孟周東

(安陽鋼鐵集團公司,河南安陽455004)

改善層流冷卻提高板材質(zhì)量

孟周東

(安陽鋼鐵集團公司,河南安陽455004)

通過對爐卷軋線的層流冷卻對板材質(zhì)量影響因素的研究，采用了改進噴淋方式，優(yōu)化供水操作方法和水溫控制保證供水質(zhì)量，改善了爐卷生產(chǎn)線在層流冷卻階段出現(xiàn)的應(yīng)力不均和鋼板翹曲等問題，提高了板材質(zhì)量。

層流冷卻;供水;板材;質(zhì)量

1 前言

在爐卷軋線生產(chǎn)過程中，對層流冷卻技術(shù)的優(yōu)化及供水操作加以改善，以達到控制和提高最終產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能和板材板形的目的。層流快速冷卻技術(shù)應(yīng)用日益普遍，已成為各種軋鋼生產(chǎn)線的必備控冷環(huán)節(jié)，采用高效的層流冷卻工藝就需掌控一些不利因素，層流冷卻過程中從上下噴嘴流出的冷卻水速度比較低，能夠形成平滑、連貫的水流直接落到快速移動的鋼材表面，在板材表面形成冷卻均勻的水面。對生產(chǎn)線的不同工藝參數(shù)及設(shè)備布置參數(shù)也將影響冷卻能力，水溫控制及水質(zhì)不同也同樣影響到板材質(zhì)量，因此探討各種影響因素對冷卻的影響具有指導(dǎo)意義。

2 該爐卷層流冷卻設(shè)備布置

位置：位于四輥可逆式精軋機和熱矯直機之間的輥道處

用途：用于鋼板控制冷卻，包括控軋時中間坯待溫、降溫控制冷卻功能

型式：上下集管層流冷卻式

冷卻區(qū)總長度54000 mm，該系統(tǒng)設(shè)計2區(qū)，主冷區(qū)15組集管，精調(diào)區(qū)3組集管；主冷區(qū)集管每組2個噴頭，精調(diào)區(qū)集管每組2個噴頭，上下噴頭數(shù)分別有36個和108個噴頭。

冷卻水流量參數(shù)見表1。

表1 冷卻水流量參數(shù)

供水能力：高位水箱為兩個長26000 mm，直徑3000 mm的罐體組成，罐體頂面標高為15000 mm。系統(tǒng)供水能力為2400 m3/h。

3 層流冷卻影響性能的因素

在軋制后的層流冷卻過程中，鋼材的熱傳主要是空冷和水冷兩部分，空冷中鋼材向周圍環(huán)境散發(fā)熱量，主要以輻射傳熱為主；水冷即為中低溫度的冷卻水與高溫的鋼材開始接觸時，直接碰撞引起迅速的熱傳遞，隨后在鋼材表面形成蒸汽層，蒸汽層阻礙導(dǎo)熱，屬于膜態(tài)沸騰傳熱，當蒸汽層不再穩(wěn)定地附著在鋼材表面時，鋼材表面重新與冷卻水再接觸，再次產(chǎn)生強烈的熱傳遞，屬于核態(tài)沸騰傳熱。在鋼板冷卻過程中奧氏體發(fā)生分解，相變潛熱釋放。

3.1 高強度鋼板的控冷板形問題是由于鋼板在冷卻過程中鋼板橫向溫度均勻性和厚度方向溫度均勻性決定，溫度不均勻?qū)е孪嘧冞^程不一致，冷卻過程中殘余應(yīng)力過大，矯直溫度低，鋼板強度提高，導(dǎo)致熱矯直機無法矯直；或矯直后鋼板溫度仍然不一致，在冷床上冷卻至溫度均勻時產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

冷卻造成板形問題主要由以下三種不均勻冷卻導(dǎo)致的：

（1）橫向冷卻不均勻性

為保證橫向均勻冷卻通常采取：集管流量在橫向上采用不均勻的流量設(shè)計或調(diào)節(jié)、邊部遮擋、側(cè)噴等。

原有的上集管流量在橫向上均勻分布，這種布置方式不利于鋼板的均勻冷卻，盡管側(cè)噴裝置和邊部遮擋裝置的設(shè)計會對溫度的橫向均勻性有改善，但是部分邊部遮擋不能正常投入運行，溫度均勻性的問題問題仍然存在。

（2）厚度方向冷卻的不對稱性

保證厚度方向冷卻對對稱，主要是保證鋼板在冷卻過程中上下表面得到相同的冷卻效果，在冷縮過程中、以及冷卻的相變過程中，冷卻時鋼板變形對稱，冷卻后鋼板的板形才不會發(fā)生變化。

