高效節水型熱軋帶鋼冷卻裝置的研究與應用

高 林，漆小虎，黃華貴，燕 猛，張超群

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000；2.燕山大學 國家冷軋板帶裝備及工藝技術工程研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 前言

冷卻裝置是熱軋帶鋼生產不可或缺的重要組成部分，用于實現精軋后熱軋板帶的溫度控制與性能控制。軋后冷卻裝置主要有鵝頸管式層流冷卻、水幕冷卻、水霧冷卻、超快速冷卻等[1]，其中，鵝頸管式冷卻裝置應用最為廣泛。目前，我國熱軋板帶生產對高冷速、低水耗型冷卻裝置需求日趨強烈，鵝頸管式冷卻裝置冷卻能力不強，冷卻水利用效率低等問題愈加突出，高效化、節約化的轉型升級已迫在眉睫[2]。

近些年，在冷卻速率提高[3]、冷卻板形控制[4]等方面得到了國、內外科研工作者的廣泛關注；也有學者提出了板帶冷卻系統節約型供水模式優化方案[5]。但是通過冷卻過程分析對冷卻裝置結構進行精細化改型升級，提高冷卻水利用效率的研究還亟待開展。

圖1 強制冷卻區示意

本文擬搭建冷卻實驗平臺，對不同條件下水流量與冷卻效果進行綜合研究，針對鵝頸管式冷卻裝置存在的問題進行精細化分析，設計一種高效節水型冷卻裝置。

1 冷卻實驗平臺的搭建

現有研究表明[6]，鵝頸管式冷卻以低壓層流水覆蓋熱軋帶鋼表面進行換熱，強制冷卻區因冷卻水直接和帶鋼接觸，冷卻效率最強。

因此，本次搭建的冷卻實驗平臺以實現對強制冷卻區大小及換熱系數進行定量研究為目標。

如圖2所示，冷卻實驗平臺由供水系統、測試系統、加熱系統、數據采集系統等組成，能準確的測定鋼板換熱過程的溫度變化，且具備供水壓力調整、流量監控、供水溫度監測等功能。通過K型高靈敏度熱電偶對鋼板溫度變化進行實時數據采集。同時，通過高速相機和紅外成像儀同步對鋼板冷卻過程的強制冷卻區大小進行檢測。

圖2 冷卻實驗平臺

2 鵝頸管式冷卻裝置測試與分析

2.1 實驗測試

從圖3a可以看出，鋼板初始溫度越高，強制冷卻區半徑越小，但差異較小。隨著鋼板溫度的不斷降低，冷卻區半徑也在逐漸擴大；從圖3b可以看出，強制冷卻區半徑隨出水點高度增加而增大；從圖3c可以看出，強制冷卻區半徑隨鵝頸管水流量增加而增大，針對18 mm內徑鵝頸管，擬合出的單鵝頸管水流量計算公式為：

圖3 強制冷卻區隨不同參數的變化

Qw=5.8207+2029.982P-26938.14P2

(1)

式中，Qw為單根鵝頸管水流量，L/min；P為冷卻水工作壓力，MPa。

從圖4可以看出，在供水壓力、供水流量不變的情況下，強制冷卻區半徑隨鵝頸管直徑變化未呈出清晰的變化規律，且差異極小。

圖4 強制冷卻區隨鵝頸管直徑的變化

因此，擬合所得強制冷卻區半徑計算公式為

L=K×1.439×

(2)

式中，L為單鵝頸管強制冷卻區半徑，mm；T為鋼板表面溫度，℃；K為綜合影響系數，K=K1K2，K1為出水高度影響系數，K2為鵝頸管直徑影響系數。

從圖5a可以看出，換熱系數隨鋼板溫度的不同差異較大，且均隨鋼板溫度的降低而增大；從圖5b可以看出，換熱系數隨出水點高度的增加變化不明顯，但是依然表現出了與溫度變化極強的相關性；從圖5c可以看出，換熱系數隨冷卻水流量的增加而明顯增大；從圖5d可以看出，在供水壓力、供水流量不變的情況下，換熱系數隨鵝頸管直徑變化很小，在本次擬合計算中不考慮。

圖5 表面換熱系數隨不同參數的變化

因此，擬合所得換熱系數計算公式為

(3)

式中，h為噴水冷卻過程的換熱系數，W/(m2·℃)；k為冷卻水溫修正系數，可借鑒已有研究成果計算[7]；ψ(u)為鋼板運動速度影響系數，可借鑒已有研究成果計算[8]，根據現場數據修正。

