层流冷却装置节能改造实践

赵富强，喇思兰，李凌宇

（中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066000）

今年以来，“碳达峰、碳中和”的目标向世界吹响了中国节能减排的号角，各企业都在走节能降耗、绿色发展之路。轧钢厂在轧制过程中要消耗大量水，在设计或改造中如何节约用水、减少耗水量成为研究和亟待解决的问题。在热轧带钢生产线上，带钢轧后冷却用水是全线设备用水系统中最大的一个系统。热轧带钢的卷取温度是影响成品带钢性能的重要工艺参数之一[1]。热轧带钢的终轧温度一般为850～950 ℃，为了使带钢获得良好的组织性能，带钢的卷取温度必须控制在550～650 ℃。从精轧机末机架至卷取机必须对带钢进行冷却，带钢要在5～20 s之内通过该区域，使高温的带钢降温300 ℃左右。常用的带钢轧后冷却装置有层流冷却、水幕冷却、高压喷水冷却等形式，其中层流冷却采用低压大水量的高效冷却工艺，冷却精度高，工艺成熟，是目前在板材轧机轧后冷却工序中应用较多的一种冷却方式[2]。

1 层流冷却原理

层流供水泵站通过供水泵组将水送至高位水箱，高位水箱中的水通过重力供给层流集管，这样水就从一定高度降落到带钢表面，使带钢表面覆盖一层最佳厚度的水层，然后通过热交换原理，使带钢迅速冷却到所需的卷取温度。具体的方法就是，层流冷却装置采用低压大水量将水附于带钢表面，形成薄薄的一层水膜，随着带钢的前行，由侧喷水吹动水膜，使其不断更新，从而带走大量的热，以此达到冷却效果。

2 层流冷却水循环原理

层流冷却用水特点是水压低、流量大、水压稳定、水流为层流，因此，供水系统应根据层流冷却的特点来配置[3]。目前层流供水系统选用配置方式为泵+机旁高位水箱的供水系统。根据轧制的钢种、成品规格、带钢温度、轧制速度等工艺参数，合理配置层流冷却供水系统，通过高位水箱稳定水压和调节水量，实现带钢冷却温度的精准控制。

层流冷却水循环原理：冷却完带钢的水水温升高，并含有极少量的氧化铁皮，经冲渣沟自流至层流泵站热水池，其中部分（或全部）热回水经泵加压后送至过滤器进行过滤，除去水中的悬浮物，过滤后的回水利用余压上冷却塔冷却，然后自流至层流泵站冷水池；其余热水经提升泵送入冷水池，混合后的水经过层流供水泵送至车间的高位水箱，供层流装置使用，而高位水箱中多余的水通过其溢流管，流入冲渣沟后进入层流泵站热水池。水质是影响带钢表面质量的重要因素之一，因此在水循环系统中设置过滤器来净化水质。通过对各大钢铁企业调查发现，大部分企业采用50%的热回水过滤，还有少部分的企业采用100%的热回水过滤。其工艺流程如图1 所示。

图1 层流冷却水循环工艺流程图

3 层流冷却自动控制

在正常的轧钢生产中，在过程自动化系统和基础自动化系统的控制下，根据带钢精轧出口速度、温度、厚度和目标卷取温度等数据以及工艺设备参数，经过层冷模型运算（包括计算准备处理、预设定计算、修正设定计算和自学习计算），控制层流冷却区冷却设备集管的开闭，从而实现对带钢的冷却模式、卷取温度和冷却速率的控制，可将热轧带钢按预定路径冷却到工艺要求的卷取温度。

4 层流冷却泵组供水存在的问题

在正常的轧钢生产中，层流供水泵组根据生产工艺确定的水量向高位水箱不间断补水，过钢时，高位水箱向层流集管供水，当钢的尾部离开层流区，而下一块带钢还没到达层流区时，这段间隙层流供水泵组在不断地补水，高位水箱的水位不断上升，当超过高位水箱溢流至隔板时，高位水箱的水将通过溢流管排到冲渣沟。即使供水泵组采用变频泵，通过变频来调节水量大小，并满足层流冷却设备的用水，但若水箱的补水量赶不上出水量，则水箱水位降低，水的喷射压力下降，就不能保证层流集管的供水要求。因此，供水泵组的能力必须大于生产设备消耗水量，这就导致实际生产中高位水箱仍然存在大量的水溢流。

5 改造后的层流冷却水循环系统

通过上述分析可知，即使现在的自动化程度控制很好，高位水箱仍然存在大量的溢流水，而溢流的这部分水是经过二次过滤处理的，这样就额外加大了高速过滤器的处理能力，还增加了加压泵组能力。

改进后的层流冷却水循环系统如图2 所示，新系统将高位水箱的溢流管直接引至层流冷水池，这样就避免了处理后的水经过二次处理，既减轻了高速过滤器的处理能力，又减少了加压泵组能力。

图2 改造后的层流冷却水循环工艺流程图

6 经济效益分析

以某钢厂为例，已知轧制时间为90 s，间隙时间为15 s，年工作时间为6 500 h，层流冷却循环总水量为6 017 m3/h，每台高位水箱有2 根溢流管，管径DN=400 mm，共2 台高位水箱，为简化对比，只考虑加压泵组的电耗。

采用常规的层流冷却水循环系统，选用的设备如下：加压泵组流量Q=3 240 m3/h，扬程H=37 m，电机功率N＝450kW，开2 备1；加压泵组年电耗=450kW×2×6 500 h=5.85×106kW·h。

采用改进的层流冷却水循环系统，假设一个轧制周期中15 s 间隙时间为溢流管排水时间，DN=400 mm的溢流管，充满度按50%计算，流量约200 t/h，4 根溢流管合计约800 t/h，那么加压泵组的供水量为5 217 m3/h，选用的设备如下：加压泵组流量Q=2 850 m3/h，扬程H=35 m，电机功率N＝400 kW，开2 备1；加压泵组年电耗=400 kW×2×6 500 h=5.2×106kW·h。

采用改进的层流冷却水循环系统，可使加压泵组年电耗节约6.5×105kW·h。

7 结论

1）从水质方面考虑，高位水箱的溢流水是经过处理的达标水质，将其直接引至冷水池后提供至高位水箱，对水质无影响。

2）从水量方面考虑，高位水箱的溢流水本身是因为供水泵组能力在正常轧钢间隙时补水量超过水箱出水量而采用的一种保护措施，但这种保护措施会导致水资源的浪费，而将其进行有效利用不会影响层流设备供水量的平衡关系。

3）从节约水资源方面考虑，通过本次改造，这部分溢流水得到了有效利用。

4）从经济效益方面考虑，采用本方案改造后的层流供水系统，层流泵组供水能力减小，高速过滤器处理能力也减小，设备一次性投资降低；从长期运行来说，将会给企业带来很大的经济效益，为推动企业的节能降耗提供强有力支持。