热连轧层流冷却系统设计应用

邹中升

(中冶赛迪上海工程技术有限公司，上海 200940)

0 引言

层流冷却是热连轧生产线中控制带钢卷取温度、获得理想组织和性能的一种方法，在实际生产中得到了广泛的应用。利用冷却水对精轧机出口至卷取机入口间热输出辊道上的带钢进行冷却，将带钢从终轧温度按模型控制速度冷却到卷取目标温度。层流冷却设备外形结构简单，很多问题跨越流体和传热技术，很难定位聚焦，本文总结了设计和应用中须予以重视的关键性问题、设计要点以及优化措施。

1 层冷冷却系统

层流冷却系统组成如图1所示，它主要由供水泵站系统、机旁高位水箱、层流冷却装置及控制系统等组成。供水泵站为层冷冷却系统提供水质、水温满足要求的水源；机旁高位水箱设置在供水泵站和层流冷却装置间，用于两者间水量的缓冲及均衡层冷装置沿线冷却集管水量；层流冷却装置按控制系统指令控制集管开闭，将定量的冷却水喷在带钢表面，冷却带钢；冷却水从带钢表面流至冲渣沟返回供水泵站。

图1 层流冷却系统组成

2 供水泵站系统

热轧厂水处理一般共分为A、B、C、D四个系统，其中B系统为层冷装置提供循环冷却水，是一个独立的水处理系统[1，2]。层流冷却装置水压为0.07 MPa，层流冷却侧喷水压为1.0 MPa～1.5 MPa，早期建设的热轧产线，层冷区辊道冷却水(内冷/外冷)为0.4 MPa，后期为简化泵站系统、降低建设投资，将辊道冷却水并入带钢层流冷却用水，统一采用0.07 MPa的水源。现有产线为提升冷却能力，在无法调整层冷长度的情况下[3]，采用有压射流强冷技术[4]，在0.07 MPa水源的基础上新增0.3 MPa～0.5 MPa泵站为射流强冷段提供冷却水。

3 机旁高位水箱

为解决过钢时短时大流量工况下集管供水压力的稳定问题，在层流冷却装置旁设置高位水箱。高位水箱宜采用多点供水多点出水的结构，水箱采用一根主供水管，会在低水位时引起水箱内长度方向上各出水点水量的剧烈波动。鉴于水箱及管路结构较简单，建议对高位水箱及进出水管进行水动力学试验，合理设置缓冲腔体或采用多级阻尼供水，使高位水箱内部流场更为稳定，降低出水支管紊动干扰，达到各支管供水量趋于稳定的目的。

高位水箱的有效容积需满足产线生产节奏、较厚规格低碳钢及双相钢的冷却需要，可以根据以下经验公式进行测算，公式也可用于层流冷却装置高位水箱容积和供水系统能力的匹配校核。

V=[(Qlmax-Qpmax)×(T冷+T间)]/7 200.

其中：V为高位水箱有效容积(建议控制在50 m3～80 m3为宜，水箱长度综合考虑强冷段的分布情况等)，m3；Qlmax为层流冷却装置最大用水量，m3/h；Qpmax为层流供水系统最大供水量 ，m3/h；T冷为过钢冷却时最大用水量的持续时间，s；T间为轧制间隔时间，s。

高位水箱宜采用圆形管式结构，圆形管式水箱比长方体水箱具有更高的自身强度，需要更少的支撑梁、柱和连接构件，下部支撑结构简单。从水箱截面看，圆形管式水箱体积利用率高，无效容积带来的额外载荷小，更利于增加出水口处水深，避免出水管形成涡流，高位水箱两种断面比较如图2所示。

图2 高位水箱两种断面比较

4 层流冷却装置

层流冷却装置主要由上冷却集管、下冷却集管、侧喷及吹扫和边部遮挡等组成。上冷却集管安装在热输出辊道上方，集管在液压缸的驱动下可以倾动；下冷却集管安装在输出辊道之间，通过螺栓固定在辊道架上。通过上、下冷却集管将机旁高位水箱的冷却水引导至带钢的上、下表面，侧喷及吹扫用于吹走带钢表面残留冷却水。