保證厚度方向的對稱，對于不同厚度的鋼板上、下表面冷卻水量比是不同的，這已經(jīng)在其他中厚板廠、南鋼中厚板卷廠、韶關(guān)爐卷生產(chǎn)線的生產(chǎn)中已經(jīng)證明。對于某一厚度的鋼板，鋼板上下表面冷卻水量比波動范圍較小，如20 mm厚鋼板，上下水比例為1：1.9～1：2.1。

目前該爐卷軋線板材控冷裝置上、下集管流量沒有調(diào)節(jié)手段只能靠人工進行配置，生產(chǎn)難度大，對不同厚度鋼板無法實現(xiàn)厚度方向的對稱冷卻，導(dǎo)致控冷后鋼板板形易于瓢曲。

（3）橫向和厚度方向冷卻不均勻混合

因此，控制冷卻的橫向均勻性和厚度方向的對稱性，是控制板材平直度的主要途徑，減少長度方向頭尾溫差也能部分有效控制板材平直度。

3.2 設(shè)備問題造成冷卻的影響

部分集管及噴嘴堵塞情況嚴重的影響，因該爐卷軋機層流冷卻水系統(tǒng)設(shè)計為半過濾式，且初期生產(chǎn)節(jié)奏問題等因素的影響，自設(shè)備投產(chǎn)以來，由于長期使用過程中集管干、濕條件的頻繁變化，冷卻水中油與懸浮物的共同作用，導(dǎo)致部分下集管生銹與結(jié)垢情況比較嚴重，并且下集管水柱高度參差不齊相差較大，由于該系統(tǒng)使用年限較長且沒有有經(jīng)過大規(guī)模的清洗工作，部分下集管內(nèi)部堵塞應(yīng)該非常嚴重。

盡管在設(shè)備檢修期間，對更替的下集管采取了酸洗和清理等方法，但是由于設(shè)備設(shè)計的問題，這些問題仍然無法徹底解決。

3.3 層流冷卻水溫對板材的影響

因北方季節(jié)問題及初期水系統(tǒng)設(shè)計工藝要求，夏季供水水溫高易出現(xiàn)冷卻效果不佳板形瓢曲等異常，冬季水溫過低冷卻過快對板形及性能的影響。

4 完善措施減少不利因素的影響

通過對現(xiàn)有設(shè)備上下集管、供水管路、閥門改造及增加自動化調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，減少原設(shè)計的不利冷卻的各種因素，提高層流冷卻質(zhì)量。

4.1 三不均勻的改進

加密上集管由外水管、入水管和4排U型管組成組成，通過水箱內(nèi)的阻尼機構(gòu)可使集管全長上水壓均勻，從而保證U型管的水流均勻，阻尼管為不銹鋼材質(zhì)。通過改變U型管噴嘴的橫向間距或噴嘴直徑可以得到中凸形的橫向水量分布，通過4組U型管橫向位置上的交叉配置，改善鋼板橫向冷卻均勻性。

重新設(shè)計加工制造下集管1組～6組（共36個集管），增大下集管的最大供水量，提高層流冷卻系統(tǒng)的最大水比，提高系統(tǒng)的冷卻能力，并報證鋼板寬度方向的冷卻均勻性，保證高強鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)。在新下集管結(jié)構(gòu)上作進一步改進：采用內(nèi)管為不銹鋼的噴孔，集管內(nèi)部阻尼管采用不銹鋼材質(zhì)，防止結(jié)垢對水流均勻性的影響

層流系統(tǒng)現(xiàn)在采用固定上下冷卻水量比（1:1）的控制方式，而且控制閥門為手動設(shè)置，這種配置對于窄板（寬度≤2000 mm）、以及較薄板(厚度≤12 mm)是合適的，但對于寬板、中厚板來說，這種控制方式已經(jīng)不能保證控冷后的板形，甚至經(jīng)過熱矯直機矯平，但是由于冷卻的不均勻，鋼板到冷床后仍然會發(fā)生“翹曲”。

為保證不同厚板和寬度鋼板、在不同水溫條件下均勻冷卻，必須對鋼板上下表面的冷卻水能夠自動調(diào)節(jié)，使上下表面對稱冷卻。并可以在長鋼板冷卻過程中補償溫降對縱向溫度精度的影響。

對下集管供水管路進行改造，拆除原有的流量孔板，并將管路進行改造，滿足增加調(diào)節(jié)閥和流量計測量精度和穩(wěn)定性的需要。

每組側(cè)噴裝置對面防濺板進行需進行相應(yīng)的改造，增加排水功能，根據(jù)現(xiàn)場情況可以考慮在防濺板上增加排水孔等措施，防止在生產(chǎn)高強結(jié)構(gòu)鋼時側(cè)噴裝置無法將鋼板上表面積水吹凈，導(dǎo)致鋼板冷卻不均勻造成鋼板的瓢曲，并新增吹掃裝置布置在控冷區(qū)出口，滿足高冷卻速率低終冷溫度鋼板控制冷卻的需要。

