热轧带钢密集型超快速冷却技术的研究与应用

热轧带钢密集型超快速冷却技术的研究与应用（壹佰钢铁钢推荐）我国自20世纪70年代开始应用热轧带钢控制冷却技术以来，层流冷却装置以其处理产品品种多、流量调节范围宽、无流态破碎、冷却均匀、冷却水回收率高、设备维护量小等优点，成为热轧带钢轧后冷却的必选设备。

据不完全统计，我国目前拥有的热轧带钢生产线达到70多条，绝大多数均建立了轧后层流冷却装置。但是传统的热轧带钢控制冷却装置由于其设计的局限性，存在冷却速度不高、无流量调节手段等问题。2005年以后随着我国钢铁产量的大幅度增加，钢铁工作者对热轧带钢控制冷却技术有了更深的认识，部分新建和改造的热轧带钢生产线采用了加压型超快速冷却技术和密集型超快速冷却技术。其中，密集型超快速冷却技术因具有投资低、运行成本低、冷却速度快等特点，得到了良好的推广应用。

传统控冷装置存在局限

20世纪70年代末，武钢1700mm热连轧机组引进了柱状层流冷却技术，之后我国建设的常规热连轧和薄板坯连铸连轧生产线大多采用了层流冷却装置作为带钢的轧后冷却手段。常规层流冷却LC（Laminar Cooling）装置，一般由粗调段和精调冷却段构成，两个冷却段各由若干组集管构成，粗调段和精调段每组冷却段的水量相等；每组精调段上集管的数量是粗调段的2倍，而每根集管水量是粗调段的1/2，以此提高精调段的冷却精度。

传统热连轧带钢层流冷却装置在使用过程中往往存在以下几个主要问题：一是冷却速度不高。传统层流冷却控制技术设备的最大冷却速度十分有限，在C-Mn钢产品生产中，主要依赖微低合金和合金元素来保障产品的机械性能，使产品成本较高，同时制约了产品质量和性能的提升。二是可实现的控冷工艺单一。传统热连轧带钢层流冷却装置的冷却速度调节范围小，不能实现多种冷速的组合控冷工艺如直接淬火DQ、间断淬火IDQ、分段冷却等。三是无板形控制手段。传统热连轧带钢层流冷却装置上下集管一般均无流量调节手段，导致实际生产过程中带钢在厚度方向的冷却不均匀，产生板形问题。

超快速冷却技术的特点

2005年以后，国内部分新建和改造的热轧带钢控制冷却装置应用了超快速冷却技术，超快速冷却技术可分为加压型和密集型两种。

加压型超快速冷却技术。加压型超快速冷却装置的冷却喷头为直喷式或斜喷式。该装置使用具有一定压力（0.5MPa~0.6MPa）的冷却水，水处理系统与常规的层流冷却水

（0.07MPa）系统分开。宝钢1880mm和本钢2300mm生产线超快冷装置的喷头为直喷式，涟钢2250mm热轧带钢生产线的超快冷装置的喷头为斜喷式。

密集型超快速冷却技术。2008年以后部分热轧带钢生产线通过增加上下集管数量或增加集管上U形管或喷管数量的方法，将层流冷却装置改造为密集型超快速冷却装置。这种改造方法不改变冷却水的压力，仅改变水流密度。2008年宝钢2050mm生产线层流冷却装置改造为密集型超快速冷却装置，以满足生产厚规格管线钢的需求。邯钢2250mm热轧生产线原本采用常规的层流冷却装置，为满足X80管线钢、汽车钢等高等级钢种控冷工艺的需求，于2013年3月将层流冷却装置改造为密集型超快速冷却装置。太钢2250mm热轧生产线2013年也将层流冷却装置改造为密集型超快速冷却装置。

