热轧厂层流冷却装置改造中的设备设计

· 16 · 钢 铁 技 术 2004年第1期 ·冶金设备·

热轧厂层流冷却装置改造中的设备设计

陆大成潘光明

(中冶赛迪公司设备设计室, 重庆400013)

【摘 要】针对热轧厂层流冷却在带钢热轧生产线上的重要作用，根据层流冷却的工作原理，对热轧生产线层流冷却装置的结构、集管布置技术要求进行了深入的论述和探讨。并结合某热轧厂的设备设计工作对层流冷却系统的层流模型进行了理论计算，同时通过对原有层流冷却系统的改造，取得了满意的效果。这对以后热轧层流冷却系统的设计及改造具有很好的指导意义。

【关键词】热轧带钢轧机 层流冷却 计算机控制

1 概述

层流冷却装置是热轧带钢生产的关键设备，它的作用是为了获得合适的带钢卷取温度和控制带钢最终的机械性能。层流冷却的能力、冷却强度、冷却速度、终冷温度的控制精度都直接影响到最终产品的质量和性能。要想得到机械性能良好的带钢，必须使带钢在热输出辊道上高速运行的过程中由终轧温度900°C左右迅速冷却到卷取温度550°C至600°C。而带钢上的一点在热输出辊道上运行的时间只有10 s～50 s左右，只有安装层流冷却装置才能实现上述要求。因此，对层流冷却设备的研究与应用已成了热带钢连轧机中的必要环节，在国内外冶金领域被普遍重视。

2 层流冷却工作原理

带钢层流冷却装置基本工作原理是使带钢表面上覆盖一层最佳厚度的水量，利用热交换原理使带钢冷却到卷取温度。所采用的具体方式是使低压力、大水量的冷却水平稳地流向带钢表面，冲破热带钢表面的蒸汽膜，随后紧紧地贴附在带钢表面而不飞溅。这些柱状水流接触带钢表面后有一定的方向性，当冷却水吸收一定热量而随带钢前进一段距离后，侧喷嘴喷出的高压水使冷却水不断更新，从而带走了大量的热量。下部冷却是采用喷射的形式并与上部冷却相对应同步进行。为了使用最佳供水量和提高冷却精度，在国内外普遍采用了计算机控制的层流冷却设备，以满足轧制速度日益提高、产量大幅增加的需要，

同时也保证了产品的质量。

在使用层流冷却装置进行温度控制的过程

中，影响温降的因素很多，所以要求层流冷却装

置的上、下喷水段及喷水冷却组的水量和水压相

对稳定，供水总管的压力与流量也要相对稳定。

其次，要求侧喷水、辊道的冷却水等的水压和流

量也要相对稳定。这样才能尽可能减少层流冷却

的变化因素。为了保证水压的稳定，现在热轧厂

广泛采用的是机旁高位水箱型式，采用这种方式

可以在层流冷却集管频繁开闭和供水水源压力波

动的情况下稳定集管压力。水量的大小根据轧制

的钢种、带钢厚度、轧制速度以及卷取温度控制

要求采用计算机来精确控制。

3 主要工艺参数

某热轧厂带钢层流冷却装置布置在F6机架

与现有卷取机之间，冷却段长度为 62.4 m，由

12段组成，前9组为粗冷段，后3组为精冷段，

层流冷却系统布置如图1所示。

·年产量：243.75万t；

·小时产量：530 t；

·最高轧机速度：11 m/s（最高卷取速度为

15 m/s）；

·最大卷重：23 t；

·卷对卷最短间歇时间：15 s；

·终轧温度范围：820°C～950°C；

2004年第1期 钢 铁 技 术 · 17 · ·卷取温度范围：520°C～750°C；

·有效冷却宽度：1300 mm；

·上部冷却水对带钢表面的冲击压力：0.085 MPa，下部冷却水对带钢表面的冲击压力：0.060 MPa； ·侧喷水压力：1.2 MPa。

图1 层流冷却系统布置图

根据上述工艺参数，利用仿真软件对不同钢种和规格带钢的层流冷却用水量进行了仿真计算，综合考虑仿真计算结果及现场实际情况，最终确定层流冷却瞬时最大用水量为6500 m 3/h；补水量为

