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摘要 摘要 在板厚控制技术得到迅猛发展、技术已逐渐完善的板带轧制领域，提 高带钢板形控制技术已成为迫在眉睫的研究课题。通过冷却轧辊改进辊形 成为改善板形质量的一个重要方法。因此，对冷却装置的分析和研究具有 重要的实际意义。 本文针对传统的喷嘴冷却存在的问题，如容易引起射流重叠区、喷射 飞溅及冷却不均匀等现象，根据各机架冷却水流量分布的实际情况，设计 出了一种全新的可变宽度水幕式轧辊冷却装置，并已经申报了专利。本文 对冷却装置的槽口形状和流量分布进行了计算。采用计算流体动力学中的 流场有限元理论，建立了有限元模型，以大型有限元分析软件 a n s y s ，f l o t r a n 为平台，对冷却装置内部的压力场和速度场进行了不同 条件下的三维数值模拟分析，得出了沿槽口的流量分布曲线。文中分析了 实验装置存在的局部流量分布不很合理的主要缺陷，通过改变压力、调整 进出口形状及结构、增加控制点等方法进行了优化。通过模拟计算的结果， 给出了最佳的轧辊冷却模型。 通过原理性实验和可行性实验验证了水幕冷却原理的正确性和根据模 拟结果进行结构优化的可行性。最后根据实验过程发现的问题提出了解决 方案，为日后的进一步优化设计提供了基础。 关键词轧辊冷却；水幕；流场分析；有限元；数值模拟 燕山大学r 学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v es t r i ps h a p ec o n t r o li nt h ep e r i o dw h e ns t r i p t h i c kc o n t r o lh a v ed e v e l o p e df a s ta n db e e np e r f e c ti nt h er o l l i n g i th a sb e c o m e i m p o r t a n tm e t h o dw h i c hi m p r o v e st h eq u a l i t yo fr o l l e rs h a p ea c c o r d i n gt o c o o l i n gr o l l e ls o ，i t i s i m p o r t a n tf a c t u a ls i g n i f i c a n c et or e s e a r c hc o o l i n g d e v i c e a i m e da tt h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ln o z z l es u c ha sf o r m i a g o v e r l a p - z o n e ，s p a t t e r i n g ，u n e v e n c o o l a n ta n da c c o r d i n gt oi t sf a c t u a lf l o w d i s t r i b u t i o n , t h ef l o wf l i e do fc o n t i n u o u sw i d ea d j u s t a b l ea n dw a t e rs c r e e n c o o l i n gw a t e rd e v i c ei sm a d ei nt h ep a p e r i t sp a t e n th a sb e e nd e c l a r e d s l o t f i g u r ea n df l o wa r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h e o r yo fc o m p u t ef l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，f e mm o d e li sg i v e n u s i n g a n s y s f l o r t r a nt h a ti sap o w e r f u lf e ms o f t w a r e ，t h ei n n e rp r e s s u r ef i e l d a n dv e l o c i t yf i e l do ft h ed e v i c ei sa n a l y z e db yt h r e e - d i m e n s i o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o na td i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h em a j o rd e f e c tt h a tt h ed i s t r i b u t i o no f l o c a lf l o wi su n r e a s o n a b l ei ss t u d i e da n