熱連軋層流冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

鄒中升

(中冶賽迪上海工程技術(shù)有限公司，上海 200940)

0 引言

層流冷卻是熱連軋生產(chǎn)線中控制帶鋼卷取溫度、獲得理想組織和性能的一種方法，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。利用冷卻水對精軋機(jī)出口至卷取機(jī)入口間熱輸出輥道上的帶鋼進(jìn)行冷卻，將帶鋼從終軋溫度按模型控制速度冷卻到卷取目標(biāo)溫度。層流冷卻設(shè)備外形結(jié)構(gòu)簡單，很多問題跨越流體和傳熱技術(shù)，很難定位聚焦，本文總結(jié)了設(shè)計(jì)和應(yīng)用中須予以重視的關(guān)鍵性問題、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及優(yōu)化措施。

1 層冷冷卻系統(tǒng)

層流冷卻系統(tǒng)組成如圖1所示，它主要由供水泵站系統(tǒng)、機(jī)旁高位水箱、層流冷卻裝置及控制系統(tǒng)等組成。供水泵站為層冷冷卻系統(tǒng)提供水質(zhì)、水溫滿足要求的水源；機(jī)旁高位水箱設(shè)置在供水泵站和層流冷卻裝置間，用于兩者間水量的緩沖及均衡層冷裝置沿線冷卻集管水量；層流冷卻裝置按控制系統(tǒng)指令控制集管開閉，將定量的冷卻水噴在帶鋼表面，冷卻帶鋼；冷卻水從帶鋼表面流至沖渣溝返回供水泵站。

圖1 層流冷卻系統(tǒng)組成

2 供水泵站系統(tǒng)

熱軋廠水處理一般共分為A、B、C、D四個系統(tǒng)，其中B系統(tǒng)為層冷裝置提供循環(huán)冷卻水，是一個獨(dú)立的水處理系統(tǒng)[1，2]。層流冷卻裝置水壓為0.07 MPa，層流冷卻側(cè)噴水壓為1.0 MPa～1.5 MPa，早期建設(shè)的熱軋產(chǎn)線，層冷區(qū)輥道冷卻水(內(nèi)冷/外冷)為0.4 MPa，后期為簡化泵站系統(tǒng)、降低建設(shè)投資，將輥道冷卻水并入帶鋼層流冷卻用水，統(tǒng)一采用0.07 MPa的水源?，F(xiàn)有產(chǎn)線為提升冷卻能力，在無法調(diào)整層冷長度的情況下[3]，采用有壓射流強(qiáng)冷技術(shù)[4]，在0.07 MPa水源的基礎(chǔ)上新增0.3 MPa～0.5 MPa泵站為射流強(qiáng)冷段提供冷卻水。

3 機(jī)旁高位水箱

為解決過鋼時短時大流量工況下集管供水壓力的穩(wěn)定問題，在層流冷卻裝置旁設(shè)置高位水箱。高位水箱宜采用多點(diǎn)供水多點(diǎn)出水的結(jié)構(gòu)，水箱采用一根主供水管，會在低水位時引起水箱內(nèi)長度方向上各出水點(diǎn)水量的劇烈波動。鑒于水箱及管路結(jié)構(gòu)較簡單，建議對高位水箱及進(jìn)出水管進(jìn)行水動力學(xué)試驗(yàn)，合理設(shè)置緩沖腔體或采用多級阻尼供水，使高位水箱內(nèi)部流場更為穩(wěn)定，降低出水支管紊動干擾，達(dá)到各支管供水量趨于穩(wěn)定的目的。

高位水箱的有效容積需滿足產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)奏、較厚規(guī)格低碳鋼及雙相鋼的冷卻需要，可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行測算，公式也可用于層流冷卻裝置高位水箱容積和供水系統(tǒng)能力的匹配校核。

V=[(Qlmax-Qpmax)×(T冷+T間)]/7 200.

