气雾冷却设备的设计【含全套9张CAD图纸】【答辩毕业资料】

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关键词：: 冷却设备装备设计全套 cad 图纸答辩毕业资料

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摘　　要
本课题针对我校为大连特钢设计的模具钢控冷设备，参考了中厚板在生产过程中成熟的在线淬火控冷技术，其中采用了空气冷却、喷气冷却、气雾冷却、水雾冷却以及喷水冷却5种由弱到强的冷却方式。本文主要是对气雾冷却系统进行相关设计和计算，并且确定最佳气雾冷却方案和气雾冷却系统的结构参数。在气雾冷却方案的设计过程中，以FLUENT软件为操作平台，使气雾冷却过程满足实际需求。本文研究的主要内容和结论是：
（1）本课题中的控冷设备针对厚度为5-150mm、宽度为100-850mm、长度为2000-8000mm的模具钢进行冷却，其中，气雾冷却设备主要冷却薄的模具钢板。为了使模具钢板得到均匀冷却，本文对气雾冷却方式进行了方案的设计和气雾冷却设备结构的设计。同时，本文对所有的设计方案进行了比较详细的说明和比较，并使用了FLUENT软件对每个设计方案进行模拟实验，从中选择出最佳方案。在确定气雾冷却设备最佳方案后，设计气雾冷却设备的相关尺寸参数，完成气雾冷却设备初步设计。
（2）在进行气雾冷却设备喷嘴的间距设计中，对不同的设计方案建立其GAMBIT模型，同时在模型能定性解决问题的前提下进行模型简化，以便减少计算过程，节约时间。将网格划分完毕后的模型导入FLUENT软件进行模拟实验，检验结果，改进喷嘴布置后多次实验，从而确定最佳喷嘴布置方案，使得模具钢在宽度方向上得到均匀冷却。
本文对于气雾冷却系统的设计方法和研究思路对模具钢在线淬火冷却的研究和利用具有一定的参考价值。

关键词：模具钢，控制冷却，气雾冷却
Design on Quenching Process and Aerosol Cooling Equipment
of Mold Steel
Abstract
According to the cooling device which is designed for Dalian Steel by our school and the on-line quenching technology of plate production, my teacher put forward this topic. In this cooling device, air cooling, air-jet cooling, mist cooling, water spray cooling and spray cooling from weak to strong from are took. This paper tells us that how to design mist cooling device, and I make a example of mist cooling device for us. During the design of mist cooling device, I make full use of the soft of FLUENT, so that the design can meet our requires. This thesis consists of parts as follows:
1. The device in the design is used to cool the mold steel of 5-150mm thickness, 100-850mm width and 2000-8000mm length. The aerosol cooling equipment is used for cooling the thin mold steel plate. In order to meet requires, I make a optimal design of the aerosol cooling equipment. Many results of FLUENT are compared, and I choose a better solution from them. Then I need to design size of the aerosol cooling equipment.
2. Then the Nozzle spacing of the aerosol cooling equipment should be designed. I need to manufacture a GAMBIT model about it, and import this model in FUENT. In order to save time and simplify the calculation, we need to make sure that the model is simplified. We must do a lot of experiments, and find a better design that can keep mold steel uniform cooling.
Aerosol cooling system design methods and utilization of the die steel quench has a certain reference value research.

Key Words：Die Steel; Controlled Cooling; Aerosol Cooling
目　　录

摘　　要 1
Abstract 2
1课题综述 2
1.1课题背景及研究意义 2
1.1.1课题背景 2
1.1.2研究意义 2
1.2模具钢概述 2
1.2.1模具钢发展 2
1.2.2塑料模具钢 3
1.2.3预硬型塑料模具钢 4
1.3控冷简介 4
1.3.1控制冷却的机理和作用 4
1.3.2控制冷却的方式 5
1.3.3气雾冷却设备 6
1.3.4控制冷却在板带材中的应用 7
1.3.5控制冷却存在的问题 8
1.3.6提高控制冷却均匀性的措施 9
2流体概述 10
2.1流体运动研究方法 10
2.2流体相关性质 10
2.3FLUENT软件求解 11
3气雾冷却设备的设计 13
3.1气雾冷却设备方案 13
3.1.1模型的建立和参数设置 13
3.1.2气雾冷却设备方案设计 13
4喷嘴方案的制定 24
4.1气雾冷却系统结构对模具钢冷却均匀性的影响因素 24
4.2气雾冷却系统模型的建立 24
4.2.1模型的建立 24
4.2.2气雾冷却系统结构 25
4.2.3气雾冷却系统的喷嘴方案设计 26
4.2.4计算等效流速 38
结　　论 42
参考文献 44
附录A 附录 46
附录B 文献翻译 51
在学取得成果 61
致　　谢 62

引　　言
本课题来源于以下背景：（1）我国当前的控冷技术还不够完善。（2）我校也曾为大连特钢设计了一套控冷设备，在实际生产中，仍存在一些缺陷。

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内容简介：: 北京科技大学本科生毕业设计(论文)中期报告目录1已完成的设计研究工作及取得的初步成果11.1气雾冷却设备的方案设计11.1.1气雾冷却设备的方案类型11.2 气雾冷却设备的模型设计31.2.1模型的假设31.2.2模型的建立32存在问题52.1fluence模型建立52.1.1模型设想52.1.2结果分析52.1.3尺寸改进53下一步工作计划64可预期成果7指导教师意见8系所意见81已完成的设计研究工作及取得的初步成果1.1 气雾冷却设备的方案设计1.1.1 气雾冷却设备的方案类型（1）方案设计一在管道一侧通入水和汽，由于进水、进汽方案设计相同，略去进汽管道和喷嘴（其中喷嘴间距为均匀分布）。如图一所示，为设计方案一及其流体分布曲线。图二设计方案一的流体分布曲线可以通过改变喷嘴间距使设计方案一的的流体曲线呈现中凸曲线形状，但是该方案适用于空间较小的情况下，并且设计复杂。由于气雾冷却设备的空间足够，所以应考虑更佳方案。（2）方案设计二将进水管道设置为一根，并且由正中央通入水汽。由于进水、进汽方案设计相同，略去进汽管道和喷嘴（其中喷嘴间距为均匀分布）。如图三所示。图二设计方案二设计方案二所得到的流体曲线为中凸，两侧也凸的曲线。并且通过改变喷嘴分布也较难实现。所以应考虑更佳方案。（3）设计方案三通过两根对称管道通入水和汽，由于进水、进汽方案设计相同，略去进汽管道和喷嘴（其中喷嘴间距为均匀分布）。如图三所示。图三设计方案三设计方案三的流体曲线形状较接近中凸曲线，并且较方便通过改变喷嘴的间距来实现中凸曲线类抛物线曲线形状。1.2 气雾冷却设备的模型设计1.2.1模型的假设由于需要用到gambit进行建模，用fluence进行迭代求解。建模前要对实际物体进行抽象假设，同时对未知参数的数值也要进行提前假设，通过多次模拟，来得到最佳方案。（1）模型的假设考虑到建模的多次重复试验，以及对fluence软件掌握的不熟练因素。假设，汽的作用主要是将水雾化，那么可以主要考虑水在喷嘴喷出后的流量分布。最终，将模型简化为只有水管道的模型。