do p t i m i z e db yc h a n g i n gp r e s s u r e ， a d j u s t i n gt h ep o s i t i o n a n ds h a p eo fi n l e ta n do u t l e ta n di n c r e a s er e f e r e n c e p o i n t si nt h ep a p e r a c c o r d i n gt os i m u l a n tr e s u l t ，t h eo p t i m a lc o o l i n gm o d e l i s p r o v i d e d a c c o r d i n gt h e o r ye x p e r i m e n ta n df e a s i b i l i t ye x p e r i m e n t ，t h ec o r r e c t n e s s o fw a t e rs c r e e nc o o l i n gt h e o r ya n dt h ef e a s i b i l i t yo fc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n b a s e do ns i m u l a t i v er e s u l t s a tl a s t ，t h er e s o l v e n t sa r r ep u tf o r w a r db a s e do n d i s c o v e r a b l ep r o b l e m si nt h ec o u r s eo fe x p e r i m e n t s t h e s ew o r kp r o v i d eb a s i s i no r d e rt of a r t h e ro p t i m a ld e s i g ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s r o l l e rc o o l i n g ；w a t e rs c r e e n ；f l o wf i e l da n a l y s i s ；f e m ；n u m e r i c a l s i m l l l a t i o n i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文可变宽度水幕式冷却装 置的流场分析与实验研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 作者签字：儇慢日期：元卯f 年了月，卢 燕山大学硕士学位论文使用授权书 可变宽度水幕式冷却装置的流场分析与实验研究系本人在燕山大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关 人员。本人完全了解燕山大学关于保存、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。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保利。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 侄也 狨耖 f q 期：口年了月，日 日期：西年5 月如日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1轧辊冷却系统的研究背景和研究现状 1 1 1 研究背景 随着钢铁行业竞争的日趋激烈，对带材产品的质量即板形质量与板厚 质量的要求也越来越高。在板厚控制技术得到迅猛发展、技术已逐渐完善 的板带轧制领域，提高带钢板形控制技术已成为追在眉睫的研究课题。带 钢质量的优劣一般体现在带钢的板形、断面形状及板厚差指标的好坏上， 其中板形决定于轧机负载辊缝的形状，通过控制热带钢连轧机负载辊缝形 状可以改善带钢的质量。通常控制热带钢连轧机负载辊缝形状是通过控制 轧辊的原始磨削形状、轧辊的热膨胀、轧辊的磨损、轧辊的弹性压扁和弹 性弯曲等实现的l l “。对于某钢厂1 5 8 0 p c 热带钢连轧机，主要是通过改变 弯辊力和调整p c 交叉角来灵活地改变负载辊缝形状，从而控制板形和断 面形状。但在实际生产中仍然发现一些产品存在几何缺陷( 如翘边等) 以及 薄料长材中间浪过大、轧辊温度过高等问题，这说明通过改变弯辊力和p c 交叉角无法有效的控制板形和断面形状。为此，1 5 8 0 热轧厂进行了一年多 技术攻关，发现提高工作辊的冷却效果能够有效的提高板形质量，并且认 为传统的喷嘴型式的冷却方式存在不可克服的问题。因此有必要对精轧机 组的轧辊热辊型进行进一步的深入研究，以期设计出突破传统形式的新型 工作辊冷却装置，以提高冷却效率降低辊温、从热膨胀方面改善轧辊辊缝 的形状、彻底消除传统工艺存在的沿轧辊辊身方向上冷却不均匀的问题。 1 1 2 研究现状 带钢热连轧机的轧辊冷却技术自7 0 年代末8 0 年代初愈来愈成为国内 外热轧生产关注的问题之一。