熱連軋層流冷卻系統設計應用

鄒中升

(中冶賽迪上海工程技術有限公司，上海 200940)

0 引言

層流冷卻是熱連軋生產線中控制帶鋼卷取溫度、獲得理想組織和性能的一種方法，在實際生產中得到了廣泛的應用。利用冷卻水對精軋機出口至卷取機入口間熱輸出輥道上的帶鋼進行冷卻，將帶鋼從終軋溫度按模型控制速度冷卻到卷取目標溫度。層流冷卻設備外形結構簡單，很多問題跨越流體和傳熱技術，很難定位聚焦，本文總結了設計和應用中須予以重視的關鍵性問題、設計要點以及優化措施。

1 層冷冷卻系統

層流冷卻系統組成如圖1所示，它主要由供水泵站系統、機旁高位水箱、層流冷卻裝置及控制系統等組成。供水泵站為層冷冷卻系統提供水質、水溫滿足要求的水源；機旁高位水箱設置在供水泵站和層流冷卻裝置間，用于兩者間水量的緩沖及均衡層冷裝置沿線冷卻集管水量；層流冷卻裝置按控制系統指令控制集管開閉，將定量的冷卻水噴在帶鋼表面，冷卻帶鋼；冷卻水從帶鋼表面流至沖渣溝返回供水泵站。

圖1 層流冷卻系統組成

2 供水泵站系統

熱軋廠水處理一般共分為A、B、C、D四個系統，其中B系統為層冷裝置提供循環冷卻水，是一個獨立的水處理系統[1，2]。層流冷卻裝置水壓為0.07 MPa，層流冷卻側噴水壓為1.0 MPa～1.5 MPa，早期建設的熱軋產線，層冷區輥道冷卻水(內冷/外冷)為0.4 MPa，后期為簡化泵站系統、降低建設投資，將輥道冷卻水并入帶鋼層流冷卻用水，統一采用0.07 MPa的水源。現有產線為提升冷卻能力，在無法調整層冷長度的情況下[3]，采用有壓射流強冷技術[4]，在0.07 MPa水源的基礎上新增0.3 MPa～0.5 MPa泵站為射流強冷段提供冷卻水。

3 機旁高位水箱

為解決過鋼時短時大流量工況下集管供水壓力的穩定問題，在層流冷卻裝置旁設置高位水箱。高位水箱宜采用多點供水多點出水的結構，水箱采用一根主供水管，會在低水位時引起水箱內長度方向上各出水點水量的劇烈波動。鑒于水箱及管路結構較簡單，建議對高位水箱及進出水管進行水動力學試驗，合理設置緩沖腔體或采用多級阻尼供水，使高位水箱內部流場更為穩定，降低出水支管紊動干擾，達到各支管供水量趨于穩定的目的。

高位水箱的有效容積需滿足產線生產節奏、較厚規格低碳鋼及雙相鋼的冷卻需要，可以根據以下經驗公式進行測算，公式也可用于層流冷卻裝置高位水箱容積和供水系統能力的匹配校核。

V=[(Qlmax-Qpmax)×(T冷+T間)]/7 200.

其中：V為高位水箱有效容積(建議控制在50 m3～80 m3為宜，水箱長度綜合考慮強冷段的分布情況等)，m3；Qlmax為層流冷卻裝置最大用水量，m3/h；Qpmax為層流供水系統最大供水量 ，m3/h；T冷為過鋼冷卻時最大用水量的持續時間，s；T間為軋制間隔時間，s。

高位水箱宜采用圓形管式結構，圓形管式水箱比長方體水箱具有更高的自身強度，需要更少的支撐梁、柱和連接構件，下部支撐結構簡單。從水箱截面看，圓形管式水箱體積利用率高，無效容積帶來的額外載荷小，更利于增加出水口處水深，避免出水管形成渦流，高位水箱兩種斷面比較如圖2所示。

圖2 高位水箱兩種斷面比較

4 層流冷卻裝置

層流冷卻裝置主要由上冷卻集管、下冷卻集管、側噴及吹掃和邊部遮擋等組成。上冷卻集管安裝在熱輸出輥道上方，集管在液壓缸的驅動下可以傾動；下冷卻集管安裝在輸出輥道之間，通過螺栓固定在輥道架上。通過上、下冷卻集管將機旁高位水箱的冷卻水引導至帶鋼的上、下表面，側噴及吹掃用于吹走帶鋼表面殘留冷卻水。