（2）尺寸的假设将通入喷嘴的两根水管道的间距假设为500mm，将喷嘴间的距离假设如下，其中喷嘴共17个，按顺序编号117号。从12345678至23456789间距（mm）5755555353515150从910111213141516至1011121314151617间距（mm）50515153535555571.2.2模型的建立（1）用gambit建立模型用gambit做出模型，通过对实体模型的简化，得到如图四的模型。图四gambit模型（2）用fluence分析模型通过分析得到各个喷嘴的速度如下，并且得到其图像，如图四。喷嘴号速度（m/s）喷嘴号速度（m/s）11.1468363101.14902421.1489648111.149013831.1470201121.147094441.147863131.146865551.1475222141.148516261.1459112151.147952871.1477798161.147718781.1468149171.148499391.1487916通过以上数据，用excel作图如下。图五各个喷嘴流速2存在问题2.1fluence模型建立2.1.1模型设想由于用gambit建立模型，忽略了汽对水的流速等影响，导致了通过fluence分析的结果仍存在着误差，所以在仅有水管作用时，所得到的喷嘴流量曲线符合要求后，仍需要添加汽管进行模拟实验。2.1.2结果分析我们需要的是中凸类似抛物线的曲线，根据对假设尺寸所得到结果的分析，所得到的流量曲线仅仅满足了中凸的性质，除了9号喷嘴外，其余喷嘴的流量相差不大，故不完全符合要求，需要对尺寸进行改进。2.1.3尺寸改进由于所得到的流量曲线不完全符合要求，需要对进水的两个管道间距以及各个喷嘴的间距进行改变，而如何改变相关尺寸使喷嘴流量曲线呈现类似中凸的抛物线仍是个难题。需要查阅更多的资料进行更多的建模、分析模型的尝试。3下一步工作计划（1）fluence建模在原有模型的基础上完善气雾冷却设备模型，由于上喷系统和下喷系统重力方向不同，所以需要在fluence中设置不同的流体所受的重力方向。因此对两次结果进行比较，可以看到重力对流速的影响。（2）装配图的完成在装配图的绘制过程中，部分尺寸需要通过fluence计算得到，所以装配图的一些尺寸是未知的。在接下来的工作中要尽快计算得到未知尺寸，完成装配图的绘制。（3）零件图的绘制装配图的绘制完成之后，拆出部分零件进行零件图的绘制。（4）设计说明书的书写4可预期成果通过对气雾冷却设备各基本参数的理论分析计算，以及应用计算机有限元软件进行模拟，寻求合理的设备结构参数，使得气雾冷却设备喷到钢板表面上的喷量沿钢板横向呈中凸近似抛物线的曲线分布。同时，对完成装配图以及主要零部件图的设计绘制，最后撰写一份设计说明书。本人签字：年月日指导教师意见指导教师签字：年月日系所意见检查结果：合格不合格负责人签字（盖章）：年月日8- -北京科技大学本科生毕业设计（论文）摘要本课题针对我校为大连特钢设计的模具钢控冷设备，参考了中厚板在生产过程中成熟的在线淬火控冷技术，其中采用了空气冷却、喷气冷却、气雾冷却、水雾冷却以及喷水冷却5种由弱到强的冷却方式。本文主要是对气雾冷却系统进行相关设计和计算，并且确定最佳气雾冷却方案和气雾冷却系统的结构参数。在气雾冷却方案的设计过程中，以FLUENT软件为操作平台，使气雾冷却过程满足实际需求。本文研究的主要内容和结论是：（1）本课题中的控冷设备针对厚度为5-150mm、宽度为100-850mm、长度为2000-8000mm的模具钢进行冷却，其中，气雾冷却设备主要冷却薄的模具钢板。为了使模具钢板得到均匀冷却，本文对气雾冷却方式进行了方案的设计和气雾冷却设备结构的设计。同时，本文对所有的设计方案进行了比较详细的说明和比较，并使用了FLUENT软件对每个设计方案进行模拟实验，从中选择出最佳方案。在确定气雾冷却设备最佳方案后，设计气雾冷却设备的相关尺寸参数，完成气雾冷却设备初步设计。（2）在进行气雾冷却设备喷嘴的间距设计中，对不同的设计方案建立其GAMBIT模型，同时在模型能定性解决问题的前提下进行模型简化，以便减少计算过程，节约时间。将网格划分完毕后的模型导入FLUENT软件进行模拟实验，检验结果，改进喷嘴布置后多次实验，从而确定最佳喷嘴布置方案，使得模具钢在宽度方向上得到均匀冷却。本文对于气雾冷却系统的设计方法和研究思路对模具钢在线淬火冷却的研究和利用具有一定的参考价值。关键词：模具钢，控制冷却，气雾冷却Design on Quenching Process and Aerosol Cooling Equipmentof Mold SteelAbstract According to the cooling device which is designed for Dalian Steel by our school and the on-line quenching technology of plate production, my teacher put forward this topic. In this cooling device, air cooling, air-jet cooling, mist cooling, water spray cooling and spray cooling from weak to strong from are took. This paper tells us that how to design mist cooling device, and I make a example of mist cooling device for us. During the design of mist cooling device, I make full use of the soft of FLUENT, so that the design can meet our requires. This thesis consists of parts as follows:1. The device in the design is used to cool the mold steel of 5-150mm thickness, 100-850mm width and 2000-8000mm length. The aerosol cooling equipment is used for cooling the thin mold steel plate. In order to meet requires, I make a optimal design of the aerosol cooling equipment. Many results of FLUENT are compared, and I choose a better solution from them. Then I need to design size of the aerosol cooling equipment.2. Then the Nozzle spacing of the aerosol cooling equipment should be designed. I need to manufacture a GAMBIT model about it, and import this model in FUENT. In order to save time and simplify the calculation, we need to make sure that the model is simplified. We must do a lot of experiments, and find a better design that can keep mold steel uniform cooling.Aerosol cooling system design methods and utilization of the die steel quench has a certain reference value research.Key Words：Die Steel; Controlled Cooling; Aerosol Cooling- 2 -目录摘要1Abstract21课题综述21.1课题背景及研究意义21.1.1课题背景21.1.2研究意义21.2模具钢概述21.2.1模具钢发展21.2.2塑料模具钢31.2.3预硬型塑料模具钢41.3控冷简介41.3.1控制冷却的机理和作用41.3.2控制冷却的方式51.3.3气雾冷却设备61.3.4控制冷却在板带材中的应用71.3.5控制冷却存在的问题81.3.6提高控制冷却均匀性的措施92流体概述102.1流体运动研究方法102.2流体相关性质102.3FLUENT软件求解113气雾冷却设备的设计133.1气雾冷却设备方案133.1.1模型的建立和参数设置133.1.2气雾冷却设备方案设计134喷嘴方案的制定244.1气雾冷却系统结构对模具钢冷却均匀性的影响因素244.2气雾冷却系统模型的建立244.2.1模型的建立244.2.2气雾冷却系统结构254.2.3气雾冷却系统的喷嘴方案设计264.2.4计算等效流速38结论42参考文献44附录A附录46附录B文献翻译51在学取得成果61致谢62北京科技大学本科生毕业设计（论文）引言本课题来源于以下背景：（1）我国当前的控冷技术还不够完善。