鞍钢厚板厂柱状层流冷却技术开发

１ 前盲
鞍钢厚板厂的柱状层流冷却系统是 １９ 年 ９９ １ 月开发成功， ０ 它是在原水幕冷却系统的基础上 开发的。 鞍钢厚板厂建厂时， 由于受技术转让条件 及资金等原因限制， 决定自行开发控制冷却系统， 为提高产品质量、 开发新产品提供必要的技术装 备条件。９ 年代初， ０ 人们依然认为水幕是冷却能
的变化， 起系 引 统运行的波动， 导致冷却速度和终 冷温度控制精度的下降。设置但压高位水箱就提 高了系统的稳定性， 由于每个喷头前设有流量调 节阀， 所以不选用有流量调节功能的高位水箱。 高位水箱可以设在辊道传动侧， 也可以设在
操作侧。 设在传动侧不利于设备检修， 设在操作侧 给操作带来不便。 对鞍钢厚板厂具体悄况来说， 设
了冷却装里三区理想的结构形式。
关健词 柱状层流 水处理 冲击区 喷头
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强、 冷却均匀性最好的一种冷却方式。所以， 新设 计的冷却装置上部采用 １ 组水幕喷头， ３ 下部采用
面来看， 于水幕冲击区 由 集中， 上下面冲击区 不对 称， 水幕经常破断， 是造成钢板严重变形的根本原 因。供水压力偏高， 又不稳定， 不但降低了水幕的
稳定性， 而且引起喷水飞溅， 严重地影响辊道传动 装置和冷却装置入口 端激光测厚仪正常运行。通 过热轧带钢幕状层流和柱状层流冷却装置的研 制、 调试及使用， 体会到喷流方式的稳定性和冲击
试车发现 ：
中水量是否平衡， 供给冷却装置的水质、 水温、 水 压是否满足要求， 是控制冷却技术开发成功的前
提。
１水处理系统水量不平衡， ） 不能连续运行， 水
泵运行状态不良；
自 动控制是为控制冷却装置和水处理系 统服
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第 ２期
钱振声： 鞍钢厚板厂柱状层流冷却技术开发
．３ ３·
工难度大， 周期长， 投资高， 可能破坏 Ａ Ｃ地下 Ｇ 油库等构筑物的防水层， 不能充分利用已有的供 水管路等， 更重要的是加长了各喷头的进水管路， 造成喷头用水压力下降， 引起流态不稳， 所以， 决 定将高位水箱设在轧制线的操作侧， 为了解决操 作工观察难的间题， 增设了工业电 视监视系统。 高位水箱设多路进水管， 管口加装缓冲帽， 一 方面可以使进水与出水较匹配， 二可使进水较平 缓， 三可滤出水中异物。水箱内出水管配置要合 理， 以减小阀门开启水激引起的涡流， 增强水箱沉 淀杂质的作用。由于水箱内水流平稳， 又设有气 帽， 因此它的排气效果是很理想的， 这对稳定喷头 喷水流态是不可小视的。 高位水箱设在主供水管 与喷头进水管之间， 以提高上下喷嘴出口流速的 控制精度； 因喷水压力的降低， 同时采用集成式带 有导流功能的挡水板， 从根本上解决了冷却水飞 溅造成辊道传动机构进水， 影响激光测厚仪正常
了钢板断面温度随时间的变化， 为冷却装置使用 时的水量分配提供了依据。
异物导致提升泵能力下降， 也增加了设备维修工 作量； 提升泵未能实现变颇调速控制， 增加了电
耗。
２２ 高位水箱 ． 冷却装置用水压力的穗定， 可以用高位水箱 或变频调速控制水泵转速来实现， 但调节水泵转 速同时引起供水流量的改变， 供水流量的变化必 然造成钢板冷却速度的波动， 由于这种桐合关系 的存在， 很难寻求最佳系统工况， 稳定系统最佳工 况就更难了。 因此， 德定冷却装置用水压力既简单 又实用的办法是设置高位水箱。高位水箱又分为
机旁与远离机旁两种。 机旁高位水箱可与各喷头 进水管直接相联， 使各喷头入口端处于同一压力 条件下， 从而提高了冷却装置流量调节的精度和 响应性， 远离机旁高位水箱起不到上迷作用。 高位