4.2 優(yōu)化操作減少設(shè)備問題的影響

（1）高位水箱為兩個長27700 mm，直徑3000 mm的罐體，有效水位200 cm(界面顯示，實際最高水位250 cm，最低水位50 cm)，高位水箱平均水位面積按135 m2計算。經(jīng)測試有效水位不低于50 cm時，集管流量保持設(shè)定值；當?shù)陀?0 cm時，集管流量衰減不能達到設(shè)定值，即水位降最大不超過1.5 m。

（2）層流下集管溢流500 m3/h。層流泵供水能力：一臺泵900 m3/h、兩臺泵1700 m3/h、三臺泵2300 m3/h、四臺泵3000 m3/h。所以層冷水箱泵有效補水能力為：一臺泵400 m3/h、兩臺泵1200 m3/h、三臺泵1800 m3/h、四臺泵2500 m3/h。

（3）滿足最小溢流條件，使層冷水最大量通過自清洗過濾器，改善水質(zhì)減少水中油脂與懸浮物對噴嘴的影響，同時減少熱水溢流到冷水池，降低水溫。

4.3 優(yōu)化操作減少季節(jié)對水溫的影響

夏季氣溫高冷卻塔能力低，通過開啟水箱泵與過濾器泵的配合，保證冷水池低水位運行，在生產(chǎn)AH70DB、X70等管線鋼和低碳貝氏體鋼時，根據(jù)需求的低水溫控制板形和性能時及時通過補充新水減低現(xiàn)有的系統(tǒng)水溫，以保證生產(chǎn)板材的質(zhì)量。

冬季時通過減少上塔流量，控制過濾器泵調(diào)節(jié)保證冷水池以較高的水位，實現(xiàn)冷水池往熱水池溢流，既保證了水質(zhì)有滿足水溫要求。

4.4 保證水質(zhì)提高板材表面質(zhì)量

層流水質(zhì)的是否達標直接影響著板材表面質(zhì)量，電導(dǎo)率≤1000～1600μS/cm、Cl-≤200～400 mg/ L、Ca2+≤400-600 mg/L的標準是影響板材最終成材的又一因素。電導(dǎo)率和Cl-指標超標易造成板材表面點蝕現(xiàn)象，Ca2+指標超標不僅易造成層流噴嘴結(jié)垢堵塞影響板材均勻冷卻，而且易造成板材表面有白色斑跡影響外觀質(zhì)量。通過每日對層流系統(tǒng)水質(zhì)和新水的化驗，來及時對超標的層流系統(tǒng)水進行新水置換，如新水指標不好通過補充軟水來保證層流系統(tǒng)水質(zhì)始終處于標準狀態(tài)下，以保證板材最終成型、成材。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過對現(xiàn)有的設(shè)備布置進行調(diào)整，對噴淋的上下集管及下供水管進行優(yōu)化改造，并增加防濺板和吹掃裝置等技改措施，優(yōu)化層冷供水系統(tǒng)的操作方式等，以減少三不均勻?qū)Π宀牡挠绊懀鉀Q板材翹曲等板形問題，提高爐卷軋線的生產(chǎn)能力，嚴格控制層流水質(zhì)保證板材表面質(zhì)量，高效高質(zhì)保證板材的穩(wěn)定生產(chǎn)。

【1】周月杰中厚板軋后冷卻縱向溫度均勻性控制策略分析【J】.冶金自動化，2008（S2）.

【2】盧為同，羅軍.層流冷卻技術(shù)在熱連軋板帶生產(chǎn)中的應(yīng)用實踐【J】.柳鋼科技，2008.

【3】李黎明，黨軍.層流冷卻對于板型的影響研究【J】.甘肅冶金，2010.

【4】片錦香.熱軋帶鋼層流冷卻過程建模與控制方法研究【D】.東北大學(xué);2010.

Optim ization of Lam inar Cooling to Im prove Sheet Quality

Meng Zhoudong
(AnyangIronandSteelGroupCo.,Anyang,Henan455004,China)

Through investigation on the effect of laminar cooling on the sheet quality of Steckel mill,Anyang Steel modified water spray mode to optimize water supply operation and water temperature control and ensure water quality,which has solved the problems of on-homogeneous stress and sheet warping during the laminar cooling stage and improved the product quality of the Steckel mill.

laminar cooling;water supply;sheet;quality

TF085

B

1006-6764（2014）12-0067-03

2014-09-28

孟周東（1981-），男，2004年畢業(yè)于西安科技大學(xué)，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事給排水生產(chǎn)技術(shù)管理工作。