（2）我校也曾为大连特钢设计了一套控冷设备，在实际生产中，仍存在一些缺陷。本文研究的内容主要有以下部分：对国内外模具钢控冷技术的研究现状对比，以及对气雾冷却设备进行方案设计，同时，使用FLUENT软件确定该方案的喷嘴布置，从而使得气雾冷却设备能够满足对模具钢控冷性能的要求，可以实现在线控冷，以及实现控冷工艺的在线自动化。从而可以提高产品生产率和产品质量。该课题的研究过程和方法：首先通过对气雾冷却设备的相关知识进行充分了解的基础上，对气雾冷却设备的方案进行设计和实验，完成对气雾冷却设备外形尺寸的设计。通过文献学习，找到理论计算方法。并且采用理论研究与数值模拟相结合的方法，通过Fluent进行数值模拟分析，确定合理的喷嘴分布参数。1课题综述1.1课题背景及研究意义1.1.1课题背景目前，我国的控冷技术仍然不够完善。并且，我校为大连特铁设计的一套控冷设备在实际的生产应用中，也存在一些问题。1.1.2研究意义本课题对气雾冷却设备进行设计和理论计算，使得设备能够满足对模具钢控冷性能的要求，可以实现在线控冷，以及实现控冷工艺的在线自动化。从而提高了产品生产率和产品质量。1.2模具钢概述1.2.1模具钢发展随着对模具的要求如模具向精密、多型腔、高寿命等越来越高，我国引进了不少效果比较好的模具钢。例如：冷作模具钢、塑料模具钢、热作模具钢等1。最近一些年，我国的模具工业的发展十分迅速。国内现有模具生产厂点有近20000个，从业人员超过50万人。模具材料是制造生产模具的基础，随着我国模具工业的发展和国际化的进程，我国模具钢的产量、生产工艺装备、质量性能、品种规格等方面均取得了长足的进步。近几年， 2000年以来，我国国产模具产值每年平均递增15%，但国产模具的自配率不足80%，其中中低档模具供过于求，而高档模具近50%靠进口，尤其是大型、精密、复杂、长寿命的模具缺口更大。中国是模具进口大国，年进口金额相当于国产模具产值的25%30%。随着全球制造业向中国和东南亚转移，预计到2020年中国将成为世界制造强国和制造业中心2，制造业的发展向模具钢提出了更多的要求，必须提高国产模具钢的质量以生产出高质量的模具，摆脱长期依赖于进口的不利局面，为制造业的发展打下坚实基础。根据文献资料得到2000年2007年我国模具钢产量3。表1-1 我国模具钢的产量年份20002001200220032004200520062007产量/万t1927333952545760同时，中国模具钢制造水平取得了长足的进步。以汽车覆盖件为代表的大型复杂冲模，34英寸大屏幕彩电和48英寸背投式电视机的塑壳模具，6.5kg大容量洗衣机全套板等塑料模具，自动扶梯整体踏板及汽车后桥齿轮箱的大型精密复杂压做模等，我们自己都能生产。如模具CAD/CAE/CAM技术已广泛应用，并开发出有自主知识产权的CAD/CAE/CAM模具软件：电加工、数控加工技术在模具制造上普遍采用；一些骨干模具生产企业开始使用高速加工技术，这都为国产模具钢提供了一个潜在的大市场，国产模具钢要尽快适应模具市场的变化趋势，模具工业的快速发展，带动了国内模具钢的产量、品种、规格及品质水平的提高。目前，深圳周边及珠江三角洲地区已经成为中国模具工业最为发达、科技含量最高的区域。今后几年，随着全球制造业重心加快向我国转移，这一地区有可能在10年内发展成为世界模具生产中心4。1.2.2塑料模具钢1960年，世界塑料的总产量仅仅670万t，到2001年已达16450万t。2000年我国塑料制品就超过2000万t，仅次于美国，居世界第二位5。模具可以分为金属成形模和非金属成形模两类，而塑料模具是非金属成形模具中主要模具类型之一。随着石油、化学等工业的迅速发展，塑料成为了工业生产中的一种主要原料，导致塑料制品成形模具用钢已发展成为一个独立部分。按照塑料成形模具损坏的原因以及加工性能对模具钢要求，塑料模具钢应具有良好的耐热性能、机械强度、耐磨性、耐腐蚀性、切削加工性、镜面加工性、花纹图案光蚀性能等。塑料模具钢可分为低碳低合金钢，碳素结构钢，合金结构钢，合金工具钢，析出硬化钢和马氏休时效钢等六种。根据成型方式不同，塑料模具钢有不同的用途6。1）注射成型：用于热塑性、热固性树脂、花纹图案、透明件、光学玻璃和镜片透明塑料件、PVC等的加工。2）压缩成型：用于调价玻璃纤维等无机物填料一般热固性树脂、热固性树脂的加工。1.2.3预硬型塑料模具钢预硬型塑料模具钢的特点是在模具加工前需要进行预硬化处理。模具加工成形后可以不再进行热处理，但是模具型腔是从表面向内凹陷，因此模具的工作面实际上是模块的截面, 因而这就需要要求模块截面具有均匀的硬度。常用的预硬型塑料模具钢可分为两类，第一类是结合塑料模具要求而单独开发的钢种, 如3Cr2Mo（美国P20）、3Cr2MnNMio（瑞典718）钢等；第二类是借用的合金结构钢以及一些热作模具钢的成熟钢钢号，如40Cr、42CrMo、3CrMnSiNi2A、5CrMnMo、5CrNMi o、4Cr5MoSiV1钢等。预硬型塑料模具钢一般用于酚醛树脂、三聚氰胺树脂等各种胶木粉的压制成型以及尼龙、聚甲醛、聚乙烯等各种热塑性塑料的注射成型。除了要满足一般的强韧性要求外, 还必须拥有较好的淬透性、截面硬度均匀性、切削加工性、磨抛性及耐蚀性等7 。1.3控冷简介1.3.1控制冷却的机理和作用模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外。其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的。也是不经济的。而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果。这也正是表面处理技术得到迅速发展的原因8。钢以扩散方式从奥氏体转变为铁素体或珠光体型组织，以切变方式从奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织。因此，根据其相变机理而言，加速冷却工艺主要是以扩散相变机制和细化晶粒来达到改善钢材的性能的目的，同时直接淬火工艺则主要是利用切变机理和提高淬透性来实现钢材的性能的改善7。淬火是将钢加热到一定温度以上，保温一定时间，以需求冷却速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。它是钢的最经济、最有效的强化手段之一。配合不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。经感应加热表面淬火的工件，表面不易氧化、脱碳、变形小9。后来开发的DQ（直接淬火）技术，DQ与再加热淬火处理相比，淬硬性可以提高1.4到1.5倍能大大提高低碳钢及低合金钢的强度10。按淬火冷却介质来分，目前常规淬火工艺主要有水淬、油淬、熔融热浴（碱浴、盐浴、和金属浴）淬火和专用淬火液淬火、水溶性淬火介质淬火等，这些淬火工艺是先将工件加热到奥氏体化后再在水、油、熔融热浴、以及专用淬火液、水溶性淬火介质等冷却介质中快速冷却并使工件发生相变的加工处理过程。此外，比较常规的淬火工艺还有空气（静止空气、压缩空气）淬火和固体（流动粒子和金属板）淬火等11 12。常用的淬火方法有：单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、局部淬火10。控制冷却的作用可概括如下13：（1）提高产品质量1）机械性能：提高强度并且改善韧性。2）工艺性能：提高可焊性、裂纹抗力和成形性。3）组织与结构：提高了组织的分散度、获得了复相组织并且细化了晶粒。4）表面质量：减少表面划伤、裂纹和氧化铁皮产生、避免表面脱碳现象的产生。（2）降低生产成本1）节省了合金成分。2）减轻了构件及其设备重量。3）节约了能源。4）简化工艺流程。5）提高成材率。6）减少环境污染、节省自然资源。1.3.2控制冷却的方式几种常用的冷却方式和特点如下 14 15 16：（1）水气喷雾冷却通过加压的空气使水成雾化状态，成雾状的水和高压高速气流直接喷到钢材表面上进行冷却。优点是可对板材较冷边部进行补偿，这大大节省了成本，缺点是这种冷却方式冷却不均，容易产生翘曲。（2）层流冷却其优点是水流可以保持成层流状态，并且可以得到很强的冷却能力；上下表面、纵向表面可以得到均匀冷却。其缺点是冷却区距离长；并且集管之间有了一定的距离，这导致了横向冷却的不均匀。（3）水幕冷却其优点是保持层流状态的水流，可以大大提升冷却速度，并且其对水质的要求不高，容易维护。缺点是带钢上下表面以及整个冷却区的冷却十分不均匀；并且可调节的冷却速度范围也相对较小；这导致容易出现不成幕的缺陷。（4）超快速冷却这种冷却方式优点是它可以有很大冷却速度，并且冷却能力范围大，冷却的也较均匀，所以冷却效率高。对应的缺点点是水消耗量很大，对水质的要求也很高，喷嘴容易出现阻塞状况。（5）喷射冷却水通过加压从喷嘴喷出来，其优点是冷却面积很大，冷却也较均匀。缺点是这种冷却方式对水质要求极其严格，并且可以控制的冷却范围不太宽，需要很高的压力，冷却效率也不高，大量的冷却水都飞溅出去，因此浪费水资源。1.3.3气雾冷却设备气雾冷却系统是指采用高速冷却空气雾化冷却水产生气雾冷却介质的装备，它可以提高带钢的冷却速度。它由冷却喷箱、汽水分离器、气刀、脱盐水箱等组成17。（1）冷却风箱气雾冷却的核心是采用高速冷却水和冷却空气，用冷却水雾化产生的气雾介质冷却带钢，而其中的核心设备就是冷却风箱。