氣霧冷卻在熱軋實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上的應(yīng)用

張芳芳

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 256414）

1 前言

近年來，隨著汽車業(yè)、建筑業(yè)的發(fā)展，用戶對(duì)以熱軋產(chǎn)品為原料的最終產(chǎn)品的組織性能提出了更高的要求，使得追求鋼鐵質(zhì)量和開發(fā)新品種成為我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重中之重。對(duì)于熱軋帶鋼而言，軋后控制冷卻對(duì)組織性能起著關(guān)鍵性作用，因?yàn)槔鋮s速度的快慢直接影響帶鋼內(nèi)部的晶相轉(zhuǎn)變及卷取溫度的高低。熱軋生產(chǎn)線上的冷卻裝置多以層流冷卻裝置為主，但是該冷卻裝置在冷卻帶肋鋼筋時(shí)，會(huì)對(duì)鋼材質(zhì)量有一定程度的影響，鋼材表面也會(huì)形成馬氏體或回火馬氏體等對(duì)焊接有害的組織。鑒于此，本熱軋?jiān)囼?yàn)軋機(jī)配置了在線氣霧冷卻裝置。汽霧冷卻技術(shù)是法國BERTIN 公司開發(fā)研制的專利技術(shù)，DAVY-CLECIM 公司具有獨(dú)家生產(chǎn)許可證。第一條生產(chǎn)線在法國GTS廠，第二條生產(chǎn)線在韓國浦項(xiàng)POSCO2#厚板廠［1］。

2 氣霧冷卻的換熱原理

氣霧冷卻是利用高壓空氣使水霧化，高壓水和高速氣流一起成霧狀噴向高溫鋼板使鋼板冷卻的方式。圖1為氣霧冷卻裝置示意圖，從圖1可以看出：氣霧冷卻裝置的上下集管分別有兩個(gè)管道分布在控冷區(qū)間兩側(cè)，一個(gè)管道輸送冷卻水，另一個(gè)管道輸送壓縮空氣。氣霧冷卻裝置采用中心進(jìn)水，兩壁進(jìn)高壓空氣的策略，噴嘴使用高位水塔供水，水壓恒定。

圖1 氣霧冷卻裝置示意圖

氣霧冷卻過程中，通過調(diào)整噴嘴的壓力或水流量，將形成的霧滴以一定速度噴射到鋼板上，霧滴在鋼板表面逐漸積累形成液膜，因此，該過程的換熱形式是沸騰換熱。根據(jù)Nukiyama等人的研究［2］，結(jié)合圖2 中飽和水在高溫鋼板上沸騰的典型曲線可知［3］，氣霧冷卻換熱形式屬于部分過渡沸騰換熱+穩(wěn)定膜態(tài)沸騰換熱。根據(jù)文獻(xiàn)分析可知［4］，氣霧冷卻大部分換熱過程屬于穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰換熱。

圖2 飽和水在水平加熱面上沸騰的典型曲線

3 氣霧冷卻裝置的冷卻能力

由于氣霧冷卻裝置的結(jié)構(gòu)由壓縮空氣和冷卻水兩部分構(gòu)成，因此可以實(shí)現(xiàn)冷卻速率在較大范圍內(nèi)可調(diào)。在不使用風(fēng)機(jī)的情況下，即單獨(dú)開啟集管即可實(shí)現(xiàn)弱水冷；若將風(fēng)機(jī)單獨(dú)打開便可實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷；若將風(fēng)機(jī)和集管同時(shí)打開便可實(shí)現(xiàn)氣霧冷卻。因此，該設(shè)備可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷、弱水冷和噴霧冷。由于噴霧比較均勻，鋼板的上下表面均采用噴霧冷卻方式，鋼板的冷卻均勻性將得到很好的保證。

3.1 氣霧冷卻裝置的水流量確定

不同的冷卻速率對(duì)產(chǎn)品性能有很大的影響，而冷卻水流量對(duì)冷卻速率起到?jīng)Q定性作用。因此，需要對(duì)每組集管進(jìn)行標(biāo)定。該氣霧冷卻集管噴嘴為等間距排成一列，有效冷卻區(qū)長(zhǎng)度為0.45 m，寬度為0.13 m，整個(gè)冷卻區(qū)共有9 組集管。根據(jù)流量標(biāo)定曲線的原理，繪制氣霧冷卻裝置的開口度-流量曲線，如圖3所示。圖中數(shù)字1～9表示9組集管的開口度-流量曲線。

圖3 氣霧冷卻裝置集管流量曲線

從圖3 可以看出，雖然集管的噴嘴結(jié)構(gòu)相同，但是相同開口度對(duì)應(yīng)的流量也不相同。從開口度-流量曲線的趨勢(shì)中可以看出，盡管相同開口度對(duì)應(yīng)的流量不同，但是在集管開口度20%～60%范圍內(nèi)開口度-流量曲線成線性變化，這也是氣霧冷卻裝置使用的流量范圍。

3.2 氣霧冷卻設(shè)備實(shí)測(cè)冷卻速率

從冷卻裝置的結(jié)構(gòu)可以看出，氣霧冷卻裝置的供水系統(tǒng)和層流冷卻裝置的供水系統(tǒng)并無太大區(qū)別。但是氣霧冷卻和層流冷卻的最大區(qū)別在于層流冷卻裝置的冷卻水是連續(xù)的、不斷流的，而氣霧冷卻的冷卻水可以斷流，所以，氣霧冷卻使用的水量范圍比層流冷卻的水量小。