其中：V為高位水箱有效容積(建議控制在50 m3～80 m3為宜，水箱長度綜合考慮強(qiáng)冷段的分布情況等)，m3；Qlmax為層流冷卻裝置最大用水量，m3/h；Qpmax為層流供水系統(tǒng)最大供水量 ，m3/h；T冷為過鋼冷卻時最大用水量的持續(xù)時間，s；T間為軋制間隔時間，s。

高位水箱宜采用圓形管式結(jié)構(gòu)，圓形管式水箱比長方體水箱具有更高的自身強(qiáng)度，需要更少的支撐梁、柱和連接構(gòu)件，下部支撐結(jié)構(gòu)簡單。從水箱截面看，圓形管式水箱體積利用率高，無效容積帶來的額外載荷小，更利于增加出水口處水深，避免出水管形成渦流，高位水箱兩種斷面比較如圖2所示。

圖2 高位水箱兩種斷面比較

4 層流冷卻裝置

層流冷卻裝置主要由上冷卻集管、下冷卻集管、側(cè)噴及吹掃和邊部遮擋等組成。上冷卻集管安裝在熱輸出輥道上方，集管在液壓缸的驅(qū)動下可以傾動；下冷卻集管安裝在輸出輥道之間，通過螺栓固定在輥道架上。通過上、下冷卻集管將機(jī)旁高位水箱的冷卻水引導(dǎo)至帶鋼的上、下表面，側(cè)噴及吹掃用于吹走帶鋼表面殘留冷卻水。

4.1 冷卻集管

層流冷卻集管根據(jù)出水管在帶鋼寬度、長度方向上的分布情況分為超強(qiáng)冷卻段、常規(guī)冷卻段和精冷段，如圖3所示。單位面積上水柱數(shù)量越多，層流沖擊區(qū)的面積比重越大，換熱效率越高，冷卻強(qiáng)度越大。上冷卻集管由多根鵝頸管組成，每根冷卻集管上設(shè)置有氣動蝶閥，作為流量控制的最小單元和精度，調(diào)節(jié)蝶閥打開時的開度以保證組內(nèi)集管流量趨于一致，上冷卻集管的標(biāo)定以每根冷卻集管末端透明液位尺為準(zhǔn)，每根集管液位高度一致則認(rèn)為對應(yīng)集管出水量一致；下冷卻集管由多根與帶鋼走行方向呈一定角度的噴水管組成，根據(jù)每根集管的冷卻強(qiáng)度以及與上冷卻集管的冷卻區(qū)域覆蓋情況，每1根～3根集管由一個氣動蝶閥控制開閉，由于集管距離帶鋼非常近，在蝶閥處設(shè)置常通旁路用于下冷卻集管的冷卻，下冷卻集管的標(biāo)定以水柱高度為準(zhǔn)，高度一致則認(rèn)為對應(yīng)集管出水量一致。每個冷卻段由多個成組的冷卻集管組成，每組集管的供水管路上設(shè)置手動調(diào)節(jié)閥，使各組集管的流量趨于一致。

圖3 層流冷卻集管

流量計(jì)一般選裝于每組集管進(jìn)水管路上，用于檢測集管工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)集管水流不正常時報(bào)警，從而提醒人工檢測更換，但在流量計(jì)管路上串聯(lián)自動流量調(diào)節(jié)閥參與帶鋼冷卻的控制是與鵝頸管式層流設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不符的，通過控制每根集管的氣動蝶閥開閉實(shí)現(xiàn)水量調(diào)節(jié)，電動調(diào)節(jié)閥的引入影響鵝頸管水柱效果。

層冷冷卻供水系統(tǒng)循環(huán)倍率高，水處理系統(tǒng)主要以調(diào)節(jié)水溫和去除大的氧化鐵皮顆粒及懸浮物為目的，水質(zhì)較差。下冷卻集管設(shè)有常通水，集管可以得到冷卻;上冷卻集管在蝶閥關(guān)閉時受高溫帶鋼烘烤易形成結(jié)垢，必須加強(qiáng)設(shè)備管理。

為處理軋鋼過程中的廢鋼及進(jìn)行設(shè)備檢修，上冷卻集管均使用液壓缸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，每個液壓缸上設(shè)置防爆閥，以避免液壓管路泄漏造成上冷卻集管下落引起傷人事故。

