热轧超快速冷却装置的开发现状与设计分析.pdf

第 3 2卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 轧 钢 S TE EL R0LL I NG Vo 1 3 2 ，No 1 ，p 5 8 6 1 ， 6 9 F e b r u a r y 2 01 5 综述 D O I ： 1 0 1 3 2 2 8 b o y u a n i s s n l 0 0 3 - 9 9 9 6 2 0 1 4 0 1 3 8 热轧超快速冷却装置的开发现状与设计分析 汪水泽 一 ， 韩 斌 ，陈丽娟 ， 黄全伟 ( 1 北京科技大学材料科学与q - 程学院， 北京 1 0 0 0 8 3； 2 武汉钢铁( 集团) 公司研究院， 湖北武汉4 3 0 0 8 0 ) 摘 要：本文简要介绍了热轧超快冷技术 的基本原理和发展现状，重点介绍了超快冷装置开发的难点及关 键点，并提出了相应的解决方法及设计思路，为超快冷装置的开发提供 了参考。 关键词： 超快速冷却；热连轧； 冷却装置 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 3 9 9 9 6 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 5 8 0 5 De v e l o pm e nt s t a t u s a nd de s ig n a na l y s is o f ul t r a - f as t coo l ing e quipme n t f or ho t r o l l in g s t r ip WANG S h u i z e 一， HAN Bin 2 ，C HE N L i- j u a n ， H UA NG Q u a n we i ( 1 S ch o o l o f Ma t e r i a l s S ci e n ce a n d E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S ci e n ce and T e ch n o l o g y Be r i n g ， B e U i n g 1 0 0 0 8 3 ； 2 R e s e a r ch I n s tit u t e ， Wu h a n I r o nS t e e l ( G r o u p ) C o ， Wu h a n 4 3 0 0 8 0 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ：I n t h is p a p e t h e me c h a n is m a n d d e v e l o p me n t s t a t u s o f u l t r a f a s t co o l i n g t e ch n o l o g y we r e b r ie fl y in t r o d u ce d T h e d ifficu l t y a n d ke y p o in t s o f d e s ig n in g u l t r a - f a s t co o l in g e q u ip me n t we r e m a in l y in t r o d u ce d ，a n d t h e co r r e s p o n d in g s o l u t i o n a n d d e s ig n i d e a we r e p u t f o r wa r d T h e s e r e s e a r ch e s co u l d p r o v i d e a r e f e r e n ce f o r d e v e l o p in g u l t r a - f a s t co o l i n g e q u i p me n t Ke y wo r d s ： u l t r a - f a s t co o l in g； h o t r o l l in g ； co o l in g e q u ip me n t 1 引言 随着先进钢铁材料研发的进展为了获得细 晶以及理想 的组织形态 需要 对板 带轧后温度实 施更为精细化 的控制。 