從氣霧冷卻設(shè)備的原理和換熱基本原理可知，若氣霧冷卻的水流量太大，壓縮空氣不足以將冷卻水打成霧狀，因此氣霧冷卻的流量不會(huì)太大，其冷卻能力范圍介于空冷和層流冷卻之間。為了測(cè)試該實(shí)驗(yàn)軋機(jī)的冷卻能力，采用最大水流量及最小水流量分別對(duì)厚度為10、20、30 mm的鋼板進(jìn)行冷卻，其冷卻能力范圍如表1、表2 所示。將其繪制成冷卻速率-厚度曲線，如圖4所示，圖中陰影部分為氣霧冷卻技術(shù)的冷卻能力范圍。

表1 氣霧冷卻裝置的最大冷卻速率

表2 氣霧冷卻裝置的最小冷卻速率

由于氣霧冷卻的冷卻速率對(duì)鋼板的組織性能產(chǎn)生很大的影響，而且掌握設(shè)備的冷卻速率對(duì)今后實(shí)驗(yàn)有重要的指導(dǎo)意義。根據(jù)表1、2 繪制氣霧冷卻模式的冷卻速率-厚度曲線，如圖4 所示。曲線中陰影部分為氣霧冷卻裝置的冷卻速率范圍，在該范圍內(nèi)冷卻速率連續(xù)可調(diào)。

圖4 氣霧冷卻模式的冷卻速率-厚度曲線

4 氣霧冷卻裝置冷卻模式的應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼鐵材料的綜合性能不斷提高，對(duì)熱軋后的冷卻提出了更高的要求，其中氣霧冷卻是模具鋼在線淬火的最佳選擇［5］。計(jì)算機(jī)技術(shù)和高精度的控制技術(shù)加速了氣霧冷卻技術(shù)的推廣應(yīng)用，其冷卻策略也不再單一。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的冷卻能力將氣霧冷卻系統(tǒng)分為前段主冷模式、后段主冷模式、稀疏冷卻模式等3種冷卻策略。

4.1 前段主冷模式

鋼板需要在高溫區(qū)快速降溫冷卻時(shí)采用前段主冷模式。此時(shí)，根據(jù)氣霧冷卻模型計(jì)算出到達(dá)終冷溫度所需開啟的集管組數(shù)，由起始閥門開始，沿控冷方向依次將所需的閥門打開，實(shí)現(xiàn)前段主冷模式。前段主冷的集管分配如圖5所示。

圖5 前段主冷模式示意圖

4.2 后段主冷模式

鋼板在低溫區(qū)快速降溫時(shí)采用后段主冷冷卻模式?？刂葡到y(tǒng)將出口區(qū)第一組集管作為起始閥門，根據(jù)氣霧模型計(jì)算出所需冷卻區(qū)長(zhǎng)度來確定打開閥門的組數(shù)，由起始閥門開始，沿與控冷方向相反的方向依次將所需的閥門打開，實(shí)現(xiàn)后段主冷控制模式，集管開啟狀態(tài)如圖6所示。

圖6 后段主冷模式示意圖

4.3 稀疏冷卻模式

當(dāng)鋼板在不同溫度段需要不同的冷卻強(qiáng)度時(shí)，可采用按組冷卻和按組空冷的交替冷卻模式，即稀疏冷卻模式。由于氣霧冷卻的冷卻能力較低，可將2 個(gè)集管組為一個(gè)控制子區(qū)。采用稀疏冷卻模式時(shí)，根據(jù)模型算出的所需冷卻長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果，來確定所需的控制子區(qū)數(shù)以及每組集管的流量值，起始閥門根據(jù)實(shí)際情況而定，其集管開閉狀態(tài)見圖7。

圖7 稀疏冷卻模式示意圖

由氣霧冷卻策略定義可以看出，前段主冷模式在前段的冷卻速率較大，后段主要以空冷為主；后段主冷模式在前段主要以熱輻射進(jìn)行熱交換，其冷卻速率在后段較大；而稀疏冷卻的冷卻速率在整個(gè)冷卻區(qū)成線性變化。不同冷卻模式的鋼板溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。

圖8 不同冷卻策略下的溫度-時(shí)間曲線

5 結(jié)語

結(jié)合某高校熱軋實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在學(xué)習(xí)研究氣霧冷卻理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，著重以冷卻裝置為研究對(duì)象，確定了氣霧冷卻裝置的冷卻能力并進(jìn)行產(chǎn)品試制試驗(yàn)，并得出以下結(jié)論：（1）通過反復(fù)測(cè)試并結(jié)合流量標(biāo)定原理繪制出各集管的流量-開口度曲線，為氣霧冷卻模型提供基本的水系統(tǒng)能力參數(shù)，并確定了冷卻水的最大流量為146 m3/h。（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)得氣霧冷卻模式條件下的最大和最小冷卻速率，繪制了冷卻速率范圍曲線，對(duì)于厚度為10 mm的鋼板，9組集管全部投入使用時(shí)的最大冷卻速率為61.2 ℃/s，最小冷卻速率為11.5 ℃/s，可實(shí)現(xiàn)冷卻速率在一個(gè)較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，滿足新鋼種開發(fā)的需求。（3）根據(jù)冷卻裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及冷卻能力，獲得了3種不同的冷卻策略，即前段主冷模式、后段主冷模式和稀疏冷卻模式，可滿足不同鋼種冷卻的需求。