改善层流冷却，提升表面质量

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在热轧板带材生产过程中，通常采用优化层流冷却技术和改善供水操作的方式，控制和提高最终产品的综合力学性能和板材板形。层流快速冷却技术应用日益普遍，成为各种轧钢生产线的必备控冷环节。


　　层流冷却技术的优点是：在其冷却过程中，从上下喷嘴流出的冷却水速度比较慢，能够形成平滑、连贯的水流，直接落到快速移动的钢材表面，形成冷却均匀的水面。然而，生产线的不同工艺参数和设备布置参数会影响冷却能力，冷却水温控制和水质不同也影响到板材质量。因此，探讨各种因素对层流冷却技术的影响具有重要意义。

　　层流冷却影响钢板性能的原因

　　在轧制后的层流冷却过程中，钢材的传热主要是空冷和水冷两部分。空冷中钢材向周围环境散发热量，主要以辐射传热为主。水冷即为中低温度的冷却水与高温的钢材开始接触时，直接碰撞引起迅速的热传递，随后在钢材表面形成蒸汽层，蒸汽层阻碍导热，属于膜态沸腾传热。当蒸汽层不再稳定地附着在钢材表面时，钢材表面重新与冷却水再接触，再次产生强烈的热传递，属于核态沸腾传热。在钢板冷却过程中奥氏体发生分解，相变潜热释放。

　　高强度钢板的控冷板形问题由钢板在冷却过程中钢板横向温度均匀性和厚度方向温度均匀性决定。温度不均匀导致相变过程不一致，冷却过程中残余应力过大，矫直温度低，钢板强度提高，使得热矫直机无法矫直，或矫直后钢板温度仍然不一致，在冷床上冷却至温度均匀时产生残余应力。

　　冷却造成板形问题的原因

　　一是横向冷却不均匀性。针对原有的上集管流量在横向上均匀分布的布置方式不利于钢板的均匀冷却的问题，为保证横向均匀冷却，通常将集管流量在横向上采用不均匀的流量设计或调节、边部遮挡、侧喷等措施。尽管这样的设计会对温度的横向均匀性有改善，但仍有部分边部遮挡不能正常投入运行，温度均匀性的问题仍然存在。

　　二是厚度方向冷却的不对称性。为保证厚度方向冷却对称，冷却过程中上下表面得到相同的冷却效果，应在冷缩过程中以及冷却的相变过程中，保证钢板变形对称，这样冷却后钢板的板形才不会发生变化。为保证钢板厚度方向的对称，对于不同厚度的钢板上下表面冷却水量比是不同的，这已经在不少中厚板卷厂和炉卷生产线的生产中得到证明。对于某一厚度的钢板，钢板上下表面冷却水量比波动范围较小，如20mm厚钢板，上下水比例为1：1.9～1：2.1。以往，一些炉卷轧线板材控冷装置上、下集管流量没有调节手段，只能靠人工进行配置，生产难度大，对不同厚度钢板无法实现厚度方向的对称冷却，导致控冷后钢板板形易瓢曲。

　　三是横向和厚度方向冷却不均匀混合。因此，控制冷却的横向均匀性和厚度方向的对称性，是控制板材平直度的主要途径，减少长度方向头尾温差也能部分有效控制板材平直度。设备问题对冷却的影响主要表现为部分集管及喷嘴堵塞情况严重。炉卷轧机层流冷却水系统设计为半过滤式，由于长期使用过程中集管干、湿条件频繁变化，冷却水中油与悬浮物的共同作用导致部分下集管生锈，结垢情况比较严重，并且下集管水柱高度参差不齐相差较大。尽管在设备检修期间，对更替的下集管采取了酸洗和清理等方法，但是由于设备设计的问题，这些问题仍然无法彻底解决。

　　层流冷却水温对板材也会造成影响。因北方季节问题和初期水系统设计工艺要求，夏季供水水温高易出现冷却效果不佳、板形瓢曲等异常，冬季水温过低、冷却过快对板形和性能也有影响。要实现高效的层流冷却工艺，可以通过对现有设备上下集管、供水管路、阀门的改造，以及增加自动化调节控制系统，来减少原设计不利于冷却的各种因素，提高层流冷却质量。

　　针对不均匀冷却进行技改

　　笔者通过生产实践的总结认为，针对造成板形问题的上述3种不均匀冷却，应实施一系列技术改进措施。通常，加密上集管由外水管、入水管和4排U型管组成，通过水箱内的阻尼机构可使集管全长上水压均匀，从而保证U型管的水流均匀，阻尼管为不锈钢材质。改变U型管喷嘴的横向间距或喷嘴直径，可以得到中凸形的横向水量分布；通过4组U型管横向位置上的交叉配置，可以改善钢板横向冷却均匀性。

