雾化段照射到光电探测器阵列上，将散射光线的特性转换成电 压送给数据采集卡，进行a d 转换后送入计算机，从而得到粒子的尺寸及分布，并以图表 形式打印输出。 图1 6 喷嘴测试与研发中心 在测试喷射打击力方面，北京科技大学以前还采用过皮托管作为喷射打击力的接受装 置一。在采用不锈钢皮托管时，保证皮托管与射流中心线平行。测量时，皮托管将压力信 号输送到门i 力传感器，经过放大和滤波，再由示波器及记录仪批示出测量结果。压力信号 也可以直接用压力表读出。当动压读数为零时，测定由皮托管探头位置，即可得出射流边 界。 还有一种采用应变片式压力传感器测取射流打击力的方法，如图1 7 。将喷嘴固定央 持，并保持射流的水平方向。在轴向表面硬化的中碳钢靶板中心有一个直径为0 3 r a m 的测 压孔。测压靶板沿射流缓慢移动并穿过射流束中心以改变靶距。= j i 力传感器嵌在硬质金属 套内，其上 - a f 1 - 一o 5 m m 小孑l 接受射流，为使压力传感器读取至i 最大值，每次靶距改变时， 应使靶板沿垂直射流局向上下运动。以保证其通过射流轴心而得到准确的打击力分佃图。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 图1 7 射流打击力测试方法 1 喷嘴2 射流3 挡板4 心变式脉力传感器 1 3 2 喷嘴测试系统国外发展现状 国外已有很多公司配有喷嘴性能测试中心，如图1 8 ，为喷嘴的研发提供了大量可靠 的数据，也为客户提供快速、合理的方案。例如德国莱克勒( l e c h l e r ) 公司通过精密的方法 测量出喷嘴的各项性能参数，并且能够做出准确、可信的报告。测量工作主要包括流量测 定、喷射角度测定、液滴尺寸测定、液滴速度测定、3 d 打击力测定、液体分布测定、喷射 录像、噪声测定。l e c h l e r 采用了感应式流量计精确测量流量。所采用的精确电子图像测量 方法在测量液滴分布时，所得结果误差仅为大约+ 1 。在测试液滴细度和液滴分布时， l e c h l e r 采用了激光多普勒颗粒分析仪来测量液滴尺寸和液滴速度，测量结果能够全面描述 出喷射流的特征。 图1 8l e c h l e r 喷嘴性能测试系统 为了检测喷嘴的工作效率，喷射打击力度用n m m 2 定义，l e c h l e r 采用一种十分灵敏 的仪器检测喷射力度。其测试原理为驱动一个高精度的压力传感器作“弓”字形运动，从 而可以使压力传感器均匀采集到喷射区域的打击力，如图1 9 、图1 1 0 。检测结果通过传 感器转换成电子信号储存在计算机中。这种方法可以任意调采集点节间隔，测量出的射流 打击力度能够很好的表现在喷射面上打击力的均匀程度，测试精度高，而且经济方便，对 需要很高冲击力的清洗场合十分有效，其效果如图1 1 1 ，图1 1 2 。 第8 贞武汉科技大学硕士学位论文 餍鬻心沁 ! 爹 娄墓黟7 二伪。 图1 1 0 测试装置 图1 1 l 喷射冲击力三维显示 图1 1 2 喷射冲击力投影图 美国s p r a y i n gs y s t e m s 公司提供火量喷嘴，还提供喷雾控制、喷雾分析和喷嘴成套服 务。s p r a y i n gs y s t e m s 用垂直于喷嘴分确i 的管道来收集喷射液滴，测量总收集量，得到射流 分布，从而为实际应用中喷嘴高度和喷射重叠量的设置提供参考。s p r a y i n gs y s t e m s 还能进 行相位多普分析，它足根据光散射干涉原理，利用点采样、光敏仪器测量中压喷射系统的 液滴大小和速度。s p r a y i n gs y s t e m s 通过粒子图像分析米测量液滴尺寸和形状。