马钢穿水冷却研究

1、棒材穿水研究王立丁（马钢第三钢轧总厂设备保障部）摘要穿水冷却是一套用于棒材生产线的在线热处置设备。轧制普通钢坯通过穿水冷却处置能够使综合机械性能大大提高，取得高质量产品。穿水冷却装置是由预冷段、喷咀段、水冷文氏管、出水段及其回水管组成。通过调出阀对穿水文氏管水量进行调1葭以达到调节冷却速度的目的。前言马钢第三钢轧总厂棒材生产线以单线年产130余万吨的产能在国内长期独占鳌头，所生产的带肋螺纹钢筋以优秀的质量成为知名品牌。这其中穿水冷却工艺的研究和利用功不可没，其功效也处于国内绝对领先的地位。经研究和生产实践表明，棒材通过穿水处置后，其机械性能能够提高几个品级，轧制普碳钢坯经穿水能够达到低合金钢的

2、机械性能。尤其是在用HRB335钢坯生产出口三级螺纹钢筋G460时，充分利用了国际行业标准在化学成份方面的有利因素，大大降低炼钢生产的原料本钱，使棒材穿水冷却成为三钢轧降本增效的一个亮点。穿水冷却工艺原理通过成品机架轧制后，棒材已达到成品材尺寸，现在的终轧温度为1100C左右。在此温度下，棒材内部金相组织为奥氏体组织。在轧制进程中，因反复挤压变形，使晶粒取得细化。尔后如不对冷却速度和上冷床温度加以控制，必然使棒材在轧后冷却进程中，内部产生晶粒粗大现象，最终致使机械性能下降，且冷却时刻很长。穿水冷却起到了对棒材进行轧后热处置，提高机械性能的作用。实际上就是一个轧后高温淬火加自回火的热处置进程，所

3、不同是其淬火的时刻比较短，金相转变不完全。如在用HRB335钢坯轧制出口材G460时，棒材在终轧1100C温度下进入穿水冷却装置，先通过预冷段，将棒材温度降低至1000C左右，再经穿水装置的喷咀段和水冷导管进行快速冷却处置,相当于进行高温淬火。由于文氏管的壮大冷却效果，使表面温度在2-3秒时刻内，迅速降低至400以下，形成淬火马氏体。由于淬火时刻短，芯部温度仍然很高，棒材内外部温度梯度较大，因此，淬火层的厚度是有限的，实际大约有厚，而且淬火层中的金相组织也不完尽是马氏体，其中含有贝氏体等组织。通过调吊j水量可控制出口温度，在上冷床时的温度一般控制在650c左右。现在，开始了利用棒材芯部余热进行

4、高温回火的处置进程。最终取得的金相组织是表面主要为回火索氏体，芯部为珠光体和铁素体。正是由于表面层索氏体的存在,同时有淬火进程的细化晶粒作用，使得棒材综合机械性能大大提高。另一方而，穿水冷却加速了棒材冷却速度，减少冷却时刻，使得大幅提高产量成为可能。在轧制普通螺纹钢时，若是不用穿水冷却，则上冷床时温度太高，可达到950C,到下冷床时表面温度仍将超过350C,芯部温度更高。在通过精整打包后，内部散热更慢，相当于进行长时刻的低温回火，使表而硬度和机械性能在打包乃至发货以后继续下降，以至于不能不采取降低轧制速度来保证冷却效果。当利用穿水冷却时，棒材上冷床温度在800c以下,出冷床时表而温度能降至20

5、0c以下。此温度下棒材金相组织不会继续转变，机械性能稳固,从而为提高轧制速度创造条件。穿水冷却装置实际生产中利用的穿水冷却装置是由预冷段、喷咀段、水冷导管、出水段及其回水管组成。喷咀段包括一组喷咀，是提供冷却水源的装置。冷却水在接触红钢时，棒材表面的水将产生汽化，形成汽膜，如不清除这层汽膜，将使水和红钢离开接触，影响冷却效果。所以喷咀喷出的水流必需有必然的流速和入射角。压力水通过喷咀以必然角度顺轧制方向喷入水冷导管。由于那个角度的存在，使水流产生向前的流速，这一部份流体动能的分量保证水流克服水冷导管及轧件的阻力，并与轧件产生必然的相对速度，从而提高冷却效果。同时，这一贯前的速度对轧件产生附加驱

