改善層流冷卻，提升表面質量

在熱軋板帶材生產過程中，通常採用優化層流冷卻技術和改善供水操作的方式，控制和提高最終產品的綜合力學性能和板材板形。層流快速冷卻技術應用日益普遍，成為各種軋鋼生產線的必備控冷環節。

層流冷卻技術的優點是：在其冷卻過程中，從上下噴嘴流出的冷卻水速度比較慢，能夠形成平滑、連貫的水流，直接落到快速移動的鋼材表面，形成冷卻均勻的水面。然而，生產線的不同工藝參數和設備布置參數會影響冷卻能力，冷卻水溫控制和水質不同也影響到板材質量。因此，探討各種因素對層流冷卻技術的影響具有重要意義。

層流冷卻影響鋼板性能的原因

在軋制後的層流冷卻過程中，鋼材的傳熱主要是空冷和水冷兩部分。空冷中鋼材向周圍環境散發熱量，主要以輻射傳熱為主。水冷即為中低溫度的冷卻水與高溫的鋼材開始接觸時，直接碰撞引起迅速的熱傳遞，隨後在鋼材表面形成蒸汽層，蒸汽層阻礙導熱，屬於膜態沸騰傳熱。當蒸汽層不再穩定地附著在鋼材表面時，鋼材表面重新與冷卻水再接觸，再次產生強烈的熱傳遞，屬於核態沸騰傳熱。在鋼板冷卻過程中奧氏體發生分解，相變潛熱釋放。

高強度鋼板的控冷板形問題由鋼板在冷卻過程中鋼板橫向溫度均勻性和厚度方向溫度均勻性決定。溫度不均勻導致相變過程不一致，冷卻過程中殘餘應力過大，矯直溫度低，鋼板強度提高，使得熱矯直機無法矯直，或矯直後鋼板溫度仍然不一致，在冷床上冷卻至溫度均勻時產生殘餘應力。

冷卻造成板形問題的原因

一是橫向冷卻不均勻性。針對原有的上集管流量在橫向上均勻分布的布置方式不利於鋼板的均勻冷卻的問題，為保證橫向均勻冷卻，通常將集管流量在橫向上採用不均勻的流量設計或調節、邊部遮擋、側噴等措施。儘管這樣的設計會對溫度的橫向均勻性有改善，但仍有部分邊部遮擋不能正常投入運行，溫度均勻性的問題仍然存在。

二是厚度方向冷卻的不對稱性。為保證厚度方向冷卻對稱，冷卻過程中上下表面得到相同的冷卻效果，應在冷縮過程中以及冷卻的相變過程中，保證鋼板變形對稱，這樣冷卻後鋼板的板形才不會發生變化。為保證鋼板厚度方向的對稱，對於不同厚度的鋼板上下表面冷卻水量比是不同的，這已經在不少中厚板卷廠和爐卷生產線的生產中得到證明。對於某一厚度的鋼板，鋼板上下表面冷卻水量比波動範圍較小，如20mm厚鋼板，上下水比例為1：1.9～1：2.1。以往，一些爐卷軋線板材控冷裝置上、下集管流量沒有調節手段，只能靠人工進行配置，生產難度大，對不同厚度鋼板無法實現厚度方向的對稱冷卻，導致控冷後鋼板板形易瓢曲。

三是橫向和厚度方向冷卻不均勻混合。因此，控制冷卻的橫向均勻性和厚度方向的對稱性，是控制板材平直度的主要途徑，減少長度方向頭尾溫差也能部分有效控制板材平直度。設備問題對冷卻的影響主要表現為部分集管及噴嘴堵塞情況嚴重。爐卷軋機層流冷卻水系統設計為半過濾式，由於長期使用過程中集管幹、濕條件頻繁變化，冷卻水中油與懸浮物的共同作用導致部分下集管生鏽，結垢情況比較嚴重，並且下集管水柱高度參差不齊相差較大。儘管在設備檢修期間，對更替的下集管採取了酸洗和清理等方法，但是由於設備設計的問題，這些問題仍然無法徹底解決。

層流冷卻水溫對板材也會造成影響。因北方季節問題和初期水系統設計工藝要求，夏季供水水溫高易出現冷卻效果不佳、板形瓢曲等異常，冬季水溫過低、冷卻過快對板形和性能也有影響。要實現高效的層流冷卻工藝，可以通過對現有設備上下集管、供水管路、閥門的改造，以及增加自動化調節控制系統，來減少原設計不利於冷卻的各種因素，提高層流冷卻質量。

針對不均勻冷卻進行技改

筆者通過生產實踐的總結認為，針對造成板形問題的上述3種不均勻冷卻，應實施一系列技術改進措施。通常，加密上集管由外水管、入水管和4排U型管組成，通過水箱內的阻尼機構可使集管全長上水壓均勻，從而保證U型管的水流均勻，阻尼管為不鏽鋼材質。改變U型管噴嘴的橫向間距或噴嘴直徑，可以得到中凸形的橫向水量分布；通過4組U型管橫向位置上的交叉配置，可以改善鋼板橫向冷卻均勻性。

