高氫噴射冷卻技術在高強鍍鋅板生產中的應用

王懷岐

（河鋼集團邯鋼公司邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056009）

高強鋼板的生產有兩種方式可選擇：一是通過化學途徑，即增加合金元素；二是通過熱處理手段。化學途徑需要在冶煉時添加價格昂貴的合金元素，因為合金元素成分高，將會影響鍍鋅過程鋅附著能力、降低帶鋼焊接性能等問題。因此，通過熱處理手段，修改退火曲線，提高帶鋼通過連續熱鍍鋅機組快速冷卻段時的冷卻速率，保證帶鋼的淬透性，便成為了可以選擇的最佳方式，如此工藝改進成功，不僅可以節約大量合金元素的費用，還可大大降低了電耗，具有可觀的經濟效益和很大的挖掘潛力。

1 快速冷卻段內的傳熱過程及影響因素

快冷段屬于爐溫在500℃以下的低溫爐。完成噴流冷卻后的冷卻氣流在風箱內進入下一循環。根據牛頓冷卻公式，鋼板與氣體之間的對流傳熱為：

其中C∑為對流換熱系數，單位為KJ/(m2h℃)

式中：λ為氣體導熱系數，單位為J/(mh℃);V為 氣體粘滯系數，單位為m2/s;n為噴嘴形狀系數；W為 噴出氣流的速度，單位為m/s；L為氣流間距，單位為m;S為帶鋼表面與噴口距離，單位為m；d為噴嘴定性尺寸，單位為m。

由公式（1）可知，鋼板與氣體之間的對流傳熱決定著帶鋼的冷卻效果；與對流換熱系數和帶鋼與冷卻氣體的溫度差成正比。而能夠變化的只有冷卻氣體的溫度，只有提高水換熱器的冷卻效率，降低氣體溫度，方能提高對流傳熱系數。

由公式（2）可知，氣體導熱系數、噴嘴形狀系數、噴嘴間距、噴嘴與帶鋼表面之間的距離、氣流噴出速度等均是影響傳熱系數的主要因素。

2 快速冷卻段內的氫氣濃度含量對冷卻功率的影響

冷卻氣體的導熱系數是影響帶鋼的冷卻效果的重要因素。氣體的比熱容（單位J /(kg·K)，氮氣為1.038、氫氣為14.05 。提高快速冷卻段內的氫氣濃度含量，勢必加快其中帶鋼的冷卻速率。試驗表明，從快冷段注入濃度為20%氫含量，擴散至整個退火爐后，原先的4%氫氣濃度含量并未明顯增加（見表1），而加大快冷段氫氣濃度，卻能起到提高保護氣的對流傳熱系數的效果（見圖1）。

圖1 帶鋼降低相同溫度冷卻功率與氫氣含量之間的關系

由表1及圖1可知，快冷段氫氣含量增加與快冷段各個區域風機轉速下降呈強正相關趨勢。

當帶鋼溫度保持工藝原態不變，根據快冷段冷卻速率的計算公式：

式中：P5為快冷段入口帶鋼溫度測量值； P6為快冷段出口帶鋼溫度測量值；Ls為生產線運行速度；S為快冷段1區出口與快冷段出口之間的距離。

可以得到，在△T一定的情況下，生產線運行速度與帶鋼的冷卻速率成正比。

3 產品帶鋼與可移動風箱的間距對冷卻速率的影響

圖2是噴射壓力與傳熱系數的相關分析圖，分析表明，保護氣體的噴射壓力與帶鋼與保護氣體之間的傳熱系數也呈強正相關關系。由圖2可以看出，在風機負荷一定的情況下，在某一間距L下，隨著保護氣體的噴射壓力增大，保護氣體與帶鋼之間的傳熱系數也增大；對于可移動風箱噴口與帶鋼的不同的間距L，間距值越小，保護氣體的噴射壓力越大，保護氣體與帶鋼之間的傳熱系數也越大。反之亦然。

表1 不同氫氣含量與快冷段冷卻風機轉速的對比

圖2 移動風箱與帶鋼不同間距下噴射壓力與傳熱系數的相關圖

4 快冷段風機區域運行模式對冷卻速率的影響

反復試驗的實踐證明，快冷段風機不同區域的運行模式的選擇，對DP/TRIP等系列高強鋼的生產，可獲得不同厚度相應的冷卻速率，如圖3所示。在冷卻段出入口溫度差固定的工況下，某一厚度的帶鋼，在快冷段三個區域同時運行模式下的帶鋼冷卻速率最小；快冷段1區獨立運行模式下和快冷段2區和3區共同運行模式下的帶鋼冷卻速率基本一致，同時也是冷卻速率最大的運行模式。由圖3可得出結論：無論哪一種模式，隨著帶鋼厚度的增加，帶鋼的冷卻速率將隨之減小。

圖3 冷卻區域的運行模式組合對不同厚度帶鋼冷卻速率的影響

5 高強鋼生產

提高快冷段氫氣含量、減少移動風箱噴縫與帶鋼的距離、快冷段風機區域組合運行的選擇，這一系列的措施保證了連續熱鍍鋅線快冷段的冷卻能力的提升，最終使得帶鋼的冷卻速率得到大幅度提升，為基板降低合金量而保證成品卷性能提供了保證。