6、动力，可有效避免堵钢。但如果是流速过快则会使轧件在出了终轧机架后运动速度加速，即产生推尾作用，影响轧件稳固运行，也影响轧件上冷床时的定位。因此，需要控制喷咀的角度。一般在30°左右。中I川,喷咀水冷导管是穿水冷却装置的核心部件，轧件在水冷导管中与水直接接触，并进行热量互换。水冷导管由若干个短导管拼接而成，导管内径形成份段的渐缩管形状，咱们称之为“文氏管”，但它与流体力学实验装置中的文氏管不能相提并论。穿水冷却中的“文氏管”只是利用类似于文氏管的形状来实现快速、均匀冷却。“文氏管”中可分为缩径区和扩径区，缩径区较短，主要起支撑轧件及导向作用。在扩径区，轧件从近似的水流中心穿过，形成真正

7、意义上的穿水冷却。与普通等直径的水冷导管相较，“文氏管”的长处在于实现了穿水均匀冷却。在普通水冷管中，轧件因重力作用而切近下方运行，不能保证轧件周围的水量均衡,也就不能保证轧件的均匀冷却。另一方面，由于“文氏管”不同区域直径不同，流速不同，使得“文氏管”内的水流方向和流速都在不断猛烈转变，产生强烈的紊流，从而能够提高换热效率。水冷却原理图预冷段设置在穿水装置的入口，由一个通水的空腔组成。它的作用主要阻止气体进入“文氏管”，以保证冷却效果。因为喷咀存在一个喷射角度，高速喷出的水流会在入口处产负压，外部的空气因此能够进入“文氏管”中。而空气的导热性能极差，水中的气泡会在轧件表而形成隔热层，大大降低

8、换热效率。预冷段通过平衡水管，从穿水装置的出水口引水以填补喷咀射流引发的真空，消除负压，避免空气进入。同时，因有水存在，故也可起到预先冷却的作用。预冷水也能够从其他水源引水冷却，水量需要进行调节，水量过大将从穿水装置入口喷出，水量过小则不能有效封住气体。出水段的作用是将水冷导管的出水聚集、减压、排放。出水段由一个虹吸管排水，这一方面能够减小出水段的压力，另一方面能够形成一个水头高度，使部份水能够通过平衡水管供给预冷水箱。住回水箱出口装有紧缩空气喷咀，能够将轧件表面附带的水吹扫掉，以避免表面水珠引发的不均匀冷却。穿水装置冷却效果影响因素分析1流速的影响在穿水装置中，水流速度起到关键的作用。热量传

9、导的速度与温差成正比。两个物体之间的温差越大，热量传导的速度越快，也就是热传导效率越高。轧件在穿过文氏管进程中,始终处于冷却水的包闱。高温的轧件将迅速把热量传递给冷却水，使水温上升。若是轧件周围的水流速较慢，则水温迅速上升，减少了与轧件之间的温度差，从而降低传热效率。另一方而，水流速度慢时，轧件表面的水将迅速汽化，形成汽膜，阻挡轧件与水的接触，大大降低冷却效果。而高速流动的冷却水不仅能消除汽膜，迅速带走热量，使得轧件始终与低温的冷却水接触，提高传热效率，同时冷却水高速流动产生强烈的紊流，增加了局部的热互换性能。2水温的影响从上述分析中能够看出，水温越高，冷却水与轧件之间的温差越小，则换热效率越

