[科普中國(guó)]-噴霧冷卻

介紹

噴霧冷卻指的是用具有一定壓力的空氣將水霧化成霧流對(duì)熱軋鋼材進(jìn)行的在線控制冷卻。切削液在金屬切削中主要起兩個(gè)作用，一是潤(rùn)滑作用；二是冷卻作用。切削液能否充分發(fā)揮有效的潤(rùn)滑作用，其滲透能力強(qiáng)弱是一個(gè)重要的因素。常規(guī)的澆注式切削液在切削加工中的滲透以液體滲透和氣體滲透兩種方式進(jìn)行：澆注的液體滲透效率較低，在高速切削時(shí)效率更低；氣體滲透是由于澆注在切屑表面裂紋中的液體隨著切削溫度的上升發(fā)生汽化而向前刀面進(jìn)行滲透的。試驗(yàn)證明，常規(guī)切削液的滲透能力不強(qiáng)，能夠被汽化的液體量很少，使?jié)櫥Ч艿较拗啤６鴩婌F冷卻形成的兩相流體，能夠彌補(bǔ)切削液滲透能力的不足。氣液兩相流體噴射到切削區(qū)時(shí)，有較高的速度，動(dòng)能較大，因此滲透能力較強(qiáng)。此外，在氣液兩相射流中微量液體的尺寸很小，遇到溫度較高的金屬極易汽化，可從多個(gè)方面向刀具前刀面滲透。雖然射流中的液體量很少，但被汽化的部分則比連續(xù)澆注切削液時(shí)多，因而潤(rùn)滑效果較好。在金屬加工中切削熱主要來源于金屬的塑性變形，切削區(qū)的冷卻過程就是固體與流體之間的傳熱過程。由于流體與固體分子之間的吸引力和流體粘度作用，在固體表面就有一個(gè)流體滯流層，從而增加了熱阻。滯流層越厚，熱阻越大，而滯流層的厚度主要取決于流體的流動(dòng)性即粘度。粘度小的流體冷卻效果比粘度大的流體冷卻效果好。

氣液兩相流體噴出時(shí)，體積驟然膨脹對(duì)外做功，消耗了內(nèi)能，可使溫度降低10℃左右。噴霧冷卻中兩相流體有較高的速度，能夠及時(shí)將鐵屑沖走，并帶走大量的熱量，進(jìn)一步增強(qiáng)了降溫效果。因此，噴霧冷卻實(shí)際上綜合了氣液兩種流體的降溫效果和優(yōu)點(diǎn)。

特點(diǎn)噴霧冷卻有以下特點(diǎn)：

(1)冷卻速度可調(diào)范圍廣(從風(fēng)冷到全水冷)；

(2)冷卻比較均勻；

(3)可節(jié)省冷卻水；

(4)設(shè)備費(fèi)用高(有空氣和水兩個(gè)系統(tǒng))；

(5)有噪聲。

噴霧冷卻裝置的工作原理噴霧冷卻就是把微量液體混入壓力氣流中，形成霧狀的氣液兩相流體，通過噴霧產(chǎn)生射流，噴射到切削區(qū)，使工件和刀具得到充分冷卻和潤(rùn)滑。 噴霧冷卻裝置工作時(shí)，壓縮空氣經(jīng)分水濾氣器濾除水分等雜質(zhì)，通過電磁閥后一小部分壓縮空氣進(jìn)入冷卻液箱內(nèi)，將冷卻液壓出到噴嘴；絕大部分壓縮空氣經(jīng)調(diào)壓閥將壓力調(diào)至0.32～0.35MPa后經(jīng)壓縮空氣軟管到噴嘴與冷卻液混合，霧化后噴射到切削區(qū)。 噴霧冷卻技術(shù)的關(guān)鍵在于能否把冷卻液充分霧化。

由于冷卻液的壓力略大于壓縮空氣的壓力，二者在氣液混合室內(nèi)混合后，經(jīng)蛇皮管式冷卻管5由噴嘴頭噴出。反之，若冷卻液的壓力小于壓縮空氣的壓力，則冷卻液將被壓回到冷卻液箱內(nèi)。在一些進(jìn)口機(jī)床的噴霧冷卻裝置中，壓縮空氣是從調(diào)壓閥后進(jìn)入冷卻液箱的，因此噴出冷卻液時(shí)往往有“喘氣”現(xiàn)象。若將壓縮空氣改為從電磁閥后直接進(jìn)入冷卻液箱，就可避免“喘氣”現(xiàn)象。