控制冷却不再仅仅是对开 冷温度 和 目标卷取 温度进 行控制，对于冷却路径 的控制在某些先进钢种的开发上甚至更为重要。 现 代化的控制冷却， 是在确定了冷却路径的基础上 将带钢冷却到目标卷取温度。 冷却路径的确定 一 般是基于 C C T曲线，为了获得所需要的微观组织， 在工艺上要求将板带温度在某一规定的时间内降 到目标温度， 这对轧后的冷却能力提出了更高的 要求。 目前常规层流冷却系统由于冷却速率不高已 经无法满足一些具有特殊冷却要求的先进钢铁材 料的研发， 例如： 超级钢的开发。 要求低温、大压 收稿日期： 2 0 1 4 0 5 0 5 作者简介： 汪水泽( 1 9 8 1 一) ，男，工程师，博士研 究生。 下以及随后快速冷却： 双相钢和 T R I P钢的开发 要求短时、准确的温度控制： 高强度 I F钢的开发， 要求在铁素体区轧制 等等。因此， 具有短时、快 速、 准确的超快速冷却技术在国内外正受到越来越 多的关注。 2 超快速冷却机理及应用现状 2 1 超快速冷却机理分析 常规层流冷却 的机理是冷却 水在高位水箱 产 生的压力作用下自 冷却集管经 u型管自 然流出， 形 成连续水流落到热板带上。 通过冷却水与热板带的 对流换热来达到对其冷却的目的。热板带与冷却水 的换热方式主要有两种： 一是核沸腾即冷却水与 钢板表面直接接触， 产生气泡实现热交换：二是膜 沸腾，即在钢板表面和冷却水之间形成一层蒸汽膜， 第 1期 汪水泽等：热轧超快速冷却装置的开发现状与设计分析 5 9 板带和冷却水之 间通过形成的蒸汽膜进行热交换。 据相关文献介绍 普通层流冷却系统的膜沸腾换热 约占总换热量的 5 0 。由于蒸汽膜换热系数约为 1 5 0 3 5 0 W ( m 2 K 1 ， 与冷却水、板带直接接触的 换热系数相比低 了一个数量级，因此大面积蒸汽膜 的存在严重影响了换热效率 1 - 3 】 。 如何大面积地击破 汽膜来提高冷却速率， 是一个关键的技术问题。 超快速冷却机理正是基于此而提出来的。通过 采取一些措施 如： 减小每个 出水 口的孔径 、 加密出 水 口、增加水压等可大面积地击破蒸汽膜， 使得单 位时间内有更多的冷却水直接作用在热板带表面， 增加核沸腾区所 占的比例， 减小膜沸腾区的面积， 从而提高冷却效率， 达到超决速冷却的目的。 2 2 超快冷技术的应用现状 2 0世纪 8 0年代末， Ho o g o v e n s UGB厂开发 出 世界上第 1套超快冷实验设备，最大水流量为 2 3 0 0 m3 h 最大水压为0 3 5 MP a ， 最大冷却速率达 9 0 0 Z s ( 带钢厚度 1 5 m m) t4 。 2 0 世纪 9 0 年代初期， 比利时的 C R M 厂应用 了此项技术，也开发了超快 冷系统 其冷却区长 5 1 0 m， 在水流密度为 6 0 7 0 L ( m 2 s 1 时， 对 6 3 r 1 n l 厚带钢的冷却速率可达 2 5 05 0 0* C s 。1 9 9 8年日本 NKK福 山中厚板厂 开 发 了S u p e r - OL AC ( S u p e r O n L in e Acce l e r a t e d C o o l i n g ) J I 速冷却系统其特点是上部冷却喷嘴与 板带的距离较近可以以一定的角度沿轧制方 向将 一 定压力的冷却水喷射到板带表面 将其表面的汽 膜吹扫掉 使冷却水与板带直接接触， 避开了膜沸 腾和过渡沸腾。 实现了全面核沸腾的理想状态【5 。 2 0 0 3 年 5 月。 J F E 公司在仓敷中板厂安装了同样的 加速冷却设备2 0 0 4年京滨厂也安装 了类似设 备 。至此 J F E公 司的 3个 中板厂都拥有 了这种先 进的超快冷设备。在 S u p e r O L A C 的基础上，日 本福山厂还开发了适用于热轧板带生产线的超快 冷设备 S u p e r O L A C H ， 其冷却速率可到理论极限 值 7 0 0 C s ( 板带厚度为 3 mm时) 。 此外，德 国蒂森 克虏伯公司的 C S P厂、荷兰 C O R U S的C S P厂、 西班牙 A BS的 CS P厂及韩 国浦项二热轧厂均采用 了 UF C系统 并取得不错的效果【 6 】 。 