孟周东

(安阳钢铁集团公司,河南安阳455004)

改善层流冷却提高板材质量

孟周东

(安阳钢铁集团公司,河南安阳455004)

通过对炉卷轧线的层流冷却对板材质量影响因素的研究，采用了改进喷淋方式，优化供水操作方法和水温控制保证供水质量，改善了炉卷生产线在层流冷却阶段出现的应力不均和钢板翘曲等问题，提高了板材质量。

层流冷却;供水;板材;质量

1 前言

在炉卷轧线生产过程中，对层流冷却技术的优化及供水操作加以改善，以达到控制和提高最终产品的综合力学性能和板材板形的目的。层流快速冷却技术应用日益普遍，已成为各种轧钢生产线的必备控冷环节，采用高效的层流冷却工艺就需掌控一些不利因素，层流冷却过程中从上下喷嘴流出的冷却水速度比较低，能够形成平滑、连贯的水流直接落到快速移动的钢材表面，在板材表面形成冷却均匀的水面。对生产线的不同工艺参数及设备布置参数也将影响冷却能力，水温控制及水质不同也同样影响到板材质量，因此探讨各种影响因素对冷却的影响具有指导意义。

2 该炉卷层流冷却设备布置

位置：位于四辊可逆式精轧机和热矫直机之间的辊道处

用途：用于钢板控制冷却，包括控轧时中间坯待温、降温控制冷却功能

型式：上下集管层流冷却式

冷却区总长度54000 mm，该系统设计2区，主冷区15组集管，精调区3组集管；主冷区集管每组2个喷头，精调区集管每组2个喷头，上下喷头数分别有36个和108个喷头。

冷却水流量参数见表1。

表1 冷却水流量参数

供水能力：高位水箱为两个长26000 mm，直径3000 mm的罐体组成，罐体顶面标高为15000 mm。系统供水能力为2400 m3/h。

3 层流冷却影响性能的因素

在轧制后的层流冷却过程中，钢材的热传主要是空冷和水冷两部分，空冷中钢材向周围环境散发热量，主要以辐射传热为主；水冷即为中低温度的冷却水与高温的钢材开始接触时，直接碰撞引起迅速的热传递，随后在钢材表面形成蒸汽层，蒸汽层阻碍导热，属于膜态沸腾传热，当蒸汽层不再稳定地附着在钢材表面时，钢材表面重新与冷却水再接触，再次产生强烈的热传递，属于核态沸腾传热。在钢板冷却过程中奥氏体发生分解，相变潜热释放。

3.1 高强度钢板的控冷板形问题是由于钢板在冷却过程中钢板横向温度均匀性和厚度方向温度均匀性决定，温度不均匀导致相变过程不一致，冷却过程中残余应力过大，矫直温度低，钢板强度提高，导致热矫直机无法矫直；或矫直后钢板温度仍然不一致，在冷床上冷却至温度均匀时产生残余应力。

冷却造成板形问题主要由以下三种不均匀冷却导致的：

（1）横向冷却不均匀性

为保证横向均匀冷却通常采取：集管流量在横向上采用不均匀的流量设计或调节、边部遮挡、侧喷等。

原有的上集管流量在横向上均匀分布，这种布置方式不利于钢板的均匀冷却，尽管侧喷装置和边部遮挡装置的设计会对温度的横向均匀性有改善，但是部分边部遮挡不能正常投入运行，温度均匀性的问题问题仍然存在。

（2）厚度方向冷却的不对称性

保证厚度方向冷却对对称，主要是保证钢板在冷却过程中上下表面得到相同的冷却效果，在冷缩过程中、以及冷却的相变过程中，冷却时钢板变形对称，冷却后钢板的板形才不会发生变化。

保证厚度方向的对称，对于不同厚度的钢板上、下表面冷却水量比是不同的，这已经在其他中厚板厂、南钢中厚板卷厂、韶关炉卷生产线的生产中已经证明。对于某一厚度的钢板，钢板上下表面冷却水量比波动范围较小，如20 mm厚钢板，上下水比例为1：1.9～1：2.1。

目前该炉卷轧线板材控冷装置上、下集管流量没有调节手段只能靠人工进行配置，生产难度大，对不同厚度钢板无法实现厚度方向的对称冷却，导致控冷后钢板板形易于瓢曲。

（3）横向和厚度方向冷却不均匀混合

因此，控制冷却的横向均匀性和厚度方向的对称性，是控制板材平直度的主要途径，减少长度方向头尾温差也能部分有效控制板材平直度。

3.2 设备问题造成冷却的影响

部分集管及喷嘴堵塞情况严重的影响，因该炉卷轧机层流冷却水系统设计为半过滤式，且初期生产节奏问题等因素的影响，自设备投产以来，由于长期使用过程中集管干、湿条件的频繁变化，冷却水中油与悬浮物的共同作用，导致部分下集管生锈与结垢情况比较严重，并且下集管水柱高度参差不齐相差较大，由于该系统使用年限较长且没有有经过大规模的清洗工作，部分下集管内部堵塞应该非常严重。