4.1 冷卻集管

層流冷卻集管根據出水管在帶鋼寬度、長度方向上的分布情況分為超強冷卻段、常規冷卻段和精冷段，如圖3所示。單位面積上水柱數量越多，層流沖擊區的面積比重越大，換熱效率越高，冷卻強度越大。上冷卻集管由多根鵝頸管組成，每根冷卻集管上設置有氣動蝶閥，作為流量控制的最小單元和精度，調節蝶閥打開時的開度以保證組內集管流量趨于一致，上冷卻集管的標定以每根冷卻集管末端透明液位尺為準，每根集管液位高度一致則認為對應集管出水量一致；下冷卻集管由多根與帶鋼走行方向呈一定角度的噴水管組成，根據每根集管的冷卻強度以及與上冷卻集管的冷卻區域覆蓋情況，每1根～3根集管由一個氣動蝶閥控制開閉，由于集管距離帶鋼非常近，在蝶閥處設置常通旁路用于下冷卻集管的冷卻，下冷卻集管的標定以水柱高度為準，高度一致則認為對應集管出水量一致。每個冷卻段由多個成組的冷卻集管組成，每組集管的供水管路上設置手動調節閥，使各組集管的流量趨于一致。

圖3 層流冷卻集管

流量計一般選裝于每組集管進水管路上，用于檢測集管工作狀態，發現集管水流不正常時報警，從而提醒人工檢測更換，但在流量計管路上串聯自動流量調節閥參與帶鋼冷卻的控制是與鵝頸管式層流設備的結構特點不符的，通過控制每根集管的氣動蝶閥開閉實現水量調節，電動調節閥的引入影響鵝頸管水柱效果。

層冷冷卻供水系統循環倍率高，水處理系統主要以調節水溫和去除大的氧化鐵皮顆粒及懸浮物為目的，水質較差。下冷卻集管設有常通水，集管可以得到冷卻;上冷卻集管在蝶閥關閉時受高溫帶鋼烘烤易形成結垢，必須加強設備管理。

為處理軋鋼過程中的廢鋼及進行設備檢修，上冷卻集管均使用液壓缸進行翻轉，每個液壓缸上設置防爆閥，以避免液壓管路泄漏造成上冷卻集管下落引起傷人事故。

4.2 側噴

鋼板上表面的冷卻水會滯留在鋼板表面，形成不穩定的過渡沸騰狀態，引起帶鋼冷卻不均勻，惡化帶鋼質量。因此，根據集管布置情況，每隔幾組集管設置一組側噴，將帶鋼上表面滯留的冷卻水吹走，保持帶鋼表面始終為層流態的水，冷卻效率高、均勻可控。隨著冷卻強度的提高，冷卻水量越來越大，為獲得更好的吹掃效果，側噴水壓力也從1 MPa、1.2 MPa逐步提升到1.5 MPa，造成側噴水飛濺，設備腐蝕嚴重，輥道電機故障率高。針對飛濺現象，對集水槽進行優化，適當加高、加長集水罩，同時在罩內設置導流板來改善層冷區設備的工作環境，集水槽優化方案如圖4所示。

圖4 集水槽優化方案

4.3 邊部遮擋

邊部遮擋技術是通過減少帶鋼邊部冷卻水量減小帶鋼邊部溫降，達到帶鋼寬度方向溫度均勻的目的。擋水板式的邊部遮擋使用較為廣泛，邊部鵝頸管水流經擋水板收集后排放，邊部帶鋼不進行水流的沖擊傳熱，擋水板式邊部遮擋控制與集管流量間無耦合，冷卻模型變動小。為提高邊部遮擋裝置的使用壽命、降低故障率和維護頻次，宜采用連桿結構的邊部遮擋裝置，傳動裝置設置在環境較好的軋線操作側或盡量抬高布置，運動副及油缸驅動部件的穩定性較好。

5 層冷區電氣元件

層冷區設有輥道驅動電機、氣動蝶閥和高溫計等電氣元件。

(1)輥道電機：輥道電機長期處于高溫水氣及噴濺水的環境中，實踐表明輥道電機須采用IP56及以上防護等級，應特別關注電機出軸處的密封形式，在唇口油封外須有甩水防水結構的密封[5]，阻斷流動的水進入油封處，再利用唇口油封阻斷水氣。

(2)電控氣動蝶閥：冷卻集管每幾根裝有一個電控氣動蝶閥，全線約300多個，為縮短閥門開閉與集管出水的時間延遲，閥門在靠近集管處安裝，工作環境差，其電控部分極易發生進水故障，因此建議設置獨立壓縮空氣管路對閥門進行正壓防護。

(3)高溫計：帶鋼溫度動態閉環控制需要實測帶鋼溫度，進行周期性的反饋計算和自適應學習[6]。帶鋼上表面受殘留水的影響無法進行準確測量，高溫計只能設置在帶鋼下表面兩根輥道間，為便于儀表檢修和單點/多點測溫模式轉換，應根據項目需求選用可變形的具有位置記憶功能的儀表支架。

6 結束語

本文對熱軋層流技術的供水系統、層冷裝置結構進行了介紹，給出了高位水箱的計算方法和設計要點，對工程中遇到的問題和改進措施做了總結。層流冷卻技術是開發高附加值產品的重要環節，其工藝、設備及控制模型的開發和深入研究尚有很大的空間，層冷裝置的優化升級需要流體知識的技術支撐，必須進行多專業協作，不能流于設備表觀的參考和借鑒，而應借助先進的實驗手段或軟件對設備、管路、模型等進行優化。