加压型与密集型超快速冷却技术特点对比。加压型与密集型超快速冷却系统特点对比分析如下表所示。

加压型超快速冷却装置的具体特点为：采用高压水，须新设供水系统，设备结构与水处理系统相对复杂，投资大，且无法作为层流冷却装置投入使用。系统采用加压冷却水，运行成本高，设备复杂，阀门仪表数量较多，维护工作量大。部分超快冷装置设置独立的二级控制系统，造成一条轧后控冷装置包含两套二级控制系统，生产不同品种钢时两套系统须来回切换，大大增加了操作人员的工作量，也不利于系统使用与维护。

密集型超快速冷却装置的具体特点为：原有冷却段长度不变，增加上下集管数量或增加集管上U形管或喷管排数。在流量控制上，若增加集管，则应增加相应的控制阀并实现单独控制；若增加U形管或喷管排数，则须设流量控制。该改造方案的优点是：可以利用原有部分设备，新增集水管或U形管等型号与原有设备一致，水压与原层冷水压相等无须新增水处理设备，减少了备件，减少了水处理、设备安装的投资；通过单独开闭或流量控制，仍保留了原层流冷却功能，在原二级控制系统基础上，根据设备进行改造和完善，不增加新的二级系统。

加压型与密集型超快速冷却技术冷却机理分析。高温钢板与冷却水的对流换热主要有两种形式：一是有一定压力的冷却水流冲击到钢板表面形成单相流体的射流冲击换热，二是高温钢板表面的沸腾换热。沸腾换热共有3种形式，即核态沸腾、过度沸腾和膜态沸腾。从换热角度考虑，射流冲击换热和核态沸腾均具有很高的换热强度。

加压型超快冷装置的冷却喷头分为竖直和倾斜两种形式，水压为0.5MPa~0.6MPa，加密型超快冷装置的冷却喷头均为竖直型，水压为0.07MPa。

倾斜式喷头的冷却机理为：一定压力冷却水以一定角度冲击到钢板表面，通过减小出水口孔径、加密出水口、提高冷却水的压力，保证小流量的水流可以具备足够的能量和冲击力来击破水膜，实现新冷却水直接作用于钢板表面。

竖直式喷头的冷却机理为：有一定压力（0.3MPa或0.07MPa）的冷却水冲击钢板表面进行换热，在这一过程中包含两种换热机理，即射流冲击换热与沸腾换热。0.3MPa的冷却水可以有足够的能量和冲击力击破水膜，实现新冷却水直接作用于钢板表面进行高冷却速度的换热。对于沸腾换热，可以采用增加喷嘴数量、减小喷嘴口径的方法，增加核态沸腾区域的面积，减小过度沸腾和膜态沸腾区域，从而大大加快钢板的冷却速度。

实践证明密集型优势突出

根据研究结果，并结合密集型超快速冷却技术的特点，开发人员在邯钢2250mm热轧生产线的改造过程中采用了经济的密集型超快速冷却技术，改造后的设备配置：1-5、18-20上下集管更改为加密集管形式，管路配合改造，实现了上下集管的流量控制。该生产线生产X80和Q345B钢种，其改造前后的实际生产数据经对比发现：改造后同钢种同规格的钢板冷却速率提高了约50%；改造后Q345B的Mn含量降低到0.3%，化学成分和力学性能都得到优化，金相照片显示钢板厚度晶粒细小并且十分均匀；在生产X80管线钢时，与改造前相比，产品的落锤性能合格率有了显著改善。

由此可见，相比于传统的层流冷却技术，密集型超快速冷却技术具有高冷却速率、高冷却均匀性、满足双相钢复相钢等钢种需求的多种冷却工艺的特点。相比于增压型超快速冷却技术，该技术具有水处理系统简单、二级模型一体化、设备简单、投资低、运行成本低等特点，具有高效、经济的突出优点。在钢铁形势如此严峻的今天，大多数热轧带钢生产线均有改造其传统层流冷却装置的需求。密集型超快速冷却技术适合当前的钢铁形势，能满足钢铁企业产品质量与成本控制的需要，具有良好的推广应用价值。（壹佰钢铁钢推荐）