在我国，东北大学于 2 0 0 6年开发了 “ 一种用于 热轧带钢生产线的冷却装置”， 即 “ 超快冷”装置， 并申请了专利7 】 0应用此项专利， 东北大学与包钢 C S P厂合作， 建成国内第 l 套用于热轧带钢生产线 的 “ 超快冷”系统 8 】 。此后，又陆续与涟钢和首秦 合作开发了热轧板带超快冷系统【 ，与马钢合作开 发 了 H型钢超快冷系统等。 3 超快速冷却装置设计的关键点及难点 任何设备的研发， 其最终 目的都是为了实现某 些特定 的技术要求而如何实现这些技术要求 也 就构成了所要研发设备的关键点及难点。对于超快 冷系统来说 所要实现的技术要求如下： ( 1 )必须具有与传统层流冷却相比 “ 超快”的 冷却速率，以满足某些先进钢种特殊的工艺要求： ( 2 )必须具有 比传统层流冷却更好 的冷却均匀 性， 特别是横向冷却均匀性， 否则将会严重影响板 带板形 1 叫 ： 而厚度方向冷却不均匀， 会对组织性能 造成不利 的影响： ( 3 可以实现高精度的终冷温度控制， 在达到 动态相变点时能及时、准确地终止冷却 这也是超 快冷系统与淬火机最大的不同。 明确了上述技术要求后，同时也就清楚了超快冷 设备研发的关键， 即在具有超陕冷却速率的同时， 还 必须保证冷却的均匀性及控制的精确性和及时陛。 3 1 实现超快冷却速率的设计思路 超快速冷却处于的温度范围一般为 1 0 0 0 3 0 0， 处于稳定膜态沸腾区， 如何打破其蒸汽膜， 提高表面换热系数是提高冷却速率 的关键因素。 ( 1 )方案一： 采用高压喷射冷却，提高冷却水 的压力，以增强打击力 。 应用实例： C a r l a m 公司热轧带钢轧机的 UF C、 日本福山中厚板厂的 S u p e r O L AC以及中国东北大 学 R A L所开发的U F C系统均采用高压喷射的方式 冷却水压力较高 达到 0 2 5 O 5 0 MP a 。 优 ： 高压力的冷却水可连续到达板带表面并形成 紊流 冷却水穿透l 漓， 可有效击破板带表面的蒸汽睫 因J 能力较强 可 蹒足超快 瑰 嫜 的要 求。 缺点：由于水压高 ，冷却水飞溅过大。而且冷 轧 钢 第 3 2卷 却水在板带表面流速大，与板带热交换时间极短。 耗水量较大。 改进措施：一是采用喷嘴倾斜布置 的方式。以 一 定的角度 沿轧制方 向将一定压力 的冷却水喷射 到板带表面。这不但可减少冷却水的飞溅， 而且斜 喷还能起到一定的吹扫作用 f 实例：日本福山中厚 板厂的 S u p e r - O L AC、 中国东大 RA L的 U F C装置、 。 二是增加喷嘴内表面的粗糙度。 在保持射流中心冷 却水高压、高速的同时， 降低射流表层冷却水的流 速 这就相当于给高速的射流套上了一层保护膜， 飞溅的冷却水也会被这层保护膜给挡下来。 ( 2 )方案二： 根据流射沸腾冷却强化机理， 采 用高密度集管流冷却。 应用实例： 我国太原钢铁公司新型淬火机f 北 京科技大学研发 虽然不是 U F C系统， 但是淬火机 与超快冷系统有相似之处。 都要求具备超快的冷却 速率，因此具有借鉴意义1 。 原理：流射沸腾冷却强化 的核心是利用常压水 f 0 1 MP a ) 形成的水柱， 以一定速度贯穿水层， 击破 蒸汽膜。与钢板表 面直接接触。引起强烈的沸腾。 该沸腾区向半径方向扩展， 使流水具有很强的冷却 能力 。柱状射流的平均热流密度存在最大值 其 影响因素包括射流的出口速度、高度、直径以及布 孔 间距等。根据这个最大值可以构造高密度管流结 构 再对参数进行优化，从而得到贯穿整个钢板横 截面的极强冷却区。 优点： 冷却水的飞溅小 冷却效率高 耗水量 小 ：水嘴的孔径大于 9 m m( 喷射 时的孔径一般为 3一 6 mm) ，不易堵塞。 缺点：具有一定 的可行性，但还未有应用实例 冷却速率能否满足超快冷设备的要求还有待研究， 其优化参数 的确定也还需做更进一步的研究。 ( 3 1方案三： 采用水幕冷却方式。 水幕冷却方式也能满足超快冷装置对冷却能 力的要求。 但其有效调节范围较小。 3 2 实现均匀冷却的设计思路 3 2 1 横向冷却的均匀性 在控冷过程 中 一个很 突出的问题就是板带横 向冷却不均。