冷却风箱是一个整体喷箱，喷箱下部为带钢人口和密封气刀，中部为气雾喷嘴与风箱，上部为气雾排放口和带钢出口，雾化后的水雾喷吹到带钢的表面冷却带钢，以满足工艺的要求。（2）喷嘴喷嘴是冷却风箱的核心，然而不同型式的气雾喷嘴则有着不同的喷雾形状和流量分布特性、雾化角、雾粒直径和流速、冲击力分布，因此需要根据各种工况下的雾化状态，来采用最合适的喷嘴组。要想使用中达到理想的喷吹效果，所以要先在实验室里对喷嘴进行试验，根据不同喷射速度，确定流量系数，采用粒度分析仪测量雾粒粒径和速度。采用数码照相机或摄像机记录各种工况下的雾化状态，完成单个喷嘴性能实验后，选定一种型式的喷嘴，按照一定喷嘴间距形成喷嘴组。（3）气刀其主要作用是密封，气刀的角度固定，在穿带时可以打开。气刀转动使用气体压力，气刀风管下部设有气刀转动位置指示盘。在指示盘指针处需安装位置开关。（4）系统控制在冷却喷箱入口下方设置用于测量温度的辐射高温计，用它来测量带钢进入喷箱前的温度，并将测量值发送到上位计算机，作为参数纪录，用于研究带钢快速冷却温度与冷却速度。在冷却喷箱出口上方设置一个带钢温度测量的辐射高温计，测量带钢出喷箱后的温度。该信号与喷水控制阀形成闭环控制，通过调节水量控制带钢出喷箱的温度。该信号与设定值进行比较，以确定冷却水控制阀的开度。喷箱内不设边部挡板，带钢宽度方向温度控制通过喷嘴布置实现，喷箱接水板间隔为固定值。1.3.4控制冷却在板带材中的应用传统的控制冷却方式控制冷却技术随着钢铁材料的性能的提高以及钢种开发的需要而产生的，并且得到了广泛持续的发展与应用。在60年代后半期控制冷却出现在热钢输出辊道上，用于材质控制，在上世纪70年代中期，控制冷却技术在板带材钢种开发方面初露端倪，人们将这种技术用于开发制造管线原板的厚板领域。（1）快速冷却技术在控制冷却技术未出现之前，人们曾经采用控制热轧条件（加热温度以及各轧制道次的轧制温度、压下量）为主的控制轧制技术，并且结合合金元素成分来设计生产强度和低温韧性均较高的板带材。随后人们通过实践，将提高钢板性能的研究开始转向控轧后再水冷。最后确认通过控制冷却可在不破坏钢板韧性的前提下，提高其强度，并且可以保证在同一强度下，实现低合金化高强度钢。快速冷却技术作为控轧控冷技术的重要组成部分，它从发展到现在，其实质是通过控制轧件的轧制温度轧后冷却速率、轧件开冷温度以及终冷温度来控制钢材的高温奥氏体组织形态以及组织形态演变过程，来达到最终控制钢材的组织类型形态及分布并且提高钢材组织和力学性能的目的。（2）直接淬火技术从20世纪50年代以来，日本和美国钢铁公司采用加压淬火装置，开发出6001000MPa级的再加热淬火回火钢板，这成为生产调质型高强度钢的主要工艺。到70年代末，人们尝试以再加热淬火的实用材料为基础，利用较为经济的直接淬火及回火工艺来开发生产高强度钢。日本的T.Inoue18对淬火和回火进行了模型研究和数值模拟，法国的Denis19在内应力计算时，考虑了内应力在马氏体转变过程中的影响。直接淬火是钢板经精轧后进行相应地在线热处理相对再加热淬火工艺其特点为：钢板经精轧后直接进入在线热处理设备省去了再加热过程使工序简化生产流程紧凑经济性好，淬透性好减少了合金元素的含量同时可降低碳含量钢材焊接性能好。直接淬火的实质是在热轧终了后，在轧件处于奥氏体组织时，通过急冷处理使轧件组织产生相变马氏体和贝氏体，从而细化晶粒起到改善材质韧性的作用20。1.3.5控制冷却存在的问题（1）数学模型。影响板材温度的因素多面复杂，包括：带钢材质、厚度、速度、冷却水量、水压、水流运动形态、终轧温度、热传导、对流、辐射条件和冷却装置的设备状况等，因而难以在数学模型中全部考虑和精确描述，增加了准确控制的难度。（2）冷却的均匀性。钢板轧制过程中一般头部和尾部比中间部分的温度低。在采用恒速输送时，钢板的终止冷却温度从头至尾呈线性降低。造成长度方向上冷却不均匀。由于水在上下表面的停留时间和流动状态不同，所以造成上下冷却的不均匀性。如果对此不加以控制，则会造成钢板的翘曲。钢板轧制过程中边部由于与水接触更多会产生更大的温度下降，同时边部的下喷水回落到板面上，造成宽度方向冷却不均匀。（3）控制滞后。卷取测温仪通常安装在冷却区外10多米的位置，相对控制点，检测滞后很大，严重制约了常规反馈控制方式的使用。此外，控制阀的开闭及冷却水从出水口溅落到带钢表面，都存在较大的滞后效应，给动态控制带来不利影响。1.3.6提高控制冷却均匀性的措施冷却钢板外形的平坦和冷却均匀是对轧后冷却装置的基本要求之一。为此要采取各种措施来保证钢板在长度、宽度、厚度（特别是上、下表面）上的冷却均匀。为使钢板长度方向冷却均匀，在板长允许的条件下，应采用同时冷却方式。如果钢板长度接近或大于冷却装置长度，就应采用连续冷却方式。采用同时冷却方式时，如果冲击区纵向间距较大，应选用较高的摆动速度，反之则改用较低的摆动速度。采用连续冷却方式时，为了沿钢板长度方向获得一致的终冷温度，钢板进人控冷区后，应以匀加速运动方式通过冷却装置，使钢板在整个长度方向上冷却的终止温度均匀；如果钢板以匀速运动方式通过冷却装置，此时要逐渐减少冷却装置的喷水量。钢板头尾部的均匀冷却通常靠延迟开启喷水（对头部）和提前关闭喷水（对尾部），个别也有采用遮蔽机构的办法。厚度冷却的均匀是靠改变下喷嘴的喷射角度以增加水流在钢板下表面的停留时间和增加钢板下表面的喷水量来实现的，后者是最主要和有效的方法。上下水量比将视总水量而定，总水量越大，下水量上水量的比值越小。宽度方向冷却的均匀是靠上喷嘴采用横向不均匀水量分布（如水幕采用中凸形的水量分布，管层流采用U型管直径变化或间距变化），下喷嘴改进喷射角度，同时对上喷嘴（和下喷嘴）采用横向遮蔽机构。有资料介绍，当钢板边部的水流速度约为中心的75时，可达到近似横向均匀冷却的目的。2流体概述2.1流体运动研究方法研究流体运动规律的主要方法有三种：一种是实验研究。以实验为研究手段；第二种是理论分析方法，利用简单流动模型假设，给出某些问题的解析解；三是数值模拟。实验法需要耗费大量时间和资源，对于理论分析方法，对于较复杂的流体运动现象仍然无能为力。流体运动规律以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，与固体力学不同之处是流体在运动过程中时刻变化，导致求解复杂。控制流体运动的方程属于非线性偏微分方程，所以，在解决流体问题时，除了简单运动外，一般不易求解。随着计算机的发展，出现了比较著名的软件如：FLUENT、CFX、STAR-CD等。在解决本文中的流体问题中，主要采用FLUENT软件进行求解。2.2流体相关性质1）密度流体密度是指单位体积内所含物质多少。如果流体密度均匀，则有：（2-1）在公式2-1中，为该流体的密度。m为对应流体的质量，V为对应流体的体积。对于不均匀的流体，流体的密度每一处均不相同，所以流体的密度公式采用微分形式，表示某一点处流体的密度。（2-2）流体密度的重要性质是它的值会随着压强和温度的变化而改变。2）流体的压缩性流体的压缩性是指随着外界条件(如外界压强以及流体的温度)的改变，流体的密度和体积发生变化的现象。描述流体压缩性常用的两个量是：（1）流体的等温压缩率；（2）流体的体积膨胀系数。流体的等温压缩率的定义如下： (2-3)由式2-3所示，该式表示温度的恒定时，每增加单位压强所产生的流体体积相对变化率。流体的体积膨胀系数定义为：（2-4）由式2-4得到，压强恒定时，增加单位温度所产生的流体体积相对变化率。在对流体问题进行分析时，考虑流体的可压缩性时，我们把该流体成为可压缩流体，如果不考虑流体的可压缩性，我们把该流体称为不可压缩流体。在本文中，考虑到气雾冷却系统中流体处于稳定状态，温度和压强不发生变化，所以，对待该流体问题，我们可以忽略其可压缩性。2.3FLUENT软件求解FLUENT程序软件由以下软件组成：1）GAMBIT软件，主要用于几何模型的建立和对几何模型进行网格生成。2）FLUENT软件，主要用于对于流体问题的模拟求解。3）prePDF软件，主要用于PDF燃烧过程的模拟。4）TGrid软件，主要用于从现有的边界网格生成生成体网格。5）Filters软件，将其他程序的网格进行转换，用于FLUENT计算。本课题中的流体问题主要使用了FLUENT程序软件中的GAMBIT和FLUENT进行计算模拟。对于FLUENT求解方法，有：（1）非耦合求解；（2）耦合隐式求解；（3）耦合显式求解；对于高速可压缩流动，需要考虑体积力的流动，求解该流体问题需要网格比较密集，一般采用耦合隐式求解；本课题流体问题相对简单，可以采用默认的非耦合求解方式求解。在设置边界条件时，本文中出现的流体问题，进口压力和出口压力已知，所以采用了Pressure-inlet以及Pressure-outlet，设置进口边界条件为压力入口（Pressure-inlet）代表进口流量或流动速度未知而流体入口处压力已知的情形；而出口边界为Pressure-outlet表示了该流体问题中流体出口上的静压是定值，本课题中的流体出口为外界大气压。3气雾冷却设备的设计3.1气雾冷却设备方案3.1.1模型的建立和参数设置在模具钢进入气雾冷却区域时，气雾冷却设备中的流体水和气的参数都达到了稳态，这样才可以使得模具钢在冷却过程中水雾时刻是等强度的。因此，我们只需要研究气雾冷却设备中达到稳态的流体，不需要考虑流体的过渡过程。对于管内流体，其温度基本保持不变，所以可以忽略其热交换过程。水可视为定常不可压缩粘性流体流动，其控制方程只有连续性方程和运动方程，在划分网格时，将喷嘴处的网格加密，以获得较高的计算精度21。