[科普中国]-喷雾冷却

介绍

喷雾冷却指的是用具有一定压力的空气将水雾化成雾流对热轧钢材进行的在线控制冷却。切削液在金属切削中主要起两个作用，一是润滑作用；二是冷却作用。切削液能否充分发挥有效的润滑作用，其渗透能力强弱是一个重要的因素。常规的浇注式切削液在切削加工中的渗透以液体渗透和气体渗透两种方式进行：浇注的液体渗透效率较低，在高速切削时效率更低；气体渗透是由于浇注在切屑表面裂纹中的液体随着切削温度的上升发生汽化而向前刀面进行渗透的。试验证明，常规切削液的渗透能力不强，能够被汽化的液体量很少，使润滑效果受到限制。而喷雾冷却形成的两相流体，能够弥补切削液渗透能力的不足。气液两相流体喷射到切削区时，有较高的速度，动能较大，因此渗透能力较强。此外，在气液两相射流中微量液体的尺寸很小，遇到温度较高的金属极易汽化，可从多个方面向刀具前刀面渗透。虽然射流中的液体量很少，但被汽化的部分则比连续浇注切削液时多，因而润滑效果较好。在金属加工中切削热主要来源于金属的塑性变形，切削区的冷却过程就是固体与流体之间的传热过程。由于流体与固体分子之间的吸引力和流体粘度作用，在固体表面就有一个流体滞流层，从而增加了热阻。滞流层越厚，热阻越大，而滞流层的厚度主要取决于流体的流动性即粘度。粘度小的流体冷却效果比粘度大的流体冷却效果好。

气液两相流体喷出时，体积骤然膨胀对外做功，消耗了内能，可使温度降低10℃左右。喷雾冷却中两相流体有较高的速度，能够及时将铁屑冲走，并带走大量的热量，进一步增强了降温效果。因此，喷雾冷却实际上综合了气液两种流体的降温效果和优点。

特点喷雾冷却有以下特点：

(1)冷却速度可调范围广(从风冷到全水冷)；

(2)冷却比较均匀；

(3)可节省冷却水；

(4)设备费用高(有空气和水两个系统)；

(5)有噪声。

喷雾冷却装置的工作原理喷雾冷却就是把微量液体混入压力气流中，形成雾状的气液两相流体，通过喷雾产生射流，喷射到切削区，使工件和刀具得到充分冷却和润滑。 喷雾冷却装置工作时，压缩空气经分水滤气器滤除水分等杂质，通过电磁阀后一小部分压缩空气进入冷却液箱内，将冷却液压出到喷嘴；绝大部分压缩空气经调压阀将压力调至0.32～0.35MPa后经压缩空气软管到喷嘴与冷却液混合，雾化后喷射到切削区。 喷雾冷却技术的关键在于能否把冷却液充分雾化。

由于冷却液的压力略大于压缩空气的压力，二者在气液混合室内混合后，经蛇皮管式冷却管5由喷嘴头喷出。反之，若冷却液的压力小于压缩空气的压力，则冷却液将被压回到冷却液箱内。在一些进口机床的喷雾冷却装置中，压缩空气是从调压阀后进入冷却液箱的，因此喷出冷却液时往往有“喘气”现象。若将压缩空气改为从电磁阀后直接进入冷却液箱，就可避免“喘气”现象。

为了调节喷出的冷却液流量，在喷嘴上安装了冷却液流量调节阀。一些进口机床所采用的喷雾冷却装置，其喷嘴调节阀为锥形，使用时通过调整锥面配合间隙的大小来调节冷却液流量。由于加工这种结构的喷嘴调节阀比较困难,阀杆与阀体锥面的同心度不易保证，从而不能有效地调节冷却液的流量。试验证明,如将锥阀改成平阀、将锥面改成平面，并增加一个密封圈，则冷却液的流量可以任意调节。1

喷雾喷嘴喷雾喷嘴根据空气和水混合的部位，可分为内混式喷嘴和外混式喷嘴; 根据喷流的股数可分为单股喷流喷嘴和多股喷流喷嘴; 根据喷流的宽度大小还可分为宽幅喷流喷嘴和窄幅喷流喷嘴。

内混式喷嘴 (见图1-a) 指空气和水预先在混合室(雾化室)内混合雾化后，再一起喷射出去。从水孔出来的水流受到从气孔出来的具有一定压力的空气流的冲击而破碎在喷嘴内的混合室内，与空气充分混合，并达到一定程度的雾化。当这种两相混合物从喷口喷出时，由于压力突降，气体体积突然膨大，进一步破碎了周围的大液滴，在周围介质的作用下，引起流股的进一步破碎而达到雾化。

外混式喷嘴(见图1-b)指空气和水从喷嘴分别喷出后，在喷嘴外面进行混合雾化。在外混式喷嘴内部，水流和空气流不相遇，水流从喷口喷出时，在一定的流速下，流股内出现空洞，空洞气泡周期性地间断，在流股表面产生波纹，破坏了完整的流股，使水流分裂成较大的液滴，形成液滴群。这时具有一定压力的空气流，强有力地冲击着这些大液滴，将其雾化成小的液滴群。

作为轧后控制冷却方式之一，喷雾冷却已应用于厚板和带钢的生产上。此外还应用于工字钢、角钢、槽钢和H型钢的冷却上。为了弥补冷床面积不足和改善劳动条件，喷雾冷却还用于冷却冷床上的钢坯和钢材。此外，带钢连续退火时也应用此种冷却方式。

喷雾冷却液的选择由于从喷嘴喷出的冷却液成雾状，其中大部分喷到切削区，一小部分弥散在空气中,为了避免环境污染及对操作者造成伤害，冷却液的选择非常重要。通过使用非传统的切削液-植物油，包括脂类，环境成本显著减少。这些产品的技术优点包括具有清洗剂，分散剂的性能，低发泡，快速放气，着火点相对较高以及表层兼容。基于植物的润滑油可迅速被生物降解，大多数情况下，润滑油在21天内即被分解，这样就无长期清洁的后顾之忧。

这些润滑油也已经得到改进，具有低雾化的特点，有助于短期清洁。首先，润滑剂要求较低的粘度。其次，润滑剂有很好的渗透性和表面附着系数。第三，润滑剂要具有超级的润滑性。第四，润滑剂需要优良的极压性能。第五，润滑剂环保、安全、可再生（植物性）。2