4.1 冷却集管

层流冷却集管根据出水管在带钢宽度、长度方向上的分布情况分为超强冷却段、常规冷却段和精冷段，如图3所示。单位面积上水柱数量越多，层流冲击区的面积比重越大，换热效率越高，冷却强度越大。上冷却集管由多根鹅颈管组成，每根冷却集管上设置有气动蝶阀，作为流量控制的最小单元和精度，调节蝶阀打开时的开度以保证组内集管流量趋于一致，上冷却集管的标定以每根冷却集管末端透明液位尺为准，每根集管液位高度一致则认为对应集管出水量一致；下冷却集管由多根与带钢走行方向呈一定角度的喷水管组成，根据每根集管的冷却强度以及与上冷却集管的冷却区域覆盖情况，每1根～3根集管由一个气动蝶阀控制开闭，由于集管距离带钢非常近，在蝶阀处设置常通旁路用于下冷却集管的冷却，下冷却集管的标定以水柱高度为准，高度一致则认为对应集管出水量一致。每个冷却段由多个成组的冷却集管组成，每组集管的供水管路上设置手动调节阀，使各组集管的流量趋于一致。

图3 层流冷却集管

流量计一般选装于每组集管进水管路上，用于检测集管工作状态，发现集管水流不正常时报警，从而提醒人工检测更换，但在流量计管路上串联自动流量调节阀参与带钢冷却的控制是与鹅颈管式层流设备的结构特点不符的，通过控制每根集管的气动蝶阀开闭实现水量调节，电动调节阀的引入影响鹅颈管水柱效果。

层冷冷却供水系统循环倍率高，水处理系统主要以调节水温和去除大的氧化铁皮颗粒及悬浮物为目的，水质较差。下冷却集管设有常通水，集管可以得到冷却;上冷却集管在蝶阀关闭时受高温带钢烘烤易形成结垢，必须加强设备管理。

为处理轧钢过程中的废钢及进行设备检修，上冷却集管均使用液压缸进行翻转，每个液压缸上设置防爆阀，以避免液压管路泄漏造成上冷却集管下落引起伤人事故。

4.2 侧喷

钢板上表面的冷却水会滞留在钢板表面，形成不稳定的过渡沸腾状态，引起带钢冷却不均匀，恶化带钢质量。因此，根据集管布置情况，每隔几组集管设置一组侧喷，将带钢上表面滞留的冷却水吹走，保持带钢表面始终为层流态的水，冷却效率高、均匀可控。随着冷却强度的提高，冷却水量越来越大，为获得更好的吹扫效果，侧喷水压力也从1 MPa、1.2 MPa逐步提升到1.5 MPa，造成侧喷水飞溅，设备腐蚀严重，辊道电机故障率高。针对飞溅现象，对集水槽进行优化，适当加高、加长集水罩，同时在罩内设置导流板来改善层冷区设备的工作环境，集水槽优化方案如图4所示。

图4 集水槽优化方案

4.3 边部遮挡

边部遮挡技术是通过减少带钢边部冷却水量减小带钢边部温降，达到带钢宽度方向温度均匀的目的。挡水板式的边部遮挡使用较为广泛，边部鹅颈管水流经挡水板收集后排放，边部带钢不进行水流的冲击传热，挡水板式边部遮挡控制与集管流量间无耦合，冷却模型变动小。为提高边部遮挡装置的使用寿命、降低故障率和维护频次，宜采用连杆结构的边部遮挡装置，传动装置设置在环境较好的轧线操作侧或尽量抬高布置，运动副及油缸驱动部件的稳定性较好。

5 层冷区电气元件

层冷区设有辊道驱动电机、气动蝶阀和高温计等电气元件。

(1)辊道电机：辊道电机长期处于高温水气及喷溅水的环境中，实践表明辊道电机须采用IP56及以上防护等级，应特别关注电机出轴处的密封形式，在唇口油封外须有甩水防水结构的密封[5]，阻断流动的水进入油封处，再利用唇口油封阻断水气。

(2)电控气动蝶阀：冷却集管每几根装有一个电控气动蝶阀，全线约300多个，为缩短阀门开闭与集管出水的时间延迟，阀门在靠近集管处安装，工作环境差，其电控部分极易发生进水故障，因此建议设置独立压缩空气管路对阀门进行正压防护。

(3)高温计：带钢温度动态闭环控制需要实测带钢温度，进行周期性的反馈计算和自适应学习[6]。带钢上表面受残留水的影响无法进行准确测量，高温计只能设置在带钢下表面两根辊道间，为便于仪表检修和单点/多点测温模式转换，应根据项目需求选用可变形的具有位置记忆功能的仪表支架。

6 结束语

本文对热轧层流技术的供水系统、层冷装置结构进行了介绍，给出了高位水箱的计算方法和设计要点，对工程中遇到的问题和改进措施做了总结。层流冷却技术是开发高附加值产品的重要环节，其工艺、设备及控制模型的开发和深入研究尚有很大的空间，层冷装置的优化升级需要流体知识的技术支撑，必须进行多专业协作，不能流于设备表观的参考和借鉴，而应借助先进的实验手段或软件对设备、管路、模型等进行优化。