对于气雾冷却设备中的流动情况，我们可以划分它的边界条件为：进口边界(PRESSURE-INLET)、出口边界（PRESSURE-OUTFLOW）、壁面边界（WALL）。对于进口边界条件的设置，由于水流经过较长管道的运动，可以认为它的流速和压力是均匀的。所以进口边界条件设为P=0.5MPa。设置喷嘴的出口边界时，由于喷嘴的流速是未知的，而它的压力是常数即外界大气压，设P=0.1MPa。将假设好的方案进行建模，用FLUENT软件分析时，为了简化计算，节约时间，并且反应喷嘴出口的流量分布，我们采用了二维模型，从而定性的分析出喷嘴出口流量曲线形状。为了使模具钢得到均匀冷却，理想状况下的喷嘴的流量曲线应为中凸类抛物线。3.1.2气雾冷却设备方案设计气雾冷却设备的方案类型1）气雾冷却设备方案设计一图3-2所示为气雾冷却系统方案一，即在管道左侧通入水和气，由焊接在管道上的17个喷嘴喷出流体。图3-2 设计方案一图示对于气雾冷却设备方案设计一，假设17个喷嘴均匀分布，并且每个喷嘴之间的距离均为50mm，其它外形尺寸如图3-2所示。在模型简化时，由于用FULENT软件对水和气的管道同时建模属于二相问题，处理起来复杂，忽略里面流动气体管道的影响，将气的作用视为对水的吹散，以便形成气雾。为了使计算方便，我们采用二维模型，在本章的设计方案中，均采用二维模型。通过FLUENT软件的分析，我们可以得到气雾冷却设备中的流体在管道内的速度云图和从喷嘴口喷出流体的流速图，如图3-3所示和图3-4所示。图3-3 流体在管道中流动的速度云图图3-4 从喷嘴口喷出流体的流速图根据图3-4，将17个喷嘴从左到右编号。17个喷嘴中喷出的流体平均流速如表3-1所示。表3-1 气雾冷却系统设计方案一中从喷嘴口喷出的流体平均速度喷嘴号速度（m/s）喷嘴号速度（m/s）16.23501012.497927.13431116.109837.84881214.932748.64841311.046559.3793140.667469.99741522.9997710.72111623.3007811.44721721.5902911.9658根据表2-1做出设计方案一中从喷嘴喷出流体的平均流速曲线，如图3-5所示。图3-5 设计方案一的从喷嘴口喷出流体的平均流速曲线根据图3-5所示，这种方案所得到的流体曲线为右侧喷嘴流量相对较大，左侧流量相对较小的曲线。流速在111号喷嘴间流速缓慢增大，在1214号喷嘴间，流速曲线突然递减，在1417号喷嘴间，流速突然增大。我们可以通过改变喷嘴间距使设计方案一的的流体曲线呈现中凸曲线形状。但是通过改变喷嘴间距使得喷出的流体呈中凸曲线的方法会使得设计复杂，同时，该方案适用于空间较小的情况下。由于气雾冷却设备的空间足够，所以可以考虑更佳方案。2）气雾冷却设备方案设计二如图3-6所示，气雾冷却设备方案二由管道上端通入水和气，并且由供水管和供气管下端的17个喷嘴喷出流体。并且将17个喷嘴从左至右分别编号。图3-6 设计方案二简图在气雾冷却设备设计方案二中，假设17个喷嘴均匀分布，并且喷嘴间间距均为50mm，其它外形尺寸如图3-6所示，通过GAMBIT软件建模，并且用FLUENT软件分析可以得到气雾冷却设备设计方案二中的流体在管道中流速分布云图和从喷嘴口喷出流体的流速如图3-7和图3-8所示。图3-7 设计方案二的管道中流体流速分布云图图3-8 喷嘴喷出流体的流速图根据FLUENT软件分析，可以得到气雾冷却设备设计方案二中17个喷嘴喷出的流体平均流速表，如表3-2所示。表3-2 方案设计二中从喷嘴喷出流体平均流速表喷嘴号速度（m/s）喷嘴号速度（m/s）115.59941018.5828214.56971111.308838.0057126.8670412.2928133.359752.0265141.080062.4761153.673477.2091166.8801817.15691714.6317921.8614根据表3-2中的数据做出从喷嘴口喷出流体速度曲线，如图3-9所示。图3-9 设计方案二的从喷嘴口喷出的流体平均速度分布曲线观察气雾冷却系统设计方案二中从17个喷嘴口喷出的流体平均流速曲线，发现所做出的流体曲线为中间凸但是两侧也凸的曲线即中间喷嘴和两侧喷嘴喷出流体的流速较大，其余部位的喷嘴喷出的流体流速相对较小。虽然通过改变喷嘴分布使得喷出的流体曲线特性，使其仅具有中凸特性，但是调节过程相对复杂，用时也比较多。因此我们可以考虑更佳方案。3）气雾冷却设备设计方案三如图3-10所示，气雾冷却设备设计方案三中，设置两根对称管道通入水或气，并且由供水管和供气管下端的17个喷嘴喷出流体。图3-10 设计方案三的简图在气雾冷却设备设计方案三中，假设17个喷嘴均匀分布，并且喷嘴间间距均为50mm，其它外形尺寸如图3-10所示，通过GAMBIT软件建模，使用FLUENT软件分析得到气雾冷却设备设计方案三的流体在管道中流动时流速分布云图和从17个喷嘴喷出的流体流速图。如图3-11和图3-12所示。图3-11 设计方案三的流体在管道中流动时流速云图图3-12 设计方案三的从喷嘴口喷出流体速度分布使用FLUENT软件分析气雾冷却设备设计方案三的模型，可以得到从17个喷嘴口喷出的流体平均流速数据表，如表3-3所示。表3-3 方案设计三的从喷嘴口喷出流体的平均速度表喷嘴号速度（m/s）喷嘴号速度（m/s）16.6016107.448628.0324118.3878317.72861212.6420420.98771319.2868517.64641421.276567.27861519.722972.61851615.9640810.32181711.0915913.8223根据表3-3中的数据做出设计方案三中从喷嘴喷出流体的平均流速分布曲线，如图3-13所示。图3-13 设计方案三的喷嘴速度分布曲线图观察气雾冷却设备设计方案三的流体曲线，可以发现该曲线有三处凸起，并且有两处凸出曲线部分对应相应的两个进水管道。根据对设计方案三的多次模拟实验，得出流体曲线有如下性质：（1）曲线中间部分对应极大值。（2）曲线的两端极大值对应进水管口。通过改变喷嘴间距，可以增大4号喷嘴至9号喷嘴喷出流体的速度值，但是实验起来比较复杂，所以采用在4号喷嘴与9号喷嘴间增加两条进水管道的方式来增大49号喷嘴喷出流体的流速。因此，我们提出了新的改进方案。4）气雾冷却设备设计方案四如图3-14所示，设计方案四中由四条进水管道通入供水管道，同时，有四根进气管道通入供气管道，由供水管道和供气管道下端的17个喷嘴喷出流体。图3-14 设计方案四在设计方案四中，采用了17个喷嘴均匀分布的结构，并且设置喷嘴间间距均为50mm，其它尺寸设置如图3-14所示，通过GAMBIT软件建模，并且使用FLUENT软件分析得到设计方案四中流体在管道中流动的速度分布云图和从喷嘴口喷出流体的流速图，如图3-15和图3-16所示。图3-15 设计方案四中流体在管道中流动速度分布云图图3-16 设计方案四中从喷嘴口喷出流体的流速通过FLUENT软件计算分析，得到从17个喷嘴口喷出流体的平均速度数据表，如表3-4所示。表3-4 方案设计四中从喷嘴口喷出流体的平均流速表喷嘴编号出口流速（m/s）喷嘴编号出口流速（m/s）16.5273105.943627.6340119.320937.51501217.807048.2234135.078658.58721411.9804623.06911513.706579.89161611.912685.7783178.4876913.9360根据表3-4数据做出从17个喷嘴口喷出的流体的平均速度曲线图，如图3-17所示。图3-17 设计方案四喷嘴喷出流体的平均流速曲线图根据趋势曲线所示，曲线近似抛物线。为了使趋势曲线更加近似抛物线，可以调节管道间距和喷嘴间距来调节曲线。相比方案设计一、方案设计二、方案设计三，工作量减小，节省了时间。4喷嘴方案的制定4.1气雾冷却系统结构对模具钢冷却均匀性的影响因素气雾冷却系统是采用气雾方式冷却薄的模具钢板，其中，气雾喷嘴是气雾冷却装置中的关键部件，它的功用就是将管道输送来的气、水在其腔内结构中混合，喷射出均匀的小液滴到钢板表面上。理想状态的气雾喷射是在钢板的横向断面方向上（除最边部外）各点喷水量一样，但是由于整个断面布置几十个喷嘴，是很难达到均匀分布的。喷嘴管道结构，气雾喷射由进水，进气两个管道组成，也就是说每个喷嘴的来水，来气的速度矢量分布均匀，才能保证整个喷雾组横向上单个喷嘴冷却强度相等，所以必须对管道结构进行优化设计。由于每个喷嘴在气、水管道结构的位置不同，气、水流动速度不同，不可能做到完全一样，因而要先根据喷嘴进气、进水管道结构的气、水量分布特性进行分析，通过优化结构设计，使每个喷嘴的出口速度矢量接近相等。喷嘴喷射的雾滴颗粒均匀，流动稳定性接近，才能保证钢板冷却均匀，板形平直。4.2气雾冷却系统模型的建立4.2.1模型的建立喷嘴的分布采用GAMBIT进行建模，用FLUENCE进行迭代求解。建模前对实际物体进行简化，方便建模，使工程量减少。由于，喷嘴分布未知，通过假设喷嘴分布，以及使用FLUENCE多次模拟，得到相应得假设的流量曲线，从中选择到最佳方案，这也要求我们需要对模型进行简化处理。模型的简化1）由于通入汽的作用主要是将水雾化，不会影响出水口水的流量分布。所以，可以用出水口水的流量曲线代表气雾冷却设备的气雾流量曲线。同时，用FLUENCE对水管道和汽管道一同建立模型，属于处理二相问题，模型计算过程也会较复杂。