　　重新设计加工制造下集管1组~6组（共36个集管），增大下集管的最大供水量，提高层流冷却系统的最大水比，提高系统的冷却能力，并保证钢板宽度方向的冷却均匀性，保证高强钢的稳定生产。在新下集管结构上作进一步改进：采用内管为不锈钢的喷孔，集管内部阻尼管采用不锈钢材质，防止结垢对水流均匀性产生影响。

　　层流系统现在采用固定上下冷却水量比（1：1）的控制方式，而且控制阀门为手动设置。这种配置对于窄板（宽度≤2000mm）和较薄板(厚度≤12mm)是合适的。但对于宽板、中厚板来说，这种控制方式已经不能保证控冷后的板形，甚至经过热矫直机矫平。而且由于冷却的不均匀，钢板到冷床后仍然会发生翘曲。

　　为保证不同厚度和宽度的钢板在不同水温条件下均匀冷却，钢板上下表面的冷却水必须能够自动调节，使上下表面对称冷却，并可以在长钢板冷却过程中补偿温降对纵向温度精度的影响。对下集管供水管路进行改造，拆除原有的流量孔板，并将管路进行改造，满足增加调节阀、提高流量计测量精度和稳定性的需要。

　　每组侧喷装置对面的防溅板须进行相应的改造，增加排水功能。根据现场情况可以考虑在防溅板上增加排水孔等措施，防止在生产高强结构钢时，侧喷装置无法将钢板上表面积水吹净，使得钢板冷却不均匀造成钢板瓢曲。新增吹扫装置布置在控冷区出口，满足高冷却速率、低终冷温度钢板控制冷却的需要。

　　优化操作减少不利影响

　　减少设备问题对层流冷却的影响值得高度重视，这可以通过优化操作来实现。首先，高位水箱为两个长27700mm、直径3000mm的罐体，有效水位为200cm（界面显示，实际最高水位250cm，最低水位50cm），高位水箱平均水位面积按135m2计算。经测试，有效水位不低于50cm时，集管流量保持设定值；当低于50cm时，集管流量衰减不能达到设定值，即水位降幅最大不超过1.5m。

　　其次，层流下集管溢流为500m3/h。层流泵供水能力：一台泵900m3/h，两台泵1700m3/h，三台泵2300m3/h，四台泵3000m3/h。所以层冷水箱泵有效补水能力为：一台泵400m3/h，两台泵1200m3/h，三台泵1800m3/h，四台泵2500m3/h。

　　再其次，满足最小溢流条件，使层冷水最大量通过自清洗过滤器，改善水质，减少水中油脂与悬浮物对喷嘴的影响，同时减少热水溢流到冷水池，降低水温。
　　另外，优化操作减少季节对水温的影响也很重要。夏季气温高冷却塔能力低，通过开启水箱泵与过滤器泵的配合，保证冷水池以低水位运行，在生产AH70DB、X70等管线钢和低碳贝氏体钢时，根据需要的低水温控制板形和性能，及时通过补充新水降低现有的系统水温，以保证生产板材的质量。

　　冬季时通过减少上塔流量，控制过滤器泵调节，保证冷水池以较高的水位运行，实现冷水池往热水池溢流。这既保证了水质，又满足了水温要求。

　　保证水质提高板材表面质量也不可忽视

　　层流水质是否达标，直接影响着板材表面质量。电导率≤1000μS/cm~1600μS/cm 、Cl-≤200mg/L~400mg/L、Ca2+≤400mg/L~600mg/L的标准是影响板材最终成材的又一因素。电导率和Cl-指标超标易造成板材表面点蚀现象；Ca2+指标超标不仅易造成层流喷嘴结垢堵塞影响板材均匀冷却，而且易造成板材表面有白色斑迹影响外观质量。通过每日对层流系统水质和新水的化验，来及时对超标的层流系统水进行新水置换，保证板材最终成型、成材。例如，在新水指标不好时，通过补充软水来保证层流系统水质始终处于标准状态下。
　　综上所述，通过对现有的设备布置进行调整，对喷淋的上下集管和下供水管进行优化改造，并增加防溅板和吹扫装置等技改措施，优化层冷供水系统的操作方式等，可以减少3种不均匀冷却对板材的影响，解决板材翘曲等板形问题，提高炉卷轧线的生产能力。严格控制层流水质，也是保证板材表面质量、稳定板材生产的重要举措。