層流冷卻裝置節能改造實踐

趙富強，喇思蘭，李凌宇

（中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北 秦皇島 066000）

今年以來，“碳達峰、碳中和”的目標向世界吹響了中國節能減排的號角，各企業都在走節能降耗、綠色發展之路。軋鋼廠在軋制過程中要消耗大量水，在設計或改造中如何節約用水、減少耗水量成為研究和亟待解決的問題。在熱軋帶鋼生產線上，帶鋼軋后冷卻用水是全線設備用水系統中最大的一個系統。熱軋帶鋼的卷取溫度是影響成品帶鋼性能的重要工藝參數之一[1]。熱軋帶鋼的終軋溫度一般為850～950 ℃，為了使帶鋼獲得良好的組織性能，帶鋼的卷取溫度必須控制在550～650 ℃。從精軋機末機架至卷取機必須對帶鋼進行冷卻，帶鋼要在5～20 s之內通過該區域，使高溫的帶鋼降溫300 ℃左右。常用的帶鋼軋后冷卻裝置有層流冷卻、水幕冷卻、高壓噴水冷卻等形式，其中層流冷卻采用低壓大水量的高效冷卻工藝，冷卻精度高，工藝成熟，是目前在板材軋機軋后冷卻工序中應用較多的一種冷卻方式[2]。

1 層流冷卻原理

層流供水泵站通過供水泵組將水送至高位水箱，高位水箱中的水通過重力供給層流集管，這樣水就從一定高度降落到帶鋼表面，使帶鋼表面覆蓋一層最佳厚度的水層，然后通過熱交換原理，使帶鋼迅速冷卻到所需的卷取溫度。具體的方法就是，層流冷卻裝置采用低壓大水量將水附于帶鋼表面，形成薄薄的一層水膜，隨著帶鋼的前行，由側噴水吹動水膜，使其不斷更新，從而帶走大量的熱，以此達到冷卻效果。

2 層流冷卻水循環原理

層流冷卻用水特點是水壓低、流量大、水壓穩定、水流為層流，因此，供水系統應根據層流冷卻的特點來配置[3]。目前層流供水系統選用配置方式為泵+機旁高位水箱的供水系統。根據軋制的鋼種、成品規格、帶鋼溫度、軋制速度等工藝參數，合理配置層流冷卻供水系統，通過高位水箱穩定水壓和調節水量，實現帶鋼冷卻溫度的精準控制。

層流冷卻水循環原理：冷卻完帶鋼的水水溫升高，并含有極少量的氧化鐵皮，經沖渣溝自流至層流泵站熱水池，其中部分（或全部）熱回水經泵加壓后送至過濾器進行過濾，除去水中的懸浮物，過濾后的回水利用余壓上冷卻塔冷卻，然后自流至層流泵站冷水池；其余熱水經提升泵送入冷水池，混合后的水經過層流供水泵送至車間的高位水箱，供層流裝置使用，而高位水箱中多余的水通過其溢流管，流入沖渣溝后進入層流泵站熱水池。水質是影響帶鋼表面質量的重要因素之一，因此在水循環系統中設置過濾器來凈化水質。通過對各大鋼鐵企業調查發現，大部分企業采用50%的熱回水過濾，還有少部分的企業采用100%的熱回水過濾。其工藝流程如圖1 所示。

圖1 層流冷卻水循環工藝流程圖

3 層流冷卻自動控制

在正常的軋鋼生產中，在過程自動化系統和基礎自動化系統的控制下，根據帶鋼精軋出口速度、溫度、厚度和目標卷取溫度等數據以及工藝設備參數，經過層冷模型運算（包括計算準備處理、預設定計算、修正設定計算和自學習計算），控制層流冷卻區冷卻設備集管的開閉，從而實現對帶鋼的冷卻模式、卷取溫度和冷卻速率的控制，可將熱軋帶鋼按預定路徑冷卻到工藝要求的卷取溫度。

4 層流冷卻泵組供水存在的問題

在正常的軋鋼生產中，層流供水泵組根據生產工藝確定的水量向高位水箱不間斷補水，過鋼時，高位水箱向層流集管供水，當鋼的尾部離開層流區，而下一塊帶鋼還沒到達層流區時，這段間隙層流供水泵組在不斷地補水，高位水箱的水位不斷上升，當超過高位水箱溢流至隔板時，高位水箱的水將通過溢流管排到沖渣溝。即使供水泵組采用變頻泵，通過變頻來調節水量大小，并滿足層流冷卻設備的用水，但若水箱的補水量趕不上出水量，則水箱水位降低，水的噴射壓力下降，就不能保證層流集管的供水要求。因此，供水泵組的能力必須大于生產設備消耗水量，這就導致實際生產中高位水箱仍然存在大量的水溢流。

5 改造后的層流冷卻水循環系統

通過上述分析可知，即使現在的自動化程度控制很好，高位水箱仍然存在大量的溢流水，而溢流的這部分水是經過二次過濾處理的，這樣就額外加大了高速過濾器的處理能力，還增加了加壓泵組能力。

改進后的層流冷卻水循環系統如圖2 所示，新系統將高位水箱的溢流管直接引至層流冷水池，這樣就避免了處理后的水經過二次處理，既減輕了高速過濾器的處理能力，又減少了加壓泵組能力。

圖2 改造后的層流冷卻水循環工藝流程圖

6 經濟效益分析

以某鋼廠為例，已知軋制時間為90 s，間隙時間為15 s，年工作時間為6 500 h，層流冷卻循環總水量為6 017 m3/h，每臺高位水箱有2 根溢流管，管徑DN=400 mm，共2 臺高位水箱，為簡化對比，只考慮加壓泵組的電耗。

采用常規的層流冷卻水循環系統，選用的設備如下：加壓泵組流量Q=3 240 m3/h，揚程H=37 m，電機功率N＝450kW，開2 備1；加壓泵組年電耗=450kW×2×6 500 h=5.85×106kW·h。

采用改進的層流冷卻水循環系統，假設一個軋制周期中15 s 間隙時間為溢流管排水時間，DN=400 mm的溢流管，充滿度按50%計算，流量約200 t/h，4 根溢流管合計約800 t/h，那么加壓泵組的供水量為5 217 m3/h，選用的設備如下：加壓泵組流量Q=2 850 m3/h，揚程H=35 m，電機功率N＝400 kW，開2 備1；加壓泵組年電耗=400 kW×2×6 500 h=5.2×106kW·h。

采用改進的層流冷卻水循環系統，可使加壓泵組年電耗節約6.5×105kW·h。

7 結論

1）從水質方面考慮，高位水箱的溢流水是經過處理的達標水質，將其直接引至冷水池后提供至高位水箱，對水質無影響。

2）從水量方面考慮，高位水箱的溢流水本身是因為供水泵組能力在正常軋鋼間隙時補水量超過水箱出水量而采用的一種保護措施，但這種保護措施會導致水資源的浪費，而將其進行有效利用不會影響層流設備供水量的平衡關系。

3）從節約水資源方面考慮，通過本次改造，這部分溢流水得到了有效利用。

4）從經濟效益方面考慮，采用本方案改造后的層流供水系統，層流泵組供水能力減小，高速過濾器處理能力也減小，設備一次性投資降低；從長期運行來說，將會給企業帶來很大的經濟效益，為推動企業的節能降耗提供強有力支持。