综上所述，本课题的模型用水管道代替。2）由于气雾冷却上喷系统和下喷系统喷嘴分布一致，为了简化计算，可以只考虑下喷系统的喷嘴分布。3）喷嘴的结构复杂，在GAMBIT中建立它的模型不方便，采用矩形来代替它的结构，为使喷嘴等效更佳合理化，需要保持实际进、出口的水量之比和模型进、出口的水量之比为定值。所以设置等效为喷嘴的矩形的宽为5mm。4.2.2气雾冷却系统结构1）气雾冷却系统模型建立根据气雾冷却设备的特点，建立了简化的气雾冷却系统模型，如图4-1所示，为了方便和简化计算，采用了二维模型。本节所要做的是设计气雾冷却系统的结构，并且通过调节喷嘴的间距使得喷出的流体曲线呈现中凸曲线，所做的是定性分析，虽然二维模型与三位模型比较，存在较大误差，但是同样呈现喷嘴喷出流体的曲线特性，所以选择二维建模。图4-1 气雾冷却模型2）边界条件设置对于气雾冷却设备中的流动情况，我们可以划分它的边界条件为：进口边界(PRESSURE-INLET)、出口边界（PRESSURE-OUTINLET）、壁面边界（WALL）。对于进口边界条件的设置，由于水流经过较长管道的运动，可以认为它的流速和压力是均匀的。所以进口边界条件设为P=0.5MPa。设置喷嘴的出口边界时，由于喷嘴的流速是未知的，而它的压力是常数即外界大气压，设P=0.1MPa。管道壁面边界条件为壁面=0 ，壁面=0。4.2.3气雾冷却系统的喷嘴方案设计气雾冷却设备的喷嘴共17个，并且按顺序对喷嘴进行编号117号，通过多次假设喷嘴间距，进行多次模拟分析，对每组实验得出的不同的结果，并且对每组结果进行EXCEL作图分析，观察哪组数据的EXCEL图形的趋势线最接近中凸曲线图形，从而确定最佳方案。1）根据方案设计四的分析，为了使9号喷嘴喷出的流量最大，将711号喷嘴间距减小，第一组喷嘴方案如表4-1所示。表4-1 第一组气雾冷却系统喷嘴方案设计从12345678至23456789间距（mm）5050505050505048从910111213141516至1011121314151617间距（mm）4848485050505050对第一组喷嘴方案进行GAMBIT建模，将喷嘴位置网格相对其他位置网格细化，如图4-2所示。图4-2 喷嘴设计方案一的GAMBIT模型将GAMBIT模型导入FLUENT软件中，检查网格质量，如下所示：Domain Extents:x-coordinate: min (m) = -5.150000e+002, max (m) = 5.150000e+002y-coordinate: min (m) = -5.420000e+002, max (m) = 7.400000e+001Volume statistics:minimum volume (m3): 2.500000e-001maximum volume (m3): 4.282846e+000total volume (m3): 3.311000e+005Face area statistics:minimum face area (m2): 5.000000e-001maximum face area (m2): 2.204624e+000Checking number of nodes per cell.Checking number of faces per cell.Checking thread pointers.Checking number of cells per face.Checking face cells.Checking bridge faces.Checking right-handed cells.Checking face handedness.Checking face node order.Checking element type consistency.Checking boundary types:Checking face pairs.Checking periodic boundaries.Checking node count.Checking nosolve cell count.Checking nosolve face count.Checking face children.Checking cell children.Checking storage.Done.网格检查无误后，根据FLUENT软件对方案一的喷嘴分布的模型计算，得到方案一的气雾冷却系统流体在管道中流动的速度云图和从17个喷嘴喷出的流体流速的分布图，如图4-3和图4-4所示。图4-3 方案一的气雾冷却系统流体在管道中流动的速度云图图4-4 方案一中从喷嘴口喷出流体流速分布图使用FLUENT软件，计算出每个喷嘴对应的喷出流体的平均流速，整理数据做出表格，如表4-2所示。表4-2 方案一中从117号喷嘴喷出流体对应的流速表喷嘴编号出口流速（m/s）喷嘴编号出口流速（m/s）115.03601015.2174214.16951120.1324314.27681217.0221414.37411313.3141513.52311414.5428617.36261515.4394719.55581615.2825816.06381716.3025918.6740 根据表4-2中的数据做出气雾冷却系统中从17个喷嘴喷出流体平均流速的曲线图，并且使用5次多项式对所做出的曲线拟合，从而得到它的趋势线，如图4-5所示。图4-5 喷嘴分布方案一的从喷嘴口喷出流体的平均速度曲线结论：通过分析图4-3中管道速度云图，得出进水管道通过四根管道（按从左到右的顺序规定为14号管道）进入供水管道时，2号和3号管道中流体的流速略大于1号和四号管道中流体流速，这种现象有助于2号和3号之间喷嘴喷出流体的流速略大于其他喷嘴喷出流体的流速，有利于17个喷嘴喷出的流体曲线呈中凸类抛物线形式。但是观察图4-5中喷嘴喷出流体的速度曲线，该流体流速曲线接近中凸抛物线，但是1号喷嘴和17号喷嘴喷出流体流速比2号喷嘴和16号喷嘴流体流速略大。2）根据喷嘴分布方案一，曲线比较接近中凸曲线，为了使其更加接近中凸曲线的特性。在对喷嘴方案多次模拟实践中，为了方便调节，总结了下述规律：喷嘴间距小，对应喷嘴喷出流体流量大，同时喷嘴间距大，对应喷嘴喷出流体流量小的特点，为了减小1号喷嘴和17号喷嘴喷出流体的流速，同时增大9号喷嘴喷出流体的流速，我们从新设计了喷嘴分布方案，增大1号喷嘴与2号喷嘴之间以及16号喷嘴与17号喷嘴之间的间距，同时减小了8号喷嘴和9号喷嘴之间以及9号喷嘴和10号喷嘴之间的间距，如表4-3所示。表4-3 第二组气雾冷却系统喷嘴方案设计从12345678至23456789间距（mm）5250505050505048从910111213141516至1011121314151617间距（mm）4646485050505052对第二组气雾冷却系统的喷嘴方案设计进行GAMBIT建模，由于喷嘴相对重要，所以将喷嘴位置网格相对其他位置网格更加细化，如图4-6所示。图4-6 气雾冷却系统的喷嘴设计方案二GAMBIT模型将气雾冷却系统的喷嘴设计方案二的GAMBIT模型导入FLUENT软件中，进行网格检验，检验结果如下所示：Domain Extents:x-coordinate: min (m) = -5.150000e+002, max (m) = 5.150000e+002y-coordinate: min (m) = -5.420000e+002, max (m) = 7.400000e+001Volume statistics:minimum volume (m3): 1.000000e+000maximum volume (m3): 4.590988e+000total volume (m3): 3.311000e+005Face area statistics:minimum face area (m2): 1.000000e+000maximum face area (m2): 2.300018e+000Checking number of nodes per cell.Checking number of faces per cell.Checking thread pointers.Checking number of cells per face.Checking face cells.Checking bridge faces.Checking right-handed cells.Checking face handedness.Checking face node order.Checking element type consistency.Checking boundary types:Checking face pairs.Checking periodic boundaries.Checking node count.Checking nosolve cell count.Checking nosolve face count.Checking face children.Checking cell children.Checking storage.Done.由于网格最小面积大于零，所以网格划分无误。根据FLUENT软件对方案二的喷嘴分布的模型计算，得到气雾冷却系统喷嘴分布方案二的流体在管道中流动的速度云图和从17个喷嘴口喷出流体的速度分布图，如图4-7和图4-8所示。