水箱有滋流管和滋流垠两种稳压方式， 后者稳定 供水压力和流态优于前者． 因此， 选择了机旁溢流 堰式高位水箱． 控制冷却系统供水的变化总是滞后于用水量
造成上述间题的原因 是多方两的、 从彼术 方
万方数据
裘一
．３ ２．
宽厚板
第９ 卷
定量描述冷却介质与钢材热交换能力的通用数学 表达式． 即换热系数的解析表达式。 在当前的工业 生产中， 一般都是尽可能地稳定处理钢板终轧温 度、 板速及平坦度， 同时稳定冷却装置的运行工 况， 自动控制系统能根据实测值与设定值偏差及 时调整操作参数， 便可以获得规定的冷却速度和
以下， 在相同喷水强度条件下， 冲击区配置较合理 地往状层流冷却能力不低于幕状层流； 将矫直机 及输出辊道等设备的冷却水收集并处理， 便可满 足控制冷却所播的用水。水处理系统的不足是系 统分散， 回水井与提升泵吸水井不分， 水中杂质与
２ 开发中 皿要技术问肠的处理 鞍钢厚板厂的柱状层流冷却装置是在原水幕 冷却系统基础上开发的， 要充分利用已 有的设施， 以求节省资金； 又要保证建成后有较好的功能， 以 便涵盖较宽的产品范围。 因此， 开发中要解决的技 术问题很多， 本文只列出几个重要的技术间题及 其解决措施。 ２１ 水处理系统 ． 以往人们认为水幕冷却能力离于住状层流， 改变冷却水的喷流方式， 首先遇到冷却水流母是 否够用的向题。 如果水量不够， 猫要对已形成的水 处理系统做较大改造， 而资金又无法解决。 否则只 能采用水幕冷却方式。通过热轧板带炯控制冷却 工程实践体会到， 水幕是一种难以驾驭的冷却方 式， 无法保证建成后的冷却装置好用。 根据我们在 热轧带钢水幕和住状层流冷却的大童实验数据， 回归出了换热系数与操作参数、 设计参数的关系， 用Ｈ ｉｅ 图法计算出不同厚度钢板以通板速度 ｅｌ ｓｒ 为参量的冷却速度与喷水强度的关系， 再根据产 品性能对冷却速度的要求， 计算出水冷区长度及 用水量， 并以实侧数据为基础用热平衡计算法校 正图算结果， 再将得到的结果与公布的有关数据 或技术报价比 确认柱状层流冷却总用水流量 较， ８ ｍ／ 是够用的， ＯＯ ＇ Ｏ ｈ 也是现实的。 通过计算找出
对水处理系统做了完善性的检修， 清除回 路 中的障碍、 暗流和水中较大异物， 使水路畅通， 运 行平稳， 水质和水温也有了保证。 于充 由 分地回收 了 输出辊道及矫直机等设备的冷却水， 经过处理 再循环使用， 就可不需补充新水满足各种工况用 水， 水处理分为大小两个循环系统， 大循环系统配 有变频调速器控制的水泵， 可按冷却装置用水量 供水， 从而节省了 供水的电 减小了 耗， 水泵反复启 动对电网产生的不利影响。 鞍钢厚板厂往状层流冷却装置三年多的实际 运行表明， 加速冷却使用的水流量在 ６ ｍ ／ ００ ＇ ０ ｈ
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区的可配置性， 既关系到钢材的均匀冷却与性能
的一致， 又制约着水的冷却能力。因此， 喷流方式 的选择至关重要。 水处理系统能否稳定运行， 运行
２ 组低压水喷射式喷头 ， ６ 并配备 了一个有 ８ ｍ／ 供水能力的水处理系统及与这两部分 ＯＯ ｓ Ｏ ｈ 相适应的自 动控制系统。１９ 年完成建安工程， ９７
钢板变形； 又有因钢板周边温度偏低， 喷水冷却 时， 周边经受的水量大于身部， 所以又在冷却装置