10、低。反之，水温越低，换热效率越高。按照冷却水系统热负荷计算，供水温度提高5C,冷却水用量将需增加30%,才能达到相同的冷却效果。3水压、水量的影响在相同管径中，提高供水压力就意味着提高水流速度，就可以有效提高换热效率。而水量是维持水压的必要条件。因此，水压、水量和流速是一个同一体的三个侧面，不能分离。在棒材穿水冷却进程中，需要冷却水带走的热量主要包括三部份：离开轧机后棒材所含有的物理热量（热含量）：棒材单位重量的热含量=比热（千卡/kg*）*温度（）如为低碳钢，1000C时，贝ij1kg棒材的热含量为：IkgXIOOOCX千卡/kg*=120千卡相变进程所产生的热：由奥氏体转变成珠光体新相时，

11、每kg钢材可放出4千卡热量。金属氧化进程中所释放的热量：NF+1/202FeNO+63千卡/分子。在穿水冷却段，棒材氧化很少，而相变产生的热量也很少，所以冷却水主如果降低棒材本身的物理热。当流速不变时，增加水量不能有效提高冷却效果，显然是一种浪费。而当流速过快时，将产生推尾作用，影响轧件稳固运行，这在轧小规格棒材时尤其突出。同时，水压受到供水设备的限制，不能无穷提高。4文氏管通径的影响文氏管的通径必需能够保证轧件顺利通过。当通径过小时，有可能引发堆钢。而通径过大时，要维持冷却水的流速和压力，就必需增加水量。当供水设备一按时，通径过大就会降低冷却效果。穿水冷却系统来自水处置站冷却塔高位水池的水，

12、经管路自流方式输送到棒材成品轧机旁的穿水增压泵组。冷却水经加压后达到压力，通过管路分派到5个冷却段。可按照钢种和轧制规格肯定利用冷却段的数量。每一段用一只气动调节阀进行流量调行，以控制温度。每一段有一套流量检测装置和一套压力检测装置。在运算机画而上能显示流量和压力和调行阀开度。流量的调节操作在3#台进行。通过运算机别离对五段穿水文氏管水量进行调节，以达到调行冷却速度的目的。安仝同按照生产工艺和设备配置设定穿水系统的检测点参数如下。1水泵入口压力压力检测元件设在水泵入口总管上。压力范围。用于反映水处置供水状况。2系统压力压力检测元件设在主管道，安全阀支管前。压力范围。用于反映系统运行状况。3冷却

13、段压力压力检测元件设在各段调行阀后，软管接头前。压力范围。用于反映冷却段供水状况。4供水温度温度检测元件设在主管道，增压泵支管前。温度范闱050C。用于反映系统供水温度。5回水温度温度检测元件设在穿水提升泵出口主管道上。温度范围080。用于反映系统回水温度。6系统流量流量检测装置设在增压泵入口总管上。量程。1800m3/h。用于检测系统总流量。7冷却段流量流量检测装置设在各冷却段支管上。量程。650m3/h。用于检测冷却段用水量。水处置设备穿水系统水处置设备的功能主要有过滤和冷却。从穿水装置排出的废水温度高达60至70C,并含有氧化铁皮，必需通过处置以循环利用。水处置的工艺是：提升一一过滤一一冷却-一过滤-一循环加压。轧线废水经搜集后排到提升泵房集水池，用提升泵加压后送往高速过滤器处置，利用余压上高位冷却塔冷却，冷却后进高位集水池，然后利用落差供给增压泵加压利用。在高位水池出口装有管道过滤器，以过滤冷却塔填料碎片等杂物。在水处置设备中，冷却塔的效能对穿水工艺的影响专门大。因为穿水系统的热负荷特别大，需要强有力的冷却设备才能将水温降下来，不然供水温度太高，将使穿水装置能力大大下降。另一方面，穿水系统回水温度常超过60C,常规冷却塔的填料不能适应如此的高温，很容易损坏，因此需要采用高温型冷却塔。结束语近两年来，马钢第三钢轧总厂在棒材生产中利用穿水冷却取得了专门好的效果。在设备