為了調(diào)節(jié)噴出的冷卻液流量，在噴嘴上安裝了冷卻液流量調(diào)節(jié)閥。一些進(jìn)口機(jī)床所采用的噴霧冷卻裝置，其噴嘴調(diào)節(jié)閥為錐形，使用時(shí)通過調(diào)整錐面配合間隙的大小來調(diào)節(jié)冷卻液流量。由于加工這種結(jié)構(gòu)的噴嘴調(diào)節(jié)閥比較困難,閥桿與閥體錐面的同心度不易保證，從而不能有效地調(diào)節(jié)冷卻液的流量。試驗(yàn)證明,如將錐閥改成平閥、將錐面改成平面，并增加一個(gè)密封圈，則冷卻液的流量可以任意調(diào)節(jié)。1

噴霧噴嘴噴霧噴嘴根據(jù)空氣和水混合的部位，可分為內(nèi)混式噴嘴和外混式噴嘴; 根據(jù)噴流的股數(shù)可分為單股噴流噴嘴和多股噴流噴嘴; 根據(jù)噴流的寬度大小還可分為寬幅噴流噴嘴和窄幅噴流噴嘴。

內(nèi)混式噴嘴 (見圖1-a) 指空氣和水預(yù)先在混合室(霧化室)內(nèi)混合霧化后，再一起噴射出去。從水孔出來的水流受到從氣孔出來的具有一定壓力的空氣流的沖擊而破碎在噴嘴內(nèi)的混合室內(nèi)，與空氣充分混合，并達(dá)到一定程度的霧化。當(dāng)這種兩相混合物從噴口噴出時(shí)，由于壓力突降，氣體體積突然膨大，進(jìn)一步破碎了周圍的大液滴，在周圍介質(zhì)的作用下，引起流股的進(jìn)一步破碎而達(dá)到霧化。

外混式噴嘴(見圖1-b)指空氣和水從噴嘴分別噴出后，在噴嘴外面進(jìn)行混合霧化。在外混式噴嘴內(nèi)部，水流和空氣流不相遇，水流從噴口噴出時(shí)，在一定的流速下，流股內(nèi)出現(xiàn)空洞，空洞氣泡周期性地間斷，在流股表面產(chǎn)生波紋，破壞了完整的流股，使水流分裂成較大的液滴，形成液滴群。這時(shí)具有一定壓力的空氣流，強(qiáng)有力地沖擊著這些大液滴，將其霧化成小的液滴群。

作為軋后控制冷卻方式之一，噴霧冷卻已應(yīng)用于厚板和帶鋼的生產(chǎn)上。此外還應(yīng)用于工字鋼、角鋼、槽鋼和H型鋼的冷卻上。為了彌補(bǔ)冷床面積不足和改善勞動(dòng)條件，噴霧冷卻還用于冷卻冷床上的鋼坯和鋼材。此外，帶鋼連續(xù)退火時(shí)也應(yīng)用此種冷卻方式。

噴霧冷卻液的選擇由于從噴嘴噴出的冷卻液成霧狀，其中大部分噴到切削區(qū)，一小部分彌散在空氣中,為了避免環(huán)境污染及對(duì)操作者造成傷害，冷卻液的選擇非常重要。通過使用非傳統(tǒng)的切削液-植物油，包括脂類，環(huán)境成本顯著減少。這些產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括具有清洗劑，分散劑的性能，低發(fā)泡，快速放氣，著火點(diǎn)相對(duì)較高以及表層兼容?；谥参锏臐?rùn)滑油可迅速被生物降解，大多數(shù)情況下，潤(rùn)滑油在21天內(nèi)即被分解，這樣就無長(zhǎng)期清潔的后顧之憂。

這些潤(rùn)滑油也已經(jīng)得到改進(jìn)，具有低霧化的特點(diǎn)，有助于短期清潔。首先，潤(rùn)滑劑要求較低的粘度。其次，潤(rùn)滑劑有很好的滲透性和表面附著系數(shù)。第三，潤(rùn)滑劑要具有超級(jí)的潤(rùn)滑性。第四，潤(rùn)滑劑需要優(yōu)良的極壓性能。第五，潤(rùn)滑劑環(huán)保、安全、可再生（植物性）。2