了冷却方式、 喷流形式、 流量分布及钢板自 身条件 对均匀冷却的影响， 认识到钢板与冷却水之间热 交换可分为冲击区与非冲击区。冲击区的换热机 制主要是对流， 而非冲击区则是遵从膜沸腾换热 机制． 从已公布的研究结果来看， 冲击区的换热系 数数量级为 ｌｓ／ ＇， ｏ ｍｋ非冲击区的换热系数数量 ｗ 级为 Ｏ ／ ｚ， ｌ ｍｋ并可荃本上着做是一个常数。 Ｚ ｗ 这 表明冲击区的换热能力很强， 而非冲击区由于燕 气膜的存在、 相邻喷嘴喷出水的相互干扰及水温 的升高， 致使换热能力大大减弱。因此， 冲击区的 合理配置是成功实行轧后控冷的关键， 研制出能 合理配置冲击区并使冲击区面积之和最大化的喷 头是控制冷却技术开发的核心。 ２４ 流量调解与控制 ． 在有了钢板冷却变形解决办法后， 冷却参数 的控树问题便突出出来了。冷却速度和终冷温度 的精确控制是获得满意产品性能的关键。实践告 诉我们， 除了冲击区之外， 冷却水的冲击速度对换 热系数也有重要影响。 为此， 每个喷头均配有单独 的流蚤调节与控制机构。以确保每个喷头有稳定 而准确的温降调控能力， 使冷却装置具有精确控 制冷却速度和终冷温度的功能， 提高控制冷却装 置的再现性． 为了节省投资， 又能实现流量调节， 决定采用 开环控制， 分组调节的流量控制方式。１ 根上集 ５ 管分 ４ ２ 根下集管分 ５ 组、６ 组设置电磁流量计， 未设电磁流量计的喷头， 以流量调节阀的开度与 喷水高度的关系确定其喷水云。 调节流量既能获 得书要的冷却速度， 又能获得必要的上下水量比。 每根集管可以 单独开闭， 便灵活组建冷却模式， 以 又方使冷却区长度的调节。
水处理系统的不足是系统分散回水井与提升泵吸水井不分水中杂质与异物导致提升泵能力下降也增加了设备维修工提升泵未能实现变频调速控制增加了电高位水箱冷却装置用水压力的稳定可以用高位水箱或变频调速控制水泵转速来实现但调节水泵转速同时引起供水流量的改变供水流量的变化必然造成钢板冷却速度的波动由于这种耦合关系的存在很难寻求最佳系统工况稳定系统最佳工况就更难了
置与水处理部分的运行， 又可根据处理钢板条件 的变化及时调整控制冷却系统运行工况， 以获得 稳定的产品性能． 实际上， 控制玲却技术中所用控 制模型都有一定的局限性， 核心是人们尚未找到
２上水 ） 幕不德定， 下喷嘴 受遮挡， 喷水外 溅严
重， 影响轧制线正常运行； ３处理钢板变形严重， ） 以致无法矫平．
终冷温度。
在喷水冷却过程中， 钢材放出大量的热， 钢材 比热与相变放热对目 标终冷温度有着不可忽视的 影响， 更由于导热热阻的存在， 在其厚度方向 造成 温度梯度， 致使显微组织与机械性能不均， 钢板越 厚越严重。有关这方面的研究大多是针对热轧带 钢， 中厚板的资料极少， 更缺少大工业生产数据． 因此， 夸大模型的作用是不负贵任的， 一个既能预 报温度场， 又能预报相变及晶粒尺寸的模型， 是人 们 追求的目 标。
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好的作业环境。 经三年多的实践证明， 机旁滋流垠式高位水 箱有以下特点：
１冷却装置全长水压一致。 ） ２喷出水流态稳定， ） ３全系统运行毯定性高； ） ４净化了 ） 喷头进水。 ５具有德流、 排气、 供水的功能。 ） 瞬间 ２３ 钢板均匀冷却 ． 钢板的均匀冷却一直是控制冷却技术开发的 核心问题， 制约着控制冷却技术的应用． 在轧后控 制冷却技术开发中， 避免控制冷却引起钢板 为了 变形， 因而在冷却装置中设了压紧机构， 用以抑制
第９ 卷第２ 期
２０ 年 ４ ０３ 月
ＷＩ Ｅ Ｄ ＡＮＤ ＡＶＹ Ｌ ＨＥ Ｐ ＡＴＥ
宽厚板
Ｖ ｌ９ Ｎｏ ２ ｏ． ． ．
Ａ ｒ ２ 发
钱振 声
〔 鞍山钢铁集团公司设计研究院）
摘 要 本文阐述柱状层流冷却装备开发中的关键技术及采用的措施． 指出了该系统的优点与不足， 提出