板材控制冷卻方式和設備比較

摘 要：控制冷卻是提高鋼鐵產品性能質量的一項重要技術措施，目前在國內中厚板生產領域中備受關注。本文對目前常用的控制冷卻方式和設備進行了比較。

關鍵詞：控制冷卻；中厚板 ；比較

板材冷卻方式概括起來主要有層流冷卻、水幕冷卻、壓力噴射冷卻、噴霧冷卻、加速冷卻、直接淬火等幾種冷卻方式。

一、冷卻方式

1.層流冷卻

冷卻水從噴嘴的出口速度比較低，形成平滑、連貫的無壓力的水流直接落到板材表面，冷卻水不反濺，并在鋼板表面形成層流。這種方法稱為層流冷卻。層流冷卻又分為管層流和板層流（即水幕）兩種。管層流對水質要求嚴格，需要軟化水，水冷區面積較大，增加車間長度；但冷卻比較均勻，易于控制。板層流對水質要求不高，水冷區較短，可以縮短車間長度，也可以采用自動控制，冷卻也比較均勻，而且與管層流相比設備投資可以節省很多。

2.水幕冷卻

從噴嘴流出的冷卻水以板幕狀的方式流出，冷卻均勻，冷卻效率高。隨著水幕冷卻技術的發展，又出現可調水幕。所謂可調水幕是指流量和水流寬度可根據生產工藝要求而變化。目前主要有幾種形式：一是出口縫隙保持不變，用改變水的壓力使流量變化。從保持層流的觀點看，這種調節是很有限的。另一種是保持水頭不變，而改變出水口的開口度和縫隙寬度，有利于形成穩定的層流。還有一種可調水幕，該水幕利用分段斜楔控制出水的縫寬，提升或下降斜楔控制出水口開口度。

3.噴射冷卻

也稱為高壓噴嘴冷卻。在供水管上錯列位置開若干排小孔，把水加壓從各孔口噴射到運行的鋼板上，水從噴嘴中以超出連續噴流的流速噴出，水流發生破斷，形成水滴群，噴射到鋼板表面進行冷卻。這種冷卻方式稱為噴射冷卻。此法的缺點是對水質有嚴格要求，水壓要高，用同一噴嘴可控制的冷卻能力范圍不太寬。與其他方法相比，冷卻效率不高，大量的冷卻水都飛濺而去，不與鋼板直接接觸，從而水的消耗量大。

4.噴霧冷卻

也稱為霧化冷卻，即用加壓的空氣使水霧化，水和高速空氣流一起從噴嘴噴射出來，直接噴到鋼板表面進行冷卻。這種冷卻有兩種作用：（1）為了提高冷卻能力用空氣加速液滴；（2）為了控制冷卻能力用空氣使液滴極微細化，而不需給太大的動量。這種冷卻方法適用于從空冷到強水冷卻的極寬范圍。但這種方法噪音較大，車間霧氣較大，對空氣和水有嚴格要求，對設備腐蝕嚴重，而且噴嘴結構和配管系統較為復雜。霧化冷卻很主要的特點是它的應用范圍很寬，是常規冷卻水系統的性能所達不到的，因而也得到很廣泛的應用。

5.加速冷卻

所謂加速冷卻，是將熱軋后的厚鋼板，立即進行水冷，通過控制相變組織來提高機械性能的技術控制冷卻方法。過去用大容量的水冷卻厚板時，要精確地控制鋼板的整體溫度是很困難的，日本神戶鋼鐵公司借助新開發的加速冷卻方法，確立了高精度、均勻地控制水冷過程中的鋼板溫度的技術，成功地把加速冷卻工藝（ Kobe steel controlled Rolling and Accelerated Cooling Process，簡稱KCL工藝）推向了實用化階段。現今的加速冷卻已成為船板、管板和其它低合金高強度鋼、低脆變溫度和良好的焊接性能鋼板現代化大生產必要的加工工藝。

6.比較分析

綜上所述，軋后在線各種冷卻方式都有其各自的優點和缺點，采用哪種冷卻方式應根據具體工藝環境和限定條件確定。

國內外使用資料表明，近些年來，中厚板軋機軋后在線加速冷卻方式大多數采用柱狀層流冷卻和水幕冷卻方式，同時國外也有采用噴霧冷卻（水—氣噴霧）、高密度管層流冷卻和直接淬火冷卻方式。

二、控制冷卻設備

國外控冷技術發展很早，60年代以前使用由噴嘴噴射的高壓水冷卻，以后又發展為柱狀層流冷卻系統和水幕冷卻系統。這些設備的冷卻方式概括起來主要是層流冷卻及水幕冷卻方式，除此以外，還有其他冷卻方式的設備，如水氣冷卻、直接淬火等。

1.層流冷卻設備

層流冷卻是以大量虹吸管從水箱中吸出冷卻水，在無壓力情況下流向帶鋼，使大流量的低壓水與帶鋼平穩接觸，冷卻水不反濺，并緊貼在帶鋼表面上按一定方向做宏觀運動，因它具有某些層流特點，所以稱為層流冷卻方式。由于虹吸管的數量很多，排列又很密，帶鋼表面上的水層時刻可以更新，并且，沿輸出輥道每隔一段距離設置一定數量的側噴頭，將滯留在帶鋼表面上的水沖掉，所以冷卻效果很好。