目前这方面的试验与探索已大量应用于旧厂、 旧设备的改造和新建厂中。例如，国外已进行改造的有德国蒂森钢厂、萨 燕山大学上学硕十学位论文 尔茨吉特热轧厂等。国内武钢1 7 0 0 n m a 热连轧机、太原钢铁公司等。国内 外钢厂热连轧机组的轧辊及机架冷却方式主要采用传统的喷嘴冷却方式。 通过收集资料和现场考察，发现轧辊冷却能力与诸多因素有关： ( 1 1 水量及水量配置轧辊冷却水的水量逐年不断加大，特别是采用了 低水压系统，大量的冷却水附着在轧辊表面，形成的低压水膜更多地带走 热量，是轧辊冷却系统更合理、更有效。目前，主要采用6 0 0 1 2 0 0 m 3 h 的 冷却水量：水量配置一般采用入口侧3 0 , - 4 0 、出口处6 0 7 0 。表1 1 为国内两个主要钢厂的热连轧机的水量配置。 表1 - l两个主要钢厂的热连轧机的水量配置 t a b l e1 - 1t h ef l o wc o l l o c a t i o no f r o l l i n gm i l li nt w om a j o rs t e e lm i l l s 宝钢2 0 5 0 m m武钢1 7 0 0 r a m 水量配置f lf 2f 3f 4f 5f 6f 7f 1f 2f 3f 4f 5f 6f 7 ( m 3 r a i n )1 51 51 51 2977t 81 81 81 81 31 31 3 水入口侧出口侧八t a b 4出口侧 量3 0 t a q 0 6 0 7 0 3 0 - - 4 0 6 0 0 俨7 0 比 机架 f l 邙7f l f 7 例 号 集水 1 3 123ll 2 管号6 0 4 0 5 0 1 7 3 3 1 0 0 3 7 5 3 ( 2 ) 水系统的压力轧辊冷却水的系统压力多年来一直在生产实践中 调整变化，开始系统压力偏低，压力低于1 o m p a ，到6 0 7 0 年代，为了消 除部分粘在辊面上的氧化铁皮，水系统压力升高，压力在2 o m p a 3 o m p a ， 对提高产品质量有利。日本日新吴钢厂6 0 年代的热连轧机轧辊冷却水压力 为2 3 m p a 。但近年来，随着轧辊表面质量的提高和材质改进，表面粘结的 氧化铁皮明显减少，提高系统水压的优点就不那么显著了。从冷却效果来 看，高压力水喷到轧辊表面飞溅严重，水接触轧辊表面仅在一瞬间即散射， 不能有效地带走轧辊表面地热量，冷却效果反而降低。目前，主要采用 1 o m p a 冷却压力、大水量并且合理配置水量，对延长轧辊寿命，提高产品 第1 章绪论 质量产生了明显效果，而且大大节省了能源。 ( 3 1 集管布置及喷嘴形式热带钢连轧机主要采用的喷嘴有矩形、圆 形、椭圆形三种。圆形喷嘴是直接在集水管上钻4 m m 5 m m 的圆孔而成， 另外两种喷嘴是整体与集管用螺纹连接。它们在制造上简便但喷射出的水 流为柱状，不能均匀散开，且角度不易调整。在生产中由于震动，喷嘴头易 转动，而且喷射角度小、散射面小。根据冷却工艺的要求，喷射口的长轴 与集管轴的夹角应固定不变；从冷却效果看，散射面大，冲击力分布均匀 效果最好。现在使用的喷嘴主要由喷头、管体、螺母组成与管体之间有燕 尾槽导向定位，管体按一定角度焊在集管上。安装时保证喷嘴的长轴与集水 管成1 5 。固定夹角，以防止相邻两喷射水流在空间互相干涉，影响冷却效 果。喷嘴口为椭圆形不易堵塞，而且维护检修更换方便。国内宝钢、太钢 热带钢连轧机以及连铸等设备都采用了这种结构。目前这种喷嘴的生产在 我国已经成熟，并且大量应用在生产实践中。 ( 4 ) 水中添加剂等峰j 。 喷嘴冷却方式的主要优点是：能够对每个喷嘴进行单独控制，进而实 现对局部冷却水量的分段控制，节省安装空间，易于调试，因此该方式被 国内外很多钢厂所采用。但是这种喷嘴冷却方式也存在以下三个方面的缺 点： ( 1 ) 不能根据轧件宽度进行在线连续性调整，只能在各种宽度规格中 取平均值。而1 5 8 0 轧机的产品结构中，宽度的跳跃很大，以镀锡板为代表 的7 4 6 m m 的窄料和以汽车板为代表的1 3 6 0 m m 以上的宽料并存，而且都 是主要产品，因此很难同时兼顾宽料和窄料，无法达到最佳的冷却效果， 很容易形成如图1 1 和图1 - 2 所示的热膨胀异常。 ( 2 ) 传统冷却装置中常见的问题是个别喷嘴的喷射角度不当、磨损或堵 塞时，容易形成冷却不均匀，从而形成局部高点，造成高次浪型。如图l 一3 中反映了这一常见现象。其中图( a ) 为激光摄像仪拍摄的轧辊冷却后的图 片，图( b ) 为沿辊身方向轧辊热凸度分布。 ( 3 ) 冷却水流场分布不合理，容易引起射流重叠区、喷射飞溅等现象， 还会由于局部压力大而导致冷却不均，影响板带板形质量 6 8 1 。 