2.2 鵝頸管式冷卻裝置問題分析

根據式(2)計算可得鵝頸管式冷卻裝置單根鵝頸管的強制冷卻區直徑為66.6 mm，而現有工業應用裝置鵝頸管間距布置為48 mm，強制冷卻區分布如圖6所示。

圖6 鵝頸管式冷卻裝置強制冷卻區示意圖

由此，可以看出鵝頸管式冷卻裝置存在如下問題：(1)強制冷卻區重疊量較大，水量浪費且重疊區的換熱狀態不可控；(2)單個冷卻單元僅有2排鵝頸管，帶鋼通過時，在強制冷卻區駐留時間較短，其余區域由于氣膜的分隔，冷卻效果大幅下降。

2.3 高效節水型冷卻裝置方案的提出

高效節水型冷卻裝置設計方案：

(1)將大直徑的出水管改為小直徑的出水管，測試在該結構下出水管的水流量計算公式；

(2)根據公式(2)計算其強制冷卻區直徑，在板帶寬度方向上按照強制冷卻區少量重疊的原則布置出水管，提高冷卻水的利用效率；

(3)多排緊密布置的小直徑出水管代替單排鵝頸管，增大單個冷卻單元強制冷卻區范圍，提高冷卻設備冷卻能力。

3 高效節水型冷卻裝置測試與分析

初定出水管內徑為6mm，首先通過實驗平臺的測試，擬合出該直徑出水管的水流量計算公式為：

Qw=1.6126+369.254P-4479.533P2

(4)

在相同條件下，根據此公式計算單根出水管的水流量為4.8 L/min，按照公式(2)計算所得單水柱的強制冷卻區直徑為38.2 mm，考慮強制冷卻區少量重疊，出水管沿帶鋼寬度方向的間距按照35 mm設計，考慮板帶運動對冷卻水的帶動，相鄰2排出水管的間距可按35～45 mm設計，4×2排設計，相應的強制冷卻區分布如圖7所示。

圖7 高效節水型冷卻裝置強制冷卻區示意圖

從圖7可以看出：(1)各排出水管交錯布置保證了板帶寬方向上冷卻更均勻；(2)新結構強制冷卻區面積明顯大于鵝頸管式冷卻裝置，即板帶任一橫截面在通過每組高效節水型冷卻裝置時，在強制冷卻區駐留的時間更長，冷卻效果更明顯。通過對小型冷卻單元測試，得到如圖8所示實驗結果，擬合所得高效節水型冷卻裝置換熱系數計算公式如式(5)。

圖8 板帶表面換熱系數隨不同參數的變化

(5)

4 冷卻效率提升對比

為更好發揮上述實驗結果對實際設計工作的指導，基于有限差分法開發了軋后冷卻計算軟件，如圖9所示。

圖9 軋后冷卻計算軟件

在相同工況下，對5 mm厚、1 450 mm寬Q355熱軋帶鋼冷卻過程進行計算，將帶鋼從850 ℃冷卻至750 ℃，對比節水型冷卻裝置相較鵝頸管式冷卻裝置在冷卻水使用效率上的提升效果，如圖10所示，溫度1為高效節水型冷卻裝置下的冷卻曲線，溫度2為鵝頸管式冷卻裝置下的冷卻曲線。

圖10 兩種結構冷卻裝置實現同等溫降下的冷卻曲線

從圖10以及表1可以看出，在相同條件下，將5 mm厚Q355熱軋帶鋼任一截面溫度從850 ℃冷卻至750 ℃，常規鵝頸管式層流冷卻裝置需要2.75 s，耗水0.133 m3，而高效節水型冷卻裝置僅需要1.25 s，耗水0.067 m3，冷卻效果得到顯著提升。

表1 冷卻參數對比

按照該設計方案研制的應用于工業生產的高效節水型冷卻裝置，如圖11所示。

圖11 高效節水型冷卻裝置現場應用

該裝置在國內鋼廠投用后，耗水量小、冷卻均勻、可在線調整水量、冷卻效率高，維護便捷。該類型冷卻裝置投資成本與現有鵝頸管式冷卻裝置相當，與鵝頸管式冷卻裝置具有相同的安裝接口，可直接替換現有老舊的鵝頸管式冷卻裝置，市場應用前景廣闊。

5 結論

搭建的冷卻實驗平臺可模擬熱軋板帶軋后冷卻過程，提出的鵝頸管式冷卻裝置水量、強制冷卻區半徑、換熱系數計算公式符合實際生產情況，具備理論指導意義；設計的高效節水型冷卻裝置，耗水量小、冷卻速度高，在相同實驗條件下實驗測試，冷卻效果提升顯著，已實現工業應用，可對國內廣泛使用的鵝頸管式冷卻裝置進行替換。