通过激光衍 射粒子分析得到液滴分布，原理是利用光散射来测量低压或中压喷雾，再通过选配曲线方 程把光的强度分布转换为液滴分布，如图1 1 3 。 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 图1 1 3 粒子图像分析 | 二 本株式会社共立合金制作所不仅开发了大量的钢铁领域用喷嘴，而且能对喷嘴进行 各种性能试验，如粒子测定、流速测定、流量测定、冲击力分布等。测量微小粒子时，采 用了p d p a 方式的粒子直径和流速测定装置测量粒子的速度和大小，同时应用激光多普勒 相位原理进行粒子研究。测量较大粒子时，则采用了画像解析的粒子直径测定装置，分析 图像，得 h 粒子直径。测定流量则是通过对鱼眼的丙烯容器进行喷雾，测量积存的液量， 然后求出喷雾的流量密度分布，最后把测量的结果制成流量分布图表输出。在喷雾之后使 压力感应器运转，能求出喷雾的打击力分布。测量的结果制成冲击力图表输出。 日本株式会社共立合金制作所测试打击力方法为( 如图1 1 4 、1 1 5 ) ：测量喷雾宽度方 向打击力时，让传感器沿喷雾宽度方向以一定速度运行，记录下打击力和喷雾宽度；同理， 测量喷雾厚度方向扣击力时，让传感器沿喷雾厚度方向以一定速度运行，记录下打击力和 喷雾宽度。这种方法简单，但是只能测得两条直线上打击力，不能测得整个喷射区域打击 力，所以测试不完整，测试自动化程度不高，得到的数据也不完整。 受压籀 图1 1 4 喷雾宽度方向测量 嚷嚣蹇溲 瓣一，一 第10 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 1 5 喷雾厚度方向测量 1 4 本课题主要研究内容 本文对除鳞系统进行了深入的研究，分析了除鳞系统中各参数，包括喷射流量、喷射 压力、喷嘴的喷射角、喷嘴的安装自订角、喷射距离、偏转角等对除鳞效果的影响，并且得 出了实际生产中各参数的参考取值，最后结合工程实际设计了一套除鳞系统。 除鳞系统中最关键的部件是高压除鳞喷嘴，喷嘴性能的好坏直接关系到除鳞效果，所 以对研发出喷嘴进行测试至关重要。本文研发出一套完整的喷嘴性能测试系统，可以测试 喷射流量、系统压力、喷射打击力。该系统包括水压控制系统、电气控制系统和计算机控 制系统三大部分。 在水压控制系统部分主要介绍了水压系统原理图的设计和系统组成。电气控制系统主 要包括电机启停控制、电动调节阀阀门= ：度控制、二维运动平台控制等。本文还着重讨论 了除鳞系统的最关键因素喷射打击力的测试方法，通过分析比较国内外各种测试方 法，最后得出x 、y 二维平台带动单个压力传感器作“之”字形运动的最佳方案。 本文根据测试系统功能自行研发了一套软件，该软件不仅能实现喷射流量、喷射压力 的监测，还能采集打击力并以三维图形显示。除此之外，还能实现二：维控制平台的全自动 控制，最后以数据库形式保存所有数据，采用水晶报表形式打印测试报告。整个监测软件 包括特性监测模块、平台运动控制模块、压力一流量f h l 线模块、打击力分布模块、数据库 管理模块、测试报告模块。 本文还介绍了工业现场信号采集与处理技术，并针对唢嘴性能测试系统采集系统流量、 j ：力、打击力i 、u j 题提出了一种复合滤波算法。还采用了最小二乘的曲线拟合和曲面拟合方 法对压力一流量曲线和打击力三维分布曲面进行了拟合。 鳏鞠 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第二章高压水除鳞系统参数分析与设计 高压水除鳞喷嘴产生的高压水射流去除钢坯表面氧化铁皮效果良好，设备简单，环保 经济。