燕山大学t 学硕士学位论文 6 0 5 0 鱼们 一3 0 釜2 0 蕞1 0 0 l o 2 0 、 、 ， 一 一f 7 、 二业上l 3 44 阻8 9 l o ol l l ；筮蔓爰玉d 辊身宽度( 咖) 图1 - 1 轧制窄料时容易形成的轧辊正凸度 f i g 1 - 1 p o s i t i v e t h e r m a lc r o w na f t e rr o l l i n g n a r r o w m a t e r i a l 辊身宽度( ) 图1 - 2 轧制宽料时容易形成的中部过冷 f i g 1 - 2 n e g a t i v ec r o w na f t e rr o l l i n gb r o a dm a t e r i a l 4 第1 章绪论 芦连襻囊臻夏磊骊萨坐掣肇， 一 毪 * 。3 。j 8 “b 鼎弛碰：j 9 i = = = 二i - 。 、 自折髓踊粥髑揣丢蒿霁 蜀显两i i 3 挝。一1 1 1 钎嬲滞葱艄搿髑黜 lj j i g 蛐磊如讪手 删删燃削 ”1 卵”“样 ( b ) 图1 - 3 轧辊局部冷却不均匀现象及对局部高点的影响 f i g - 1 - 3t h e p h e n o m e n a o f l o c a lu n e v e nc o o l i n ga n d t h ee f f e c t o f l o c a l h i g h p o i n t 唐钢超薄热带生产线上应用r t c ( r o l lt h e r m a lc r o w nc o n t r 0 1 ) 技术，即 轧辊热凸度控制，是新近发展的一项轧辊冷却专利技术。它通过合理控制 特殊布置的冷却喷嘴角度，将冷却水喷射到轧辊的特定部位，并在喷嘴集 管上安装传动装置，使集管的角度可以随时调整，保证水流喷射到辊面的 正确部位，以控制工作辊的热凸度，从而获得理想的板形。其冷却喷嘴布 置如图1 _ 4 所示。 唐钢超薄热带轧机生产线中，r t c 冷却集管用两端装有轴承的支架安 装到牌坊上，集管可沿自身轴线转动。r t c 集管喷嘴的安装位置呈螺旋线 分布，顶点在集管的中部，喷嘴的喷射角沿着辊身方向从中部向两端相应 图1 - 4r t c 冷却喷嘴布置 f i g 1 4 t h ec o l l o c a t i o no f r t cn o z z l e 增大或减小，从而改变喷嘴的冷却效率。r t c 冷却系统的操作原理基于这 样的事实：辊子的冷却效率取决于喷射角度。中部有最小的喷射角度最大 的冷却效率，两端有最大的喷射角度最小的冷却效率。固定集管分成三个 虱引酬引刊鞘霜 一 一 豫瓣旺j嚣磷叫型埔霜鹭 一口，)憾司壤 ： 燕山人学工学硕士学位论文 冷却区域：中部及两端，中部的冷却水量固定，而两端的冷却水量可根据 钢板的宽度调整。它的冷却系统简图如图1 - 5 所示。 色簧 n 7 t 3 4 | j 、) r t l c 2 1 八x - ；o - 仁 j 厂、b3t 辊n 尉1 - 5 冷却系统 f i g 1 5c o o l i n gs y s t e m 不同国家不同钢厂的r t c 冷却系统的控制策略也不尽相同，r t c 的 控制策略主要分为基本控制策略和高级控制策略。应用何种控制策略主要 是根据每个钢厂的规模大小和实际产品的市场定位进行选择。在我国大部 分热轧带钢生产线上大多数情况下使用r t c 基本控制策略。它的优点在于 成本较低和易于实现，而高级控制策略的优点在于控制精度高，反映灵敏。 r t c 的基本控制策略：在液压缸作用下，r t c 集管周期性地在两个极 限位置之间转动，转动周期为r ，极限位置的驻留时问为r ，。通过改变极限 位鼍的驻留时间t ，可以获得不同的冷却状态。液压缸采用比例阀速度控 制，冷却水量由阀门控制。如图1 - 6 所示。 r t c 的高级控制策略：r t c 集管有5 个驻留位置，通过线性位移传感 器位置反馈闭环控制，角度位置及驻留时间可连续变化，从而获得连续的 热凸度控制。同时，r t c 控制系统还可以补偿弯辊控制系统冷却能力的不 足。当弯辊力达到饱和时，改变驻留时间或角度位置值，能够降低所需的 弯辊力，其原理如图1 7 所示。 6 第1 章绪论 图1 - 6r t c 基本控制策略 f i g 1 6 b a s i cc o n t r o lm e t h o da b o u tr t c 图1 7r t c 高级控制策略 f i g 1 - 7 a d v a n c e dc o n t r o lm e t h o da b o u tr t c 当r t c 系统与动态p c ( v e d rc r o s s i n g ，交叉辊) 、弯辊、o r g ( o n l i n er o l l g r i n d i n g ，在线磨辊) 等先进技术相结合，为轧制理想的板材、带材提供了 保证。r t c 技术与传统的喷嘴冷却相比提高了冷却效率，有效控制了轧辊 热凸度，减小了对通过弯辊来补偿热凸度的依赖程度，延长了轧辊的寿命。 燕山大学工学硕士学位论文 但是它也存在不可避免的缺陷：产生射流重叠区进而影响轧辊表面的热传 导系数，而且冷却水飞溅比较难控制，使得辊身表面冷却不均匀，而且以前 的冷却装置还都存在着对轧制计划不足的缺点陟。 英国p i r s b u r g h 大学的r o yj e a n i s s a 提出了一种基于在水滴中加入空气 以形成水雾的冷却方法。