模具钢气雾冷却系统设备设计

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 SteelAbstractAccording 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 .1Abstract .21 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 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007产 量 /万 t 19 27 33 39 52 54 57 60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600 1000MPa 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