在国内外各大企业得到广泛应用。 2 i 除鳞原理 随着我国国民经济的高速发展，对钢板的需求量日益扩大，对钢板质量的要求也越来 越高。如汽车底板，船用钢板，船闸所用钢板等都对钢板质量有很高要求。目前我国三峡 工程船闸所用钢板都是从外国进口的，所以让国产钢板质量达到世界领先水平是摆在我们 面前的一个重要而又现实的课题陋1 。 近几年来，我国邯钢等五家企业先后引进了德国的c s p ( 紧凑式板带生产) 生产线， 钢板产量和质量都有了质的飞跃。然而c s p 生产线中除鳞环节严重影响了钢板质量。尽管 采用了各种先进的技术，在生产中甚至多次除鳞，但效果仍不理想，因此对高压水除鳞技 术的研究极为重要嘲。 鳞片是指热轧钢板生产过程中钢坯表面产生的炉生氧化铁皮和轧制时的再生氧化铁 皮。氧化铁皮在钢坯表面形成凹坑、麻点、氧化铁压入等多种表面缺陷，严重影响带钢质一 量。为了提高带钢表面质量，必须对钢坯表面氧化铁皮进行处理。 清除氧化铁皮通常有三种方法：一是机械的方法，用破鳞机压碎氧化铁皮。二是爆破 的方法，用食盐、柳条、竹条等撒在钢坯表面上，s l 帛* j 时爆破，将氧化铁皮崩掉。三是用 高压水冲击清除氧化铁皮。但前两种方法对带钢表面质量有影响，或者效率不高，成本高， 不适用于现代工业大批量、高质量生产的需求。所以目前，世界各国都广泛采用了高压水i 除鳞或大立辊破鳞并配以高压水喷除，除鳞效果颇佳n 0 1 。 高压水除鳞喷嘴除鳞原理：高压水除鳞是利用高压水所具有的动能破坏氧化铁皮。高 压水喷射灼热的钢板表面，引起钢板表面急骤淬火，从而使氧化铁皮与金属机体分离。同 时，金属机体与氧化铁皮之间水滴产生爆炸性蒸汽使氧化铁皮剥离。并且，带有一定角度 的高压水流能将已脱离机体的氧化铁皮冲掉n 。 2 2 高压水除鳞系统构成及参数分析 高压水除鳞系统由集管、喷嘴、供水系统组成，见图2 1 。高压水进入除鳞喷嘴，经 喷嘴整流体整流后，形成像刀子一样锋利的水流，打击在钢板表面上。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 1 高压水除鳞示意图 为了能够彻底清除钢坯表面氧化铁皮，对喷嘴喷射出的射流要求如下： ( 1 ) 射流打击力足够大，可以清除氧化铁皮。 ( 2 ) 射流沿水流宽度上的分御要尽可能均匀。 ( 3 ) 射流要有一定的倾斜角，以对脱离母体的鳞片有一定的吹扫力。 ( 4 ) 具有较薄的水流厚度。 决定射流特性的因素众多，如水的流量、压力，喷嘴结构、布局等。从除鳞原理可知， 除鳞系统的射流打击力最重要，现将影响打击力的因素分析如下： ( 1 ) 单位面积上打击力“纠 在现场应用中，除鳞喷嘴一般距板坯2 0 0 m m ，喷嘴出口射流速度达到大约2 0 0 m s 。 射流速度极高，而射流距离又很短，所以近似认为射流在这段距离内不受空气影响。 根据动量定理，可得： 只= m 圪= q n l ( 2 1 ) 式中：只射流总打击力；珐喷射流量，m 3 s ；以水的密度，妇珑3 ； 圪射流速度，聊s ；m 液流质量流量，奴5 。 喷嘴射流简图为： 。 喷嚆喷射角 3 一一喷髻安泵蒙倾囊 q ： 喷。蠢敦躬角( 约。：。) r 锅彰t ： 袭雀i ：至镢还衷画五葛要蒿 图2 2 喷嘴射流边界简图 喷嘴射流边界实为抛物线或三次曲线n “，但近似推导时可当作直线处理，从图2 2 可 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 知，喷射区域面积为： 彳 口t 锄( 詈+ ) + h t a i l ( 詈一) 】x 2 h t a n 兰 ( 2 2 ) 式中：4 喷嘴喷射面积：日喷嘴出1 2 至钢坯表面平均距离；口喷嘴喷射角； 喷嘴安装前倾角；矽喷嘴的散射角( 约2 0 - 3 0 ) 。 