它的优点在于增加了液体与金属的接触面积进而 提高了会属物性的同一性和平整度，降低了水消耗，减少了冷却水循环和 过滤的成本，但是仍然没有突破喷嘴的局限性 1 2 1 。 澳大利亚的n e w c a s t l e 大学的m a r kb a t e s 等人提出了用热水喷射轧辊 边缘的方法，有效地控制了轧辊的热凸度，在铝厂得到了很好的应用。但 是在轧钢上效果不是很明显，主要是由于轧制钢时轧辊的热变形没有轧制 铝时轧辊的热变形明显，而且同样没法避免喷嘴所带来的弊端i l 引。 因此，设计一种不同于传统喷嘴式的全新的轧辊冷却装置对于改善工 作辊辊形、提高工作辊工作寿命以及提高板形质量都有很直接的实际意义。 1 2 研究的主要内容及意义 1 2 1 研究的主要内容 针对传统的喷嘴冷却存在的缺陷，提出了水幕式冷却方式，以期通过 调节水幕的宽度和槽口形状，获得理想的冷却水流量分布。具体的研究内 容如下： ( 1 ) 基于轧辊辊身的温度分布和热凸度模型确立可变宽度水幕式冷却 思路并设计实验装置。 ( 2 ) 基于提出的几何模型建立流场的物理模型和有限元模型。 ( 3 ) 利用有限元法对集水管内部流场及出口处流场进行三维数值分析。 ( 4 ) 利用a n s y s f l o t r a n 软件对所研究的不同几何模型的流场进行 三维数值模拟分析，并对包括其速度场、压力场在内进行分析比较，找到 最佳的几何模型。 ( 5 ) 进行实验研究，对实验装置在不同条件下的流量进行测量，与上述 分析结果进行比较，验证准确性和可行性。 第1 章绪论 1 2 2 研究的意义及必要性 水幕冷却目前无论在国内还是在国际上都是一种新型的冷却方式，已 经申请专利，其机理研究及流场分析是一个全新的研究课题。对于该课题 的研究能够建立比较完善的该冷却装置的流场分析模型，通过a n s y s 软 件强大的后处理功能实现对所研究流场的三维数值模拟，直接对冷却水集 水管的机械结构的进一步优化起到理论上的指导作用，使冷却水流量分布 更加合理，冷却效果更好，对提高带材的质量有很好的实际意义。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章新型冷却装置的工作原理及结构设计 2 1 可变宽度水幕式冷却装置的特点 针对以往传统的喷嘴冷却方式存在的不可避免的问题以及基于某钢厂 1 5 8 0 p c 热带钢连轧机具体的轧制计划要求，我们突破传统的设计理念，提 出了一种新型可变宽度水幕式冷却思路，并且研制出了实验装置进行了试 验。该系统主要具有以下几个主要特点： ( 1 ) f l 够根据不同的轧制计划，对槽口径向和横向的宽度实现在线连续 性调整，而且操作简便，响应速度快； ( 2 ) 采用低水压供水，克服了喷嘴冷却产生的冷却水飞溅现象，而且由 于摒弃了喷嘴，也消除了个别喷嘴的喷射角度不当、磨损或堵塞时，容易 形成冷却不均匀，形成局部高点，造成带材产品产生高次浪型的现象； ( 3 ) 冷却水流量分布均匀，能够将辊身的热量比较均匀地带走，能有效 减少辊身局部的热凸度，提高产品平整度。 通过该项工作，可以在保证极高的产量目标、使用高速钢轧辊的情况 下，克服轧辊的正凸度、不均匀膨胀、局部不均匀冷却等问题，提高1 5 8 0 热轧厂的产品质量和技术水平，刨立国内独立知识产权的专利技术，并将 带来重大的经济和社会效益。 2 2 冷却原理 2 2 1 设计思路的提出 热连轧机架间轧辊冷却大多采用集管式喷嘴冷却方式。由于集管喷嘴 冷却方式存在沿宽度方向冷却水难以连续控制、各喷嘴喷射区域重叠等问 题，使得产品板形质量难以保证。特别是在提高轧制节奏、来料宽度前后 变化较大时，对产品质量的控制成为了一种挑战。依据某钢厂1 5 8 0 p c 热 带钢连轧机具体的轧制计划，为提高带材板形质量，本课题提出了一种可 1 0 第2 章新型冷却装置的工作原理及结构设计 变宽度水幕式冷却方式。其基本思路是：利用水幕式层流冷却机构，可消 除喷嘴喷射区域重叠问题；依据优化的冷却水沿轧辊轴向分布，调节水幕 槽口形状以实现沿宽度方向冷却水的连续控制；利用宽度调节装置，调节 水幕宽度以适应不同来料宽度的冷却要求。可变宽度冷却原理可用图2 一l 示意说明。 可调糟口形状 水幕宽度调节 图2 - 1 冷却原理示意图 f i g 2 - 1c o o l i n gt h e o r y 燕山人学j ：学硕十学位论文 2 2 2 理论分析 2 2 2 1 轧辊热凸度模型由于轧制时变形功所转化的热量、磨擦所产生 的热量或高温的轧件所传递的热量，都会使轧辊受热，而冷却水、周围空 气介质和与轧辊接触的零件，则使轧辊冷却。在轧制过程中，加热和冷却 的条件沿辊身长度是不均匀的。由于靠近辊颈部分受热少，冷却快，故轧 辊中部比边部的热膨胀大，使轧辊产生热凸度。 热凸度可以用理论公式计算得出。在须磨( s u m i ) 等研制的模型中，工 作辊沿轴向和径向的温度分布由下面的热传导方程确定 印( 詈 = 爿r 詈) + 譬 ， 轧辊表面的边界条件为 一 罢= 矗。