尽管在设备检修期间，对更替的下集管采取了酸洗和清理等方法，但是由于设备设计的问题，这些问题仍然无法彻底解决。

3.3 层流冷却水温对板材的影响

因北方季节问题及初期水系统设计工艺要求，夏季供水水温高易出现冷却效果不佳板形瓢曲等异常，冬季水温过低冷却过快对板形及性能的影响。

4 完善措施减少不利因素的影响

通过对现有设备上下集管、供水管路、阀门改造及增加自动化调节控制系统，减少原设计的不利冷却的各种因素，提高层流冷却质量。

4.1 三不均匀的改进

加密上集管由外水管、入水管和4排U型管组成组成，通过水箱内的阻尼机构可使集管全长上水压均匀，从而保证U型管的水流均匀，阻尼管为不锈钢材质。通过改变U型管喷嘴的横向间距或喷嘴直径可以得到中凸形的横向水量分布，通过4组U型管横向位置上的交叉配置，改善钢板横向冷却均匀性。

重新设计加工制造下集管1组～6组（共36个集管），增大下集管的最大供水量，提高层流冷却系统的最大水比，提高系统的冷却能力，并报证钢板宽度方向的冷却均匀性，保证高强钢的稳定生产。在新下集管结构上作进一步改进：采用内管为不锈钢的喷孔，集管内部阻尼管采用不锈钢材质，防止结垢对水流均匀性的影响

层流系统现在采用固定上下冷却水量比（1:1）的控制方式，而且控制阀门为手动设置，这种配置对于窄板（宽度≤2000 mm）、以及较薄板(厚度≤12 mm)是合适的，但对于宽板、中厚板来说，这种控制方式已经不能保证控冷后的板形，甚至经过热矫直机矫平，但是由于冷却的不均匀，钢板到冷床后仍然会发生“翘曲”。

为保证不同厚板和宽度钢板、在不同水温条件下均匀冷却，必须对钢板上下表面的冷却水能够自动调节，使上下表面对称冷却。并可以在长钢板冷却过程中补偿温降对纵向温度精度的影响。

对下集管供水管路进行改造，拆除原有的流量孔板，并将管路进行改造，满足增加调节阀和流量计测量精度和稳定性的需要。

每组侧喷装置对面防溅板进行需进行相应的改造，增加排水功能，根据现场情况可以考虑在防溅板上增加排水孔等措施，防止在生产高强结构钢时侧喷装置无法将钢板上表面积水吹净，导致钢板冷却不均匀造成钢板的瓢曲，并新增吹扫装置布置在控冷区出口，满足高冷却速率低终冷温度钢板控制冷却的需要。

4.2 优化操作减少设备问题的影响

（1）高位水箱为两个长27700 mm，直径3000 mm的罐体，有效水位200 cm(界面显示，实际最高水位250 cm，最低水位50 cm)，高位水箱平均水位面积按135 m2计算。经测试有效水位不低于50 cm时，集管流量保持设定值；当低于50 cm时，集管流量衰减不能达到设定值，即水位降最大不超过1.5 m。

（2）层流下集管溢流500 m3/h。层流泵供水能力：一台泵900 m3/h、两台泵1700 m3/h、三台泵2300 m3/h、四台泵3000 m3/h。所以层冷水箱泵有效补水能力为：一台泵400 m3/h、两台泵1200 m3/h、三台泵1800 m3/h、四台泵2500 m3/h。

（3）满足最小溢流条件，使层冷水最大量通过自清洗过滤器，改善水质减少水中油脂与悬浮物对喷嘴的影响，同时减少热水溢流到冷水池，降低水温。

4.3 优化操作减少季节对水温的影响

夏季气温高冷却塔能力低，通过开启水箱泵与过滤器泵的配合，保证冷水池低水位运行，在生产AH70DB、X70等管线钢和低碳贝氏体钢时，根据需求的低水温控制板形和性能时及时通过补充新水减低现有的系统水温，以保证生产板材的质量。

冬季时通过减少上塔流量，控制过滤器泵调节保证冷水池以较高的水位，实现冷水池往热水池溢流，既保证了水质有满足水温要求。

4.4 保证水质提高板材表面质量

层流水质的是否达标直接影响着板材表面质量，电导率≤1000～1600μS/cm、Cl-≤200～400 mg/ L、Ca2+≤400-600 mg/L的标准是影响板材最终成材的又一因素。电导率和Cl-指标超标易造成板材表面点蚀现象，Ca2+指标超标不仅易造成层流喷嘴结垢堵塞影响板材均匀冷却，而且易造成板材表面有白色斑迹影响外观质量。通过每日对层流系统水质和新水的化验，来及时对超标的层流系统水进行新水置换，如新水指标不好通过补充软水来保证层流系统水质始终处于标准状态下，以保证板材最终成型、成材。

5 结束语

综上所述，通过对现有的设备布置进行调整，对喷淋的上下集管及下供水管进行优化改造，并增加防溅板和吹扫装置等技改措施，优化层冷供水系统的操作方式等，以减少三不均匀对板材的影响，解决板材翘曲等板形问题，提高炉卷轧线的生产能力，严格控制层流水质保证板材表面质量，高效高质保证板材的稳定生产。

【1】周月杰中厚板轧后冷却纵向温度均匀性控制策略分析【J】.冶金自动化，2008（S2）.

【2】卢为同，罗军.层流冷却技术在热连轧板带生产中的应用实践【J】.柳钢科技，2008.

【3】李黎明，党军.层流冷却对于板型的影响研究【J】.甘肃冶金，2010.

【4】片锦香.热轧带钢层流冷却过程建模与控制方法研究【D】.东北大学;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

孟周东（1981-），男，2004年毕业于西安科技大学，大学本科学历，工程师，现从事给排水生产技术管理工作。