70年代，國內開始應用熱軋帶鋼控制冷卻技術。70年代末武鋼引進的1700mm熱軋帶鋼機上部采用柱狀層流冷卻和下部噴水冷卻的控制技術。寶鋼的熱帶鋼軋機采用層流冷卻控制系統。

日本鋼管公司福山第二熱軋廠于1985年對其管層流冷卻系統進行了改造，通過水位最佳化調整、噴水量的兩段切換以及引進縫隙層流冷卻系統裝置，提高了冷卻效果，達到了節能和提高卷取溫度精度的目的。

1984年日本專利報道了一種層流冷卻裝置，其集管流量可調，是一種緩急自由的冷卻裝置。該裝置對提高帶鋼的組織性能級別產生了很好的效果。就是說不添加或少添加合金元素就可達到提高鋼板的強度和韌性的目的，從而節省了合金元素，可用普碳鋼代替某些低合金鋼，大幅度提高產品質量，得到優質、高韌性、低屈服強度比的鋼板，產品質量波動很小。

2.水幕冷卻設備

水幕冷卻是70年代發展起來的一種新的冷卻方法，它保持了虹吸管層流冷卻的優點，冷卻能力較高，橫向冷卻較均勻，且設備簡單。

日本住友金屬工業公司鹿島廠1984年投產的水幕冷卻裝置包括一個集水箱，一個狹縫噴嘴和一個氣動擋板。當冷卻水通過噴嘴落向帶鋼時便形成幕形層流。該廠熱帶鋼軋機的輸出輥道上有15個這樣的冷卻裝置。

前蘇聯的一項專利報道了一種可調的水幕冷卻裝置。它帶有窄口噴嘴充水槽，在窄口噴嘴下部安裝一個能在垂直于水流方向的平面上往返移動的閘板，并在上面給閘板安上一個能伸入噴嘴的小刷子，通過連續改變冷卻水的寬度，使之與被冷卻的鋼板的寬度相適應，同時清洗窄口噴嘴內部污垢，提高冷卻效率。德國專利報道了一種水幕冷卻裝置，它是由一個水箱和一個垂直于帶鋼運行方向并延伸到整個被冷卻帶鋼寬度上的縫隙式噴嘴組成，通過控制噴嘴縫隙形成水幕。噴嘴的出口比噴嘴的入口大，并向出口不斷突出擴張，可以補償水幕出現的斷面收縮，保持均勻良好的水幕形狀。endprint

3.水—氣冷卻設備

水—氣冷卻噴射組件上下噴霧器都有連續的狹縫，一個用于噴水，兩個用于噴射空氣。噴霧器噴出低壓水和空氣，空氣將水霧化為許多小液滴，并在很大區域內將它們均勻地噴射到板材上，因此避免了原來用其他方法所產生的局部最大水流。水流速率在很大范圍內可調節。噴水縫隙足夠寬（6mm）可避免阻塞。下部噴霧器的工作原理同上部噴霧器原理相同。

目前有兩套水—氣冷卻設備正在使用中，一套在法國CTS工業公司敦刻爾克廠，另一套在南韓的浦項鋼鐵公司，兩套設備都是在1989年投產的。法國GTS工業公司敦刻爾克廠的那套冷卻設備距精軋機座69m，熱矯直機前13m。設備實際長度為18m，有上下各五套組件，每套組件有4個噴霧器，可以處理寬度5m的板材。浦項鋼鐵公司有一套7組件的加速冷卻設備，位于精軋機座后54m，熱矯直機前5m，其冷卻長度為28m。這套設備的每套組件也有4個噴霧器，并能冷卻最大寬度為4.5m的板材。這兩套設備在八周內開始運轉，其中還包括在線工藝調試。

4.直接淬火設備

在加速冷卻和直接淬火方面，由于冷卻速度和冷卻溫度區域等冷卻條件的不同，加速冷卻設備和直接淬火設備一般是分開設置的。其次，作為直接淬火設備為了在冷卻過程中控制鋼板的變形，認為和離線設備一樣，需要與輸送輥對應的上部的約束輥。

日本神戶鋼鐵公司繼1983年4月成功地應用加速冷卻工藝之后，于1985年12月對原有設備進行改進，實現了從加速冷卻到直接淬火的廣泛的冷卻。本設備除在狹縫噴射噴嘴的前后設置分水輥之外，沒設確保鋼板平直度的約束輥。關于冷卻噴嘴，在設備最前段的上下部位采用狹縫噴射噴嘴，其次，在狹縫噴射噴嘴的后面分別在上下部采用適用不同水量密度范圍的3種管式層流噴嘴和傾斜噴霧噴嘴。

參考文獻：

[1] 王占學.控制軋制與控制冷卻[M].北京：冶金工業出版社，1988.

[2] 李曼云，孫本榮.鋼的控制軋制和控制冷卻技術手冊[M].北京：冶金工業出版社， 1998.

[3] 孫本榮，王有銘，陳英.中厚板生產[M].北京：冶金工業出版社，1993.

作者簡介：陳林葉（1984.6—），男，漢族，江蘇丹陽人，助理工程師，主要從事中厚板廠設備管理和技術開發工作。endprint