除了水从喷嘴直接喷出与板带表面进 行对流换热不均外 还存在板带上表面滞留水层横 向流动，最终从板带两边流出，导致其边部水流量 增大的现象，如图 1所示f 】 ，这些滞留水会对板带 产生二次冷却。 从而造成不可忽视的冷却效果。此 外， 下集管的冷却水回落到板带两边， 在一定程度 上也加重 了板带横 向冷却不均。 图 1 板 带表面 宽度方 向水流量 分布 示意 图 Fi g1 Fl ow di s t r i but i on a l ong wi dt h di r ec t i o n of pl at e 板带横向冷却不均， 不仅会导致沿其宽度方向 组织性能不均匀还可能导致潜在的板形不 良问题。 在切条后发生弯曲现象， 严重者可能导致出现边 浪。由于超快冷冷速超快。 如果不采取一定的预防 措施，板带横 向冷却的不均匀性将 比常规的控冷更 为严重从而给板形控制带来灾难性的后果。这个 问题如果不解决好 将会大大降低这项技术的实用 价值。为保证板带横向冷却均匀， 可采用以下措施： f 1 1在集管中增设阻尼板或阻尼管。为了冷却的 均匀性以及控制的精确和简便， 要求每个喷嘴的喷水 强度和出口速度相当。 集管是超快冷系统的关键部件， 其功能是将总管进来的冷却水合理地分配到各个喷 嘴， 从而实现板带宽度方向喷水强度和出口流速的技 术要求。为了减小集管上各个喷嘴的喷水强度偏差， 一 般在集管中都增设阻尼管或阻尼板。这其中又包括 一 级阻尼板和多级阻尼板技术 结构又分为对称式和 非对称式 1 。有专利介绍了一种特殊的集管设计， 该 集管由主管芯、水箱 、阻尼板 1 和阻尼板 2 组成。主 管芯的阻尼孔左右对称分布 在轴线上， 阻尼孔间距 的分布是进水端孑 L 距小。 远离进水端孔距大， 孔距不 等距分布： 阻尼板孔左右对称分布1 4 。在集管内设置 多级阻尼板 阻尼管， 必然会增加冷却水的流动阻力， 因此为了保证集管的流量， 在系统设计时， 应根据集 第 1 期 汪水泽等：热轧超快速冷却装置的开发现状与设计分析 管的阻尼情况，适当增加高位水箱的标高，以补偿增 设阻尼板带来的水力损失。 ( 2 )喷嘴不对称布置， 实现中凸水型。在集管 中增设阻尼板 阻尼管基本可保证集管上每个喷嘴 喷水 的均匀性。但还不足 以保证板带横 向冷却 均 匀性 。 如前所述由于滞 留水横 向流动 以及下集管 喷水回落到板带两边， 会导致板带两边过冷却。 为 此 可采 用 中凸水型 在设 计时预先考 虑到滞 留 水和回落水对板带两边的影响，有意识地减少两 边 的喷水量 。 具体到喷嘴的设计上，主要有两种方 法： 一是变喷嘴间距 采用中间密、 两边疏的方法， 实现 中凸水型：二是变喷嘴直径，中间直径大，两 边直径小同样可 以实现中凸水型。 f 3 )采用边部遮蔽装置。为了避免在冷却过程 中板带边部过冷可以采用沿板带横 向移动的遮蔽 挡板对其边部的冷却水进行一定程度上地遮蔽， 减 少 落到板带两边 的冷却水流量 ，从而避免边 部过 冷 。 但在实际应用中需特别注意遮蔽量大小的确定， 如果遮蔽量过大会造成边部冷却不足。有文献介绍 最佳边部遮蔽量与板带厚度、宽度和集管流量呈线 性关系， 并 回归出了边部遮蔽模型系数( 式( 1 ) ) 1 2 。 不过这是针对中厚板控冷的数学模型对于超快冷 系统，还需做进一步研究 。 B=5 4 5 0 9 6 7 h +1 3 4 5 W +0 1 3 q ( 1 ) 3 2 2 厚度方向的冷却均匀性 有学者通过温度场 的数值模拟计算指出 薄规 格板 带在超快速冷却情况下其表面与 中心 的温差 不大 温度一致性较好。但是随着板带厚度的增加 厚度方向温度梯度显著增大。 从而导致厚度方向冷 却不均匀 。例如：钢板厚度为 2 0 mm 时，其中心与 表面的温差约 3 6 0 而这将对钢板内部组织的均 匀性产生不利影响 1 引 。此外。板带上下表面有可能 产生温差 严重时会导致翘曲缺陷。为保证板带厚 度方 向的冷却均匀性 可采用以下措施： f 1 1沿轧线方向集管 由密到疏布置 。板带刚进 入超快冷 区的时候温度较高。 采用集管密集布置的 方式 使板带表面温度快速降下来。此时板带芯部 温度大于表面温度。产生温度梯度。根据傅里叶定 律， 此 时热量将从板带芯部传递到表面， 最终使表 面温度上升，内外温度