图4-7 气雾冷却系统喷嘴分布方案二流体在管道中流动速度云图图4-8 气雾冷却系统喷嘴分布方案二中从喷嘴口喷出流体的流速分布图使用FLUENT软件，计算出每个喷嘴对应的喷出流体的平均流速，整理数据做出表格，如表4-4所示。表4-4 气雾冷却系统方案二的117号喷嘴喷出流体的平均流速喷嘴编号出口流速（m/s）喷嘴编号出口流速（m/s）117.11941014.7386215.58981119.5501314.10081218.7939414.60221313.0999514.22071415.8920618.87341516.4921719.46501615.7072815.28171716.6224919.3148根据表4-4中的数据做出气雾冷却系统的17个喷嘴喷出流体平均流速的曲线图，并且使用5次多项式对所做出的曲线拟合，从而得到它的趋势线，如图4-9所示。图4-9 气雾冷却系统17个喷嘴喷出流体的平均流速曲线结论：比较图4-5和图4-9的气雾冷却系统喷出流体平均速度曲线，图4-9的中凸特性更加显著些，在一定程度上说明了减小喷嘴间距有利于提高喷嘴喷出流体的流速，但是在喷嘴喷出流体流速曲线中1号喷嘴和17号喷嘴的递增型更佳显著，猜想是因为在增大喷嘴间距的同时，1号喷嘴和17号喷嘴更加接近供水、供气管道端面，导致1号喷嘴和17号喷嘴喷出流体的流速增大显著。3）综合考虑了气雾冷却系统喷嘴设计方案一和喷嘴设计方案二，将611号喷嘴间距减小，从而增大1号喷嘴和17号喷嘴与供水、供气管道间的距离，数据如表4-5所示。表4-5 气雾冷却系统喷嘴分布方案三从12345678至23456789间距（mm）5250505050484846从910111213141516至1011121314151617间距（mm）4646464848505052根据表4-5，做出二维GAMBIT模型，其中，喷嘴相对管道更重要，所以网格比其他部分更密，如图4-10所示。图4-10 气雾冷却系统喷嘴分布方案三的GAMBIT模型将气雾冷却系统喷嘴分布方案三的GAMBIT模型导入FLUENT软件中，检查网格质量，如下所示：Domain Extents:x-coordinate: min (m) = -5.150000e+002, max (m) = 5.150000e+002y-coordinate: min (m) = -5.420000e+002, max (m) = 7.400000e+001Volume statistics:minimum volume (m3): 4.480734e-001maximum volume (m3): 4.782153e+000total volume (m3): 3.311000e+005Face area statistics:minimum face area (m2): 9.871564e-001maximum face area (m2): 1.647178e+001Checking number of nodes per cell.Checking number of faces per cell.Checking thread pointers.Checking number of cells per face.Checking face cells.Checking bridge faces.Checking right-handed cells.Checking face handedness.Checking face node order.Checking element type consistency.Checking boundary types:Checking face pairs.Checking periodic boundaries.Checking node count.Checking nosolve cell count.Checking nosolve face count.Checking face children.Checking cell children.Checking storage.Done.在FLUENT软件中设置边界条件后，通过迭代，待收敛后，做出气雾冷却系统喷嘴分布方案三中流体在管道内流动速度云图和从17个喷嘴口喷出流体的流速图。如图4-11和图4-12所示。图4-11 气雾冷却系统喷嘴分布方案三的流体在管道中流动速度云图图4-12 气雾冷却系统喷嘴分布方案三的从喷嘴口喷出流体流速图通过软件分析，得到气雾冷却系统喷嘴分布方案三的从喷嘴口喷出流体的平均流速表，如表4-6所示。表4-6 气雾冷却系统喷嘴分布方案三的从喷嘴口喷出流体平均流速表喷嘴编号出口流速（m/s）喷嘴编号出口流速（m/s）114.01531016.7107215.97541121.3572316.88731216.9000414.90351313.6972513.57991415.8080617.09431515.0429721.42611615.7206815.30991716.0863919.8296根据表4-6做出气雾冷却系统喷嘴分布方案三从喷嘴口喷出流体的平均流速曲线。如图4-13所示。图4-13 气雾冷却系统喷嘴分布方案三从喷嘴口喷出流体的平均流速曲线结论：观察图4-13的流体平均流速曲线，19号喷嘴间曲线递增，形状接近中凸，但是917号喷嘴间曲线并非一直递减，而是先递减，在15号喷嘴处曲线递增，曲线不对称。可能是迭代曲线一直与迭代精度线一直处于平行，然而迭代次数2000，在迭代2000歩后仍然未达到迭代精度，从而使得到的结果不准确。通过比较上述三种气雾冷却喷嘴的设计方案，由于时间的缺乏，考虑到对称性的要求以及最接近中凸曲线等因素，选择了气雾冷却系统喷嘴设计方案一。4.2.4计算等效流速这里取气雾冷却系统喷嘴设计方案一中的数据进行计算，设17个喷嘴对应的流速为：，，；喷嘴面积为：1号喷嘴喷出流量为： 2号喷嘴喷出流量为： 3号喷嘴喷出流量为：4号喷嘴喷出流量为：5号喷嘴喷出流量为：6号喷嘴喷出流量为：7号喷嘴喷出流量为：8号喷嘴喷出流量为：9号喷嘴喷出流量为：10号喷嘴喷出流量为：11号喷嘴喷出流量为：12号喷嘴喷出流量为：13号喷嘴喷出流量为：14号喷嘴喷出流量为：15号喷嘴喷出流量为：16号喷嘴喷出流量为：17号喷嘴喷出流量为：由于喷嘴之间存在间隔，那么由喷嘴喷出的水雾也存在间隔，导致只在喷嘴下的模具钢板与水雾接触，得到冷却。而在实际中，是不存在上述现象的，水雾在喷嘴喷出后是散射的，本文采用最理想的方式，将每个喷嘴喷出的流量等效为17个紧密接触不存在间隔的喷嘴，每个喷嘴的直径为距离相邻的2个喷嘴间隔的一半，则每个喷嘴面积如表4-7所示：表4-7 17个等效喷嘴的直径喷嘴编号喷嘴直径（mm）喷嘴编号喷嘴直径（mm）15010482501149350125045013505501450650155074916508481750948采用如下公式计算等效的17个喷嘴的流速：（4-1）在式4-1中，表示某一喷嘴单位时间内喷出流体的流量，d代表该喷嘴的等效喷嘴直径。通过式4-1，分别计算出17个喷嘴喷出的流体的等效流速，如表4-8所示：表4-8 17个喷嘴的等效流速表喷嘴编号喷嘴流速（m/s）喷嘴编号喷嘴流速（m/s）13.7399104.107023.5243115.214033.5516124.233943.5757133.311653.3712143.617264.3186153.840175.0646163.801184.3354174.054995.0398根据表4-8做出等效后的等效流速图，如图4-14所示：图4-14 等效后17个喷嘴的流速图根据图4-14所示，17个等效喷嘴喷出的流速曲线更佳接近中凸曲线形式，由于本课题的试验时间有限，所做的实验次数也相对有限。所以选择该方案为最佳方案。结论本文针对北京科技大学为大连钢铁厂设计的控冷设备中的气雾冷却区域，对气雾冷却设备的工作原理、结构参数、喷嘴设计等进行了深入的研究，得出了以下一些结论，同时也发现了仍需要解决的一些问题。结论部分：（1）在对气雾冷却设备进行结构设计时，为了使模具钢板在气雾冷却时得到均匀冷却，气雾冷却设备喷出的流量曲线应为中凸曲线。在保证加工厚度5-150mm、宽度100-850mm、长度2000-8000mm模具钢的前提下，总结了不同气雾冷却设计方案喷出流体流量的曲线形状，比较不同的曲线形状，从而得到最接近中凸曲线的设计方案即采用四根对称的进水管道通入接有喷嘴管道的设计模型。（2）在选定气雾冷却系统的设计方案后，对不同的喷嘴分布进行模拟实验，选取最接近中凸曲线形状的喷嘴分布方案，由于17个喷嘴喷出的流体流速曲线不完全满足中凸曲线特性，采用5次多项式来做出其趋势线，从而得到该气雾冷却系统喷嘴设计方案的流速曲线。比较不同的喷嘴设计方案的流速曲线形状，从而得到了最佳的喷嘴分布方案。存在问题：在本文的设计思路中，采用了理想的设计模型，所以仍然存在一些文题需要解决，如下所述。（1）本文从使气雾冷却系统喷出流体的流量曲线应具有中凸曲线性质的角度出发来设计结构，并没有计算得到中凸曲线的具体形状，所以设计方案很多，无法比较所有能喷出中凸曲线特性流体的设计方案。（2）本文从定性角度思考，将三维结构简化为二维结构进行建模，存在着一定的误差，所以，为使方案得到精确的结论，仍然需要建立三维模型。（3）本文对使得模具钢板得到均匀冷却的问题思考不够深入，未考虑每个喷嘴喷出的流体在模具钢板上是否不重合，使得钢板在流体不重合区域得不到冷却，以及喷出流体重合区域的钢板相对钢板其他部位冷却速度更快的因素。