根据流量连续性方程u 4 1 ： 圪= 譬 旺3 ， 式中：圪射流速度，m s ；g 喷射流量，m 3 s ；4 - 射流出口截面积，n 1 2 ； 结合式( 2 1 ) ，( 2 2 ) ，( 2 3 ) 可得单位面积上打击力为： p ：墨： g ：堡 ( 2 4 ) a 呱兰峒+ h t 觚( 兰胡】2 h t a n # 2 4 式中：p 单位面积上打击力，m p 。 分析式( 2 4 ) 可知，影响单位面积上打击力有以下几个因素：喷射流量q ，喷嘴喷 射角口，喷嘴安装前倾角，以及喷嘴出1 2 至钢坯表面平均距离h 。 高压水除鳞喷嘴孔口近似为薄壁小孔，所以喷射流量与喷嘴入口压力关系为： 而 q = q 4 等 q 5 式中：g 喷射流量，扰3 s ；c d 流量系数；4 射流出口截面积，班2 ；岛 水的密度，培m 3 ；喷嘴入口处喷射压力，m p a 。 从式( 2 5 ) 可见，喷射流量g 与压力只相互作用，所以系统水压也是影响单位面积上 打击力一个因素。 以上五种影响喷射打击力的因素以及为了提高除鳞质量而让喷嘴安装具有一定偏转角 r e 个因素相互影响。在实际应用中必须合理搭配这些参数，才能让除鳞效果达到最佳。 具体分析如下： ( 1 ) 喷射流量g 从式( 2 4 ) 可知，喷射流量g 与喷射打击力尸成正比，因此在系统许可的情况下，尽 量选用出流量大的喷嘴以增加除鳞效果。 ( 2 ) 喷射压力只 喷射压力p 与喷射打击力p 成正比，因此在许可范围内尽量增加系统压力以增强除鳞 效果，但是压力增加会会给系统密封带来一系列的困难：并且过高的提高水泵站工作压力， 对除鳞效果没有明显的改善，而高压水泵电机容量却显著增大，耗电量显著增加。在工程 上一般采用1 5 2 0 m p a 的水压作高压水除鳞n 引。 ( 3 ) 喷嘴喷射角口 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 从式( 2 4 ) 可知，在一定的压力和流量下，喷嘴的喷射角口对除鳞系统的喷射打击力 尸影响非常大。喷射角口越小，喷射面积彳越小，则喷射打击力尸越大。然而喷射角过小， 则喷射宽度小，使喷嘴在集水管上安装的数量增多，耗水量增加。目前高压水除鳞喷嘴主 要有四种喷射角，分别为2 2 0 、2 6 0 、3 0 0 、4 0 “1 6 1 0 ( 4 ) 喷嘴安装前倾角 从图2 1 和图2 2 可知，喷嘴安装前倾角是为了使射流有一定倾斜角以对钢坯表面氧 化铁皮有一定吹扫作用。对前倾角的大小也有一定要求，过小，射流会相互抵消，从 而大大降低射流对氧化铁皮的冲击；反之，前倾角太大，射流虽不会相互抵消，但会增加 喷嘴到钢坯的距离，从而也降低喷嘴的喷射打击力。一般前倾角p 为5 0 1 5 0 比较合适n 7 1 。 ( 5 ) 喷射距离日 从式( 2 4 ) 可知，如果把喷射距离日降低一半，喷射打击力可增至原来的四倍。因 此，喷嘴到钢坯距离日对整个除鳞系统的设计变化起着相当大的作用。在系统压力尸、流 量q 等其它因素一定的情况下，要想获得良好的除鳞效果，那么喷射距离在允许范围内应 尽可能的减小。在实际工程中，喷射距离日一般取2 0 0 2 5 0 m m 之间效果最佳n 8 1 。 ( 6 ) 偏转角y 保持合理的喷嘴偏转角y 也十分重要( 见图2 2 ) 。偏转角选得太小，会造成相邻喷嘴 射流的相互干扰，从而降低除鳞效果；偏转角过大，又会加大邻近喷