p 一巧) 一g ( 2 2 ) 在轧辊的边部 一五罢= 吃p 一)( 2 3 ) 式中r 轧辊在轴向坐标z 、径向坐标r 点处的温度 f 时间 c 、p 、a 分别为轧辊的质量热容、密度和热导率 h 矿分别为轧辊冷却液和大气的换热系数 l 、l 分别为轧辊冷却液和大气的温度 g 从轧件到轧辊的热流量 求解方程式( 2 1 ) 至式( 2 3 ) 可以得到轧辊上任意点的温度，从而确定轧辊的 热凸度。 热凸度也可以采用实测数据按下式计算 a d = m d ( t ：一t 6 玲( 2 - 4 ) 式中r ，轧辊辊身中部表面温度 轧辊辊身边部表面温度 1 2 第2 章新型冷却装置的工作原理及结构设计 d 轧辊辊身直径 t 2 热膨胀系数，对钢辊口= 0 0 0 0 0 1 3 ，对铸铁辊a = o 0 0 0 0 1 l m 一考虑轧辊中部与表面温度不均匀的系数，一般可取 m = 0 9 【1 4 2 0 1 2 2 2 2 轧辊热凸度模型与冷却水流量的分布根据上述相关模型，以改 善轧辊下机热辊型正凸度和驼峰为目的( 主要以改善f 2 、f 4 轧辊下机正凸 度和驼峰为目的) ，对f 2 、f 4 机架冷却水沿轧辊轴向分布进行了改进。如 图2 - 2 至图2 5 所示，分别为不同轧制计划下改进前后热辊形对比和冷却 水流量对比。 ： 2 口 导” i ： 毫辅 蔫： ( a ) 熟凸度和热辊形对比 ( b ) 冷却水流量对比 图2 - 26 0 7 2 轧制计划下f 2 机架热凸度对比和冷却水流量对比 ( a ) 热凸度和热辊形对比 ( b ) 冷却水流量对比 图2 - 3 6 0 7 2 轧制计划下f 4 机架热凸度对比和冷却水流量对比 f i g 2 3 t h ec o n t r a s to f t h e r m a lc r o w na n df l o wb yf 4m a c h i n er o l l i n gn a r r o ws t e e l ，21：r：l 2 - l-f：v妻it 燕山大学工学硕士学位论文 $ * n - $ f 一 ( a ) 热凸度和热辊形对比( b ) 冷却水流量对比 图2 - 45 8 5 3 轧制计划下f 2 机架热凸度对比和冷却水流量对比 阜分簟“唧， ( a ) 热凸度和热辊形对比( b ) 冷却水流量对比 图2 - 55 8 5 3 轧制计划下f 4 机架热凸度对比和冷却水流量对比 f i g 2 - 5 t h ec o n t r a s to f t h e r m mc r o w da n df l o wb yf 4m a c h i n er o l l i n gw i d es t e e l 从图2 - 2 至图2 5 可以看出，在不同轧制计划不同机架的条件下，保 持冷却水流量基本不变，仅仅通过对冷却水的流量分布进行改进，就能够 有效地改善轧辊的热凸度和热辊形。这说明通过本课题对轧辊冷却装置的 研究能够有效的改进辊形，从而提高带钢的板形质量，具有很强的实际意 义。 2 3 冷却水流量的计算 基于工作辊在轧制过程中的温度模型和热凸度模型及冷却水理想分布 曲线，可进行槽口开度的设计。根据不可压缩的粘性流体的运动微分方程 式n a v i e r - s t o k e s 方程 1 4 第2 章新型冷却装置的工作原理及结构设计 六一吉罢州萨0 2 u + 等+ 万0 2 , ，= 百d u 厶一去考州嘉+ 矿6 。2 , p + 窘，= 瓦d v ( z - 5 ) 六一古老州窘+ 雾+ 窘，= 警 进行设计计算 2 1 2 2 1 。 为装置设计与实现的简便，可按平行平板设计槽口开度。如图2 - 6 所 示的坐标系中，层流时流体运动速度= “( z ) ，v = 0 ，w = 0 ，再考虑到定 常、连续、不可压缩、忽略质量力的条件，则n a v i e r - s t o k e s 方程可以简 化为 图2 - 6 流体在乎行平板中流动的速度 f i g 2 - 6s i m p l ed e s c r i p t i o no f t h ef l o wf i e l di np a r a l l e lf i a t s ( 2 - 6 ) 后两个公式说明，1 l i , 强p 只是沿x 方向变化，而与y 、z 无关，且“只是z 的函数，所以式( 2 5 ) 可改写为 = 甜一2 铲一如 r o o + = | | 望缸望砂望瑟 一p一p一p 一 一 一 燕山人学工学硕士学位论文 碧= l p ya 出p 一告 p ， 出2p y 出血 ” 积分上式，并利用边界条件z = 0 时，掰= 0 ，当二= h 时，”= 0 ，可得沿断 面速度分布规律为 “：鱼m 一 2 止、 ( 2 - 8 ) 可见，速度“沿缝隙高度按抛物线规律分布，如图2 - 6 所示。通过缝隙得 流量为 q v 朝f o d z 等 ( 2 9 ) 式中p 流体密度 p 压力 “流体速度 v 运动粘度 “动力粘度 b 槽口宽度 h 缝隙高度 上流道长度 q 流量 式( 2 9 ) 即为平行平板的流量表达式【2 m 5 1 。 对于不同的轧制计划和轧制规程，对冷却水流量沿宽度的分布要求是 不同的。冷却水流量的总体控制模式有两种：恒流量模式和恒压力模式。 恒流量模式则是控制集水槽入口处的流量以使流量保持恒定。