鉴于本科生时间和知识的有限，只能在今后的深入学习中将上述问题解决。参考文献1崔昆.我国模具钢的发展J.金属成型工艺,1995,13（4）,2-11.2市场信息.中国力争2020年成为世界制造业强国J.模具商情，2005,70（3）：22.3刘侠.国内模具钢市场现状及展望J.中国钢铁业，2008，（9）：20-25.4刘向阳，屈平我国模具钢发展现状哦及前景J,金属世界,2004(4),25-27.5廖正品.面向全球的中国塑料工业J.国外塑料，2004,22（9）：316殷志祥，陈耀华.塑料模具用钢概况J.机械工业材料.1983,(6),36-42.7罗毅,吴晓春.预硬型塑料模具钢的研究进展J.金属热处理，2007,32（12）,22-25.8唐育新，李迎春，张祟新.热处理技术对模具性能的影响J.新疆加工，2004(3)，35-36.9倪洪启，刘相华，王国栋.板带材控制冷却技术J.精密成形工程，2004,22（3）.10丁德全，金属工艺学，北京：机械工业出版社，2005.5.11李拥山，王明亮.宽厚板淬火线工艺与设备J.China Academic Journal Electronic Publishing House.2008(4),28-31.12刘永铨，钢的热处理，北京：冶金工业出版社，1987(第二版)：15-73，l71-17313 中国机械工程学会热处理专业学会热处理手册编委会，热处理手册(第1卷)工艺基础(第二版)北京：机械工业出版社，1991：153一18714 冯光纯.板带钢生产工艺学M. 重庆：重庆大学出版社，1990:172.15 孙本荣，李曼云.钢的控制轧制和控制冷却技术手册M.北京：冶金工业出版社，1990:17.16 J.C. 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Arimoto, Development and implementation, of CAE system”HEARTS” for heat treatment simulation based on metallo-thermo-mechanicsJ, Joumal of Materials Engineering and Performance,1997,6(1):51-60.19S.Denis,A.Simon,G.Beck,钢马氏体淬火过程中的热力学行为分析及内应力计算，第三届国际材料热处理大会论文选集C.北京：机械工业出版社，1985:70-80.20於亮,刘军会,宋惠改. 控轧控冷技术的发展和应用J.河北冶金，2006,(1):10-15.21 黄艳NAC系统中板材气水喷雾冷却模型和工艺研究D北京：北京科技大学，2007附录A 附录附录B 文献翻译新的轧制和冷却技术对钢的加工形变的影响热轧带钢轧机有两种重要的发展趋势。薄热轧带钢应用的不断发展代替了冷轧和退火板。在不同的实际应用中，所生产的高强度带钢需要在延展性、成形性、焊接性、抗疲劳、韧性和抗摔性中找到一个平衡。在所有钢种中，内应力是必须存在的。新的轧制和冷却技术的发展使产品再现性、机械性能好，并且生产费用低。引言：热轧带钢仍有巨大创新潜力来保持较低的生产成本，并且不断地提高产品质量和开发新的钢种，来满足客户日益严格的要求。在热轧带钢机上，必须实现两个目标。第一个目标是，为最终的应用而开发的正确的晶相组织、微观结构和强化机制，来确保稠度和再现性。第二个目标是，把生产这种给定目标参数的钢材的轧制工艺的生产时间降到最低，使产量等同于普通高效率的热轧机的正常产量，这需要在参数改变上的高度灵活性。为了达到这些目标，钢铁企业需要使用新工艺和新技术。例如：（1）引入更多的连续工作过程并且达到更高的同步化。例如，在新的薄板坯连铸和直接轧制线中进行循环的轧制，这有助于节约能源，减少材料和产品传递时间。最新的生产线将卷取机结合起来，这台卷取机安装在离最后一台轧薄材料的轧机一小段距离，这些方案都同时降低了材料消耗，增加了薄的热轧钢带的产量。这短距离的卷曲使高冲压产品在低于铁素体轧制温度后，再结晶，成为热轧钢带。（2）冷却或间接冷却技术在温度控制方面有很高的灵活性，这降低了在粗轧机和精轧机间的传输时间来提高产量。（3）由于低成本、高强度钢或新品种钢的发展，形成了超快冷却技术，这种技术可以使每四毫米厚的热钢带快速冷却至300Ks-1，并且可以用于微观结构控制，主要用于细晶粒高屈服度，全贝氏体，或者低碳同等价值多相微观结构钢的生产。同时这项技术也可用于在有短距离卷曲工艺的生产线上薄高强度钢的生产。（4）铁素体轧制方案使得成本大幅度降低，高质量薄热轧钢带的产量提高。当它用于完全润滑的轧机上进行无间隙真空脱气时，铁素体轧制使得新的热轧带钢达到DQ水平。（5）动态再结晶控制轧制工艺，结合低温轧制和动态再结晶来产生良好的晶相组织。如果该工艺与低卷曲温度相结合，可以产生细晶双显微结构。高强度钢的生产很多强化机制都可以使得热轧带钢具有高强度，例如：固溶强化机制、第二阶段硬化机制、沉淀硬化机制和晶粒细化机制。根据最终的用途和客户需求，并且考虑到生产成本和技术水平方面，采用适当的硬化机制。考虑到新的高强度等级已经将高强度和高层次结合，微观结构包含了铁素体和第二阶段（贝氏体，马氏体，贝氏体马氏体混合物，残余奥氏体）的混合物，然而这样的微观结构也受到人们的喜爱。某些情况下，铁素体被一些沉淀硬化物质硬化，这使得它的强度提高。因此相变和冷却时间的控制是至关重要的。同时新的冷却技术和轧制方案得到发展。超快冷却技术该技术中带钢冷却方式是水冷。在热轧带钢轧机上的实践表明，现在可以达到的最高的特定水流量是（65Lm-2s-1），最大的制冷功率为5.0MWm-2。例如，四毫米厚的带钢最大的冷却速度是300Ks-1。冷却区域的长度为712米，并且每单位冷却区域总水流量为1000m-3h-1/m。在早期的冷却模式中，以下强化机制被采用。图1快速冷却对C-Mn带钢拉伸性能的影响（1）众所周知，高的冷却速率可以提高铁素体晶粒的细化程度，当晶粒转变开始是奥氏体时细化更加有效，因为可以为铁素体转变形成更多的核。（2）较高的冷却速度可以减少高温变形所导致的铌或者钛的微增加，并且如果卷曲温度足够高，使它沉淀，那么将增加沉淀硬化程度。（3）在冷却非平衡物质如针状铁素体或贝氏体过程中，高的冷却速度可以降低或者抑制铁素体的形成。然而高的冷却速率的效果取决于卷曲温度，在低卷曲温度上述状况更加显而易见。高的冷却速度可以调整碳化物的尺寸和分布，这对实际应用有重要影响。下面给出两个超快冷却效果的重要实例。对于C-Mn钢，图一说明了在轧制阶段结束后，仅短暂时间的间隔，进行高速冷却导致拉伸强度提高。表一也说明微量元素通过沉淀硬化和晶粒细化使强度得到提高。表1 微量元素所占比例的制冷模式的影响在早期热轧带钢机进行超速冷却，容易增加钢的阻力。凭借减少总合金含量，高强度钢种可以低成本生产。超快冷却的使用还有两个重要有点。第一个优点是，最终强度取决于控冷速度、终止冷却温度以及钢的化学成分。因此，有利于在钢的市场上，相同的必要化学元素的用量的减少。第二个优点是，最终厚度对最终强度的决定程度相对降低。超快冷却方式还可用于生产低成本高强度多相钢种。为了便于多相钢的生产，将传统的层流冷却技术与超快冷却技术一同进行了深入探究，以奥氏体转化成为铁素体机理为基础，产生多相微观结构，并且在最终超快冷却期间得到更深层转化。剩余的奥氏体将转变成为非平衡相（贝氏体，马氏体），所产生的类型取决于卷曲温度。表二表明了最终超速冷却对化学结构的影响。表2 高强度钢的化学组成完成轧制后，试样经过两个步骤冷却：先层流冷却（15-20Ks-1），接下来超速冷却（300Ks-1）。不同的钢种使用不同的冷却方式。通过改变中间温度和卷曲温度，将会在相同元素下产生一系列微观结构。事实上，在开始层流冷却阶段奥氏体就已经部分转变为铁素体。应避免产生针状铁素体，因为它不利于钢铁延展性。该技术所轧制出的微观结构与传统热轧带钢机所轧制出的微观结构不同。由超速冷却所获得的微观结构与传统持续冷却铁素体-贝氏体结构，如表2所示。根据钢铁的晶相组织温度转化图表，传统的方案，贝氏体所占比例由冷却速率决定。而且，奥氏体在冷却过程中不断转化，形成了少量多相结构。除此之外，多边形铁素体、贝氏体，以及针状铁素体持续产生的。这样的微观结构对冷却速率非常敏感，并且轻微的变化也会对结构发生无法预知的影响。使用传统的层流冷却，化学组成必须选定才能得到适宜的多相组织结构。相反，层流冷却与超速冷却的结合时在不同元素比例下得到适宜的多相组织结构成为可能。微观结构现在由冷却方式决定而不是由化学组成决定。钢铁元素可用于改变第二阶段的性能，改善钢铁的其他特性（抗疲劳度，改善焊缝，表面质量等）或者减少生产成本（优化合金含量，提高生产力等）。根据表二铁素体马氏体钢铁从三个阶段生产。他们的机械性能在表三中给出。对比传统的铁素体马氏体钢种，超快冷却钢种有较低的拉伸强度但是钢的韧性得到显著提高。图2超速冷却得到的微观结构与传统层流冷却得到结构的对比拥有好的延展性，屈服点伸长率特别是低屈服强度比改善了钢的性能及产量。低层流冷却速率和超速冷却的结合增强了对微观结构的可控性。事实上，根据钢铁温度转化表可以看出，控制中间转变温度显得更加容易，最终奥氏体转变为铁素体。图

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