重新設計加工製造下集管1組~6組（共36個集管），增大下集管的最大供水量，提高層流冷卻系統的最大水比，提高系統的冷卻能力，並保證鋼板寬度方向的冷卻均勻性，保證高強鋼的穩定生產。在新下集管結構上作進一步改進：採用內管為不鏽鋼的噴孔，集管內部阻尼管採用不鏽鋼材質，防止結垢對水流均勻性產生影響。

層流系統現在採用固定上下冷卻水量比（1：1）的控制方式，而且控制閥門為手動設置。這種配置對於窄板（寬度≤2000mm）和較薄板(厚度≤12mm)是合適的。但對於寬板、中厚板來說，這種控制方式已經不能保證控冷後的板形，甚至經過熱矯直機矯平。而且由於冷卻的不均勻，鋼板到冷床後仍然會發生翹曲。

為保證不同厚度和寬度的鋼板在不同水溫條件下均勻冷卻，鋼板上下表面的冷卻水必須能夠自動調節，使上下表面對稱冷卻，並可以在長鋼板冷卻過程中補償溫降對縱向溫度精度的影響。對下集管供水管路進行改造，拆除原有的流量孔板，並將管路進行改造，滿足增加調節閥、提高流量計測量精度和穩定性的需要。

每組側噴裝置對面的防濺板須進行相應的改造，增加排水功能。根據現場情況可以考慮在防濺板上增加排水孔等措施，防止在生產高強結構鋼時，側噴裝置無法將鋼板上表面積水吹凈，使得鋼板冷卻不均勻造成鋼板瓢曲。新增吹掃裝置布置在控冷區出口，滿足高冷卻速率、低終冷溫度鋼板控制冷卻的需要。

優化操作減少不利影響

減少設備問題對層流冷卻的影響值得高度重視，這可以通過優化操作來實現。首先，高位水箱為兩個長27700mm、直徑3000mm的罐體，有效水位為200cm（界面顯示，實際最高水位250cm，最低水位50cm），高位水箱平均水位面積按135m2計算。經測試，有效水位不低於50cm時，集管流量保持設定值；當低於50cm時，集管流量衰減不能達到設定值，即水位降幅最大不超過1.5m。

其次，層流下集管溢流為500m3/h。層流泵供水能力：一台泵900m3/h，兩台泵1700m3/h，三台泵2300m3/h，四台泵3000m3/h。所以層冷水箱泵有效補水能力為：一台泵400m3/h，兩台泵1200m3/h，三台泵1800m3/h，四台泵2500m3/h。

再其次，滿足最小溢流條件，使層冷水最大量通過自清洗過濾器，改善水質，減少水中油脂與懸浮物對噴嘴的影響，同時減少熱水溢流到冷水池，降低水溫。

另外，優化操作減少季節對水溫的影響也很重要。夏季氣溫高冷卻塔能力低，通過開啟水箱泵與過濾器泵的配合，保證冷水池以低水位運行，在生產AH70DB、X70等管線鋼和低碳貝氏體鋼時，根據需要的低水溫控制板形和性能，及時通過補充新水降低現有的系統水溫，以保證生產板材的質量。

冬季時通過減少上塔流量，控制過濾器泵調節，保證冷水池以較高的水位運行，實現冷水池往熱水池溢流。這既保證了水質，又滿足了水溫要求。

保證水質提高板材表面質量也不可忽視

層流水質是否達標，直接影響著板材表面質量。電導率≤1000μS/cm~1600μS/cm 、Cl-≤200mg/L~400mg/L、Ca2+≤400mg/L~600mg/L的標準是影響板材最終成材的又一因素。電導率和Cl-指標超標易造成板材表面點蝕現象；Ca2+指標超標不僅易造成層流噴嘴結垢堵塞影響板材均勻冷卻，而且易造成板材表面有白色斑跡影響外觀質量。通過每日對層流系統水質和新水的化驗，來及時對超標的層流系統水進行新水置換，保證板材最終成型、成材。例如，在新水指標不好時，通過補充軟水來保證層流系統水質始終處於標準狀態下。

綜上所述，通過對現有的設備布置進行調整，對噴淋的上下集管和下供水管進行優化改造，並增加防濺板和吹掃裝置等技改措施，優化層冷供水系統的操作方式等，可以減少3種不均勻冷卻對板材的影響，解決板材翹曲等板形問題，提高爐卷軋線的生產能力。嚴格控制層流水質，也是保證板材表面質量、穩定板材生產的重要舉措。

（via 中國冶金報）

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