4.2 側(cè)噴

鋼板上表面的冷卻水會滯留在鋼板表面，形成不穩(wěn)定的過渡沸騰狀態(tài)，引起帶鋼冷卻不均勻，惡化帶鋼質(zhì)量。因此，根據(jù)集管布置情況，每隔幾組集管設(shè)置一組側(cè)噴，將帶鋼上表面滯留的冷卻水吹走，保持帶鋼表面始終為層流態(tài)的水，冷卻效率高、均勻可控。隨著冷卻強(qiáng)度的提高，冷卻水量越來越大，為獲得更好的吹掃效果，側(cè)噴水壓力也從1 MPa、1.2 MPa逐步提升到1.5 MPa，造成側(cè)噴水飛濺，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，輥道電機(jī)故障率高。針對飛濺現(xiàn)象，對集水槽進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)加高、加長集水罩，同時在罩內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板來改善層冷區(qū)設(shè)備的工作環(huán)境，集水槽優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 集水槽優(yōu)化方案

4.3 邊部遮擋

邊部遮擋技術(shù)是通過減少帶鋼邊部冷卻水量減小帶鋼邊部溫降，達(dá)到帶鋼寬度方向溫度均勻的目的。擋水板式的邊部遮擋使用較為廣泛，邊部鵝頸管水流經(jīng)擋水板收集后排放，邊部帶鋼不進(jìn)行水流的沖擊傳熱，擋水板式邊部遮擋控制與集管流量間無耦合，冷卻模型變動小。為提高邊部遮擋裝置的使用壽命、降低故障率和維護(hù)頻次，宜采用連桿結(jié)構(gòu)的邊部遮擋裝置，傳動裝置設(shè)置在環(huán)境較好的軋線操作側(cè)或盡量抬高布置，運(yùn)動副及油缸驅(qū)動部件的穩(wěn)定性較好。

5 層冷區(qū)電氣元件

層冷區(qū)設(shè)有輥道驅(qū)動電機(jī)、氣動蝶閥和高溫計(jì)等電氣元件。

(1)輥道電機(jī)：輥道電機(jī)長期處于高溫水氣及噴濺水的環(huán)境中，實(shí)踐表明輥道電機(jī)須采用IP56及以上防護(hù)等級，應(yīng)特別關(guān)注電機(jī)出軸處的密封形式，在唇口油封外須有甩水防水結(jié)構(gòu)的密封[5]，阻斷流動的水進(jìn)入油封處，再利用唇口油封阻斷水氣。

(2)電控氣動蝶閥：冷卻集管每幾根裝有一個電控氣動蝶閥，全線約300多個，為縮短閥門開閉與集管出水的時間延遲，閥門在靠近集管處安裝，工作環(huán)境差，其電控部分極易發(fā)生進(jìn)水故障，因此建議設(shè)置獨(dú)立壓縮空氣管路對閥門進(jìn)行正壓防護(hù)。

(3)高溫計(jì)：帶鋼溫度動態(tài)閉環(huán)控制需要實(shí)測帶鋼溫度，進(jìn)行周期性的反饋計(jì)算和自適應(yīng)學(xué)習(xí)[6]。帶鋼上表面受殘留水的影響無法進(jìn)行準(zhǔn)確測量，高溫計(jì)只能設(shè)置在帶鋼下表面兩根輥道間，為便于儀表檢修和單點(diǎn)/多點(diǎn)測溫模式轉(zhuǎn)換，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需求選用可變形的具有位置記憶功能的儀表支架。

6 結(jié)束語

本文對熱軋層流技術(shù)的供水系統(tǒng)、層冷裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，給出了高位水箱的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對工程中遇到的問題和改進(jìn)措施做了總結(jié)。層流冷卻技術(shù)是開發(fā)高附加值產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)，其工藝、設(shè)備及控制模型的開發(fā)和深入研究尚有很大的空間，層冷裝置的優(yōu)化升級需要流體知識的技術(shù)支撐，必須進(jìn)行多專業(yè)協(xié)作，不能流于設(shè)備表觀的參考和借鑒，而應(yīng)借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段或軟件對設(shè)備、管路、模型等進(jìn)行優(yōu)化。