恒压力模式 通过控制集水槽的入口处水流的压力以保证入口压力恒定。 根据轧制宽料和窄料时各机架不同的理想冷却水流量曲线，通过式 ( 2 9 ) 设计冷却装置的出口形状，以期能够满足多种冷却计划。在出1 2 1 柔性 板上方沿宽度方向对称布置5 个阀控液压缸依据不同的冷却水分布曲线来 调节槽口的形状已达到近似理想的冷却水流量分布。如图2 7 所示，5 各 控制点相应布置在中心点，距中心点3 0 0 m m 和+ 6 0 0 r a m 处，中间最大 第2 章新型冷却装置的工作原理及缔构设计 开口量设计成1 0 m m ，边缘开口量2 m m 。 图2 7 出口柔性板上控制点分布 f i g 2 7 t h ed i s t r i b u t i o no f r e f e r e n c ep o i n to nt h ef l e x i b l ep l a n e 2 3 。l恒流量模式下槽口形状与相应的冷却水的分布计算 设入口处总流量为6 0 0 0 l m i n ，针对不同规格和轧制宽度，按照理想 冷却水流量分布曲线设计出口形状。根据实际情况将出口形状近似按直线 线段分稚设计，利用设计的出口形状进行流量计算。通过比较计算流量曲 线和理想流量雎线的差值，进一步调整槽口形状，使其流量的分布曲线更 好的趋近于理想流量曲线。不同轧制计划不同机架的冷却装置的槽口形状 及计算流量曲线分布如图2 8 至图2 1 1 所示。考虑到柔性板槽口实际形状 不能是赢线线段分布，所以实际流量分布与计算流量分布间还可能存在一 定的误差。 对于6 0 7 2 轧制计划，在f 2 机架，维持控制点1 、2 不动，将控制点3 向下调节至底板2 r a m 处，槽口形状及计算所得曲线与理想流量分布曲线 的对比如图2 - 8 所示。 ( a ) 槽口形状 燕山人学工学硕+ 学位论文 6 0 7 蚌l 制计划下f 2 机架的流量分布对比 理想瞄蠛 设计曲线 岛 l ；j 、 8 “ ( a ) 槽口形状 1 8 4 2 o 8 6 4 2 (山呈船删簦希垒 第2 章新型冷却装置的工作原理及结构设计 喜 鼍 a 蠡 篓 霎 6 0 7 2 轧制计划下f 4 机槊的流置分布对比 一一理想曲线 、 一设计曲线 4 | 、$ | 鞭 鄯 爹 鼙 潦。 ( a ) 槽口形状 1 9 燕山大学上学硕士学位论文 5 8 5 3 牟l 制计划下f 龇集的流量分布对比 j 篓褒篝器豢j 6 。一。 “ t i 蕊 t | 、 oe2 3 明4 5 6 7 8 姻 半辊身帅m ( b ) 流量对比 图2 1 05 8 5 3 轧制计划f 2 机架流量对比及控制槽口形状 f i g 2 - 1 0 t h ec o n 打a s t o f f 2 f l o wa n d t h ec o n t r o lo f e x i t f i g u r ea t5 8 5 3r o l l i n g p r o g r a m 从图2 1 0 中可以看出，当槽口形状如图( a ) 所示时，计算的冷却水流量 在0 - 6 0 0 m m 之间略高于理想的冷却水流量，在辊身边部计算曲线下降比 较剧烈，而且计算流量低于理想流量较多，这主要是由于槽口边部形状按 线性计算的结果。 对于f 4 机架，向下调节控制点1 、2 至4 m m ，控制点3 保持在2 r a m 处，槽口形状及计算所得曲线与理想流量分布曲线的对比如图2 - 1 l 所示。 控制点 ( a ) 槽口形状 2 0 9 8 7 s 5 4 3 2 一e山，ule静嘲蜒*希殳 第2 章新型冷却装置的工作原理及结构设计 6 8 6 3 车l 制计划下f 4 机桨盼流量分布对比 i w 理想由线 “t # 8 i “| 、| x 净 驽 ； 、 2 3 2 恒压力模式下槽口形状与相应的冷却水的分布计算 恒压力模式下，冷却水在入口处的压力值设为恒定。此时，依据理想 流量曲线可设计槽口形状，根据实际情况将出口形状近似按直线线段分布 设计。设入口压力为0 1 m p a ，计算所得的理想槽口益线及计算流量曲线如 图2 1 2 至图2 1 5 所示。在恒流量计算中，槽口形状以毫米级进行调节； 在恒压力计算中，槽口形状是利用m a t l a b 程序计算的理想槽口形状，因此 计算流量采用的槽口形状的精确度更高，计算所得的曲线也更趋近于理想 流量曲线。 对于6 0 7 2 轧制计划，在f 2 机架，保持控制点1 、2 在距离底板6 2 m m 处，将控制点3 调节至距离底板3 m m 处，槽口形状及计算所得曲线与理 想流量分布曲线的对比如图2 1 2 所示。 燕山大学工学硕士学位论文 6 叮2 车l 制计划下f 2 机架的理想槽口形状 理想曲拽 ”? 、 x 。? j 。 _ o1 2 0 0 蜘半辐缎m m ) 9 口0 6 0 07 日口o ( a ) 槽口形状 鲫鸿l 制计划- f f 2 梳集的 氚t 分布对比 “嚣糕i 一| t 4 妒 ，| 、 、 o1 瑚 如半 e 訾k m ) 锄6 7 叩即o ( b ) 流量对比 图2 1 26 0 7 2 轧制计划f 2 机架流量对比及控制槽口形状 f i g ，2 - 1 2 t h ec o n t r a s to f f 2f l o wa n dt h ec o m r o lo f e x i tf i g u r ea t6 0 7 2r o l l i n gp r o g r a m 对于f 4 机架，将控制点1 、2 调至5 ，8 m m 处，控制点3 调至4 m m 处 槽口形状及计算所得曲线与理想流量分布曲线的对比如图2 1 3 所示。 b 7 6 5 4 3 2 ， 0 言呈募浩靶 4 2 o 日 6 4 2 0 言e土山巾端昔聒磐 第2 章新型冷却袈置的工作原理及结构设计 0 6 0 7 2 章l 制计划下f 机架的理想槽口形状 l 理想曲线 8 寝蕞， o 1 。”“半揣m m 】。“” ( a ) 槽e l 形状 6 0 7 2 轧制计划下f 4 机絮的流量分布对比 一理想曲缱 设计曲娃 、爸一 。1 争 x a 、 h 。 0 1 0 0 2 3 0 04 0 0 半辊身f m 嘶 5 6 0 0 7 0 0 8 0 0 ( b ) 流量对比 图2 - 1 36 0 7 2 轧制计划f 4 机架流量对比及控制槽口形状 f i g 2 1 3 t h ec o n t r a s to f f 4f l o wa n dt h ec o n t r o lo f e x i tf i g u r ea t6 0 7 2r o l l i n gp r o g r a m 对于5 8 5 3 轧制计划，在f 2 机架，将控制点1 、2 及控制点3 均向下 调节至5 3 n u n 处，槽口形状及计算所得曲线与理想流量分布曲线的对比如 日 7 6 5 4 3 2 首量#蛰聱 1 o 9 8 7 8 5 4 3 言ee门)静耀*艟禽 燕山大学工学硕士学位论文 图2 1 4 所示。 5 8 明轧制计划下f 挑熊的理搏槽口形状 m t 理想曲挂 ：* 一 t o” ”半蠢戮m m l 仰 “7 。” ( a ) 槽口形状 5 3 睾l 制计划下f 2 机熏的流量分布对比 二嚣篮4 、， | 、 。守 、 t o ”3 0 0 丰辊4 叮mm 1 锄“ ( b ) 流量对比 图2 1 45 8 5 3 轧制计划f 2 机架流量对比及控制槽口形状 f i g 2 1 4 t h ec o n t r a s to f f 2f l o wa n dt h ec o n t r o lo f e x i tf i g u r ea t5 8 5 3r o l l i n gp r o g r a m 对于f 4 机架，将控制点1 、2 及控制点3 均向下调节至5 2 m m 处， 2 4 e 7 6 5 4 3 2 言e菲禁靶 g 8 7 6 5 4 3 言一耋蚺麟*帚枯 第2 章新型冷却装置的工作原理及结构设计 槽口形状及计算所得曲线与理想流量分布曲线的对比如图2 - 1 5 所示。 s 8 5 3 轧制计划下f 4 杌槊的理想槽口形状 理想曲拽 “ ： o ”“3 0 0 半 篇m m ) 锄“7 0 0 ” ( a ) 槽口形状 5 8 5 嘁制计划下f 4 机集的流量分布对比 “、| x | 譬 ；i 、 i 统i 1 一设计曲拽l t j o ”“”半孙m l “6 0 0 7 ”印0 ( b ) 流量对比 图2 ，t 55 8 5 3 轧制计划f 4 机架流量对比及控制槽口形状 f i g 2 1 5 t h ec o n t r a s to f f 2f l o wa n dt h ec o n t r o lo f e x i tf i g u r ea t5 8 5 3r o l l i n gp r o g r a m 8 7 6 5 4 3 2 i暑冀隈聱 o m ， ：罟 。 钻 。 辐 ， 踮 ， 冒u!曼蚺羹请靶 燕山人学工学硕十学位论文 2 3 3实验装置的流量计算 在现有的加工和实验条件下，对实验设备进行了简化设计，只保留中 间的控制点，出口长度为2 0 0 0 m m ，距离中间_ + 3 0 0 m m 的柔性板水平，向 两侧线性递减。分别在卸= 0 4 m p a 和卸= 0 , 6 m p a 情况下，在不同开口 宽度和高度下的求解，所得曲线如图2 1 6 所示【2 6 也9 1 。 6l ：- - 5 卜一一 流量沿竟度方向变化图 。 “”。4 鼙辊鬻。i ”7 ”“”。0 ( a ) ( b ) 图2 1 6 在不同压力下流量沿宽度的变化曲线 f i g 2 _ 1 6 s i m u l a t i n gc u r v ea td i f f e r e n tp r e s s u r e 童e暮口删耀*帚枣 第2 章新型冷却装置的t 作原理及结构设计 2 4 结构设计 2 4 1 外部结构设计 为了消除喷嘴冷却引起的缺点，我们在单个集水槽上摒弃了喷嘴，而 是在长度方向上丌有一定开度的槽口，利用层流冷却，槽口开度大小及槽 口形状可通过安装在沿宽度方向对称分布的阀控液压缸依据不同的冷却水 分布曲线来进行调节，进水口对称放置，如图2 1 7 所示。 l2345 焉j j i 毯一丁蠢断荨 圣瞧苎