m 3/h；侧喷最大用水量为65 m 3稳定，供水，水箱容积共计143 m 3

。

4 设备组成及结构

下喷射集管装置、侧喷装置几部分组成。 1)上部层流冷却装置，共有12水。1～9组为粗冷段，10～12组每根集管喷水量45.36 m 3

水量22.7 m 3

冷却水量为3250 m 3

/h。

每根层流集管用一个阀组来控制，每个阀组包

括一个手动阀门和一个气动阀门。冷却过程中根据

带钢终轧温度和卷取温度大小及不同钢种的冷却

过程，通过计算机控制每根层流集管上的气动阀门

来实现给水或关闭。上部层流冷却装置中全部冷却

水均由机旁高位水箱供给，见图2。

每组冷却装置以组为单元，安装在一个整体框

架上，每个框架通过一个液压缸驱动，可以使每组

上部层流冷却装置整体向机旁水箱侧倾翻75°，以

便于检修和事故处理。上部层流冷却装置各组由液

压缸倾翻时，各回转部位均设计有带回转接头的管座。这是用来连接管架框架与供水管路的，是为了满足倾翻框架的需要而设计的，见图2。上喷集管上每根鹅颈管的底部都装有节流孔板，如图3所示。

2)下喷射集管装置，共有12个冷却组，分别布置在热输出辊道下方，每根喷射集管安装在两个辊道之间的辊缝处，提供带钢下表面冷却水。1～9组为粗冷段，10～12组为精冷段，每根喷射集管为一个控制单元，每个控制单元用一个阀组来控制，每个阀组包括一个手动阀门和一个气动阀门，用来控制管路开、闭与喷水。根据冷却工艺的具体要求，可以与相应上喷冷却组同步喷出冷却水，也可以单独控制给水。其结构及布置见图2。粗调组每根喷射集管喷水量22.7 m 3

/h；精调组每根喷射集管喷水量22.7 m 3

/h；下喷射集管装置最大的总供应冷

却水量为3250 m 3

/h。

机旁高位水箱

94.68m

62.4m 7.5m

20.43m

DC1DC2DC3

1 2 3 456789101112

7.4m

7.5m EDT 5.2m

1 6

58.1m

11.85m

· 18 · 钢 铁 技 术 2004年第1期 3)侧喷装置，在上部层流冷却装置每个冷却段之间安装有一组侧喷装置，共有13个侧喷装置。侧喷的目的是为了提高每组上部层流集管的冷却效率，将带钢上表面的冷却水截挡在指定的区域内。当冷却水吸收一定热量之后，用1.2 MPa 的压力水吹掉带钢上表面上积聚的高温水，同时新流下的低温冷却水又布满带钢表面，侧喷装置是层流冷却装置不可缺少的组成部分。在层流冷却系统的入口和出口分别安装压缩空气吹扫装置，用来吹扫带钢上表面上的渣质与雾气，保证热金属检测器（HMD）和红外测温仪的可靠运行。整个侧喷装置

最大喷水量为65 m 3

/h，水温在40°C 以下。在侧喷装置中，每个侧喷嘴的供水管路中均安有一个手动阀门和一个气动阀门，这也是用来控制侧喷各管路供水的。

图3 上喷集管断面图

5 层流冷却水力学计算

某热轧厂层流冷却水的流经过程为，水厂输送来的冷却水经厂外高位调量水箱、进入厂内主管道、支管和快速启闭蝶阀进入机旁高位水箱，压力稳定的冷却水流出机旁高位水箱经快速启闭蝶阀进入上、下集管，然后流出鹅颈管，实现对带钢的冷却。流经集管的水量大小在安装时靠调节一个手动阀门的开口度来确定；压力靠机旁高位水箱来稳定。上集管出水口到带钢表面的距离为1720 mm，下喷射集管装置的下集管出水口到带钢下表面距离为 150 mm。通过以下计算可以看出我们设计的层流冷却装置冷却水处于层流状态，满足实际工况

要求。

1)上集管计算：

根据圆形管道的层流判别公式：

Re＝v×d/ν＜Re k

式中：V―鹅颈管出水的流速；d―鹅颈管直径；

ν＝0.73×10–6

；Re k －临界雷诺数，在带钢层流冷却系统中，其冷却水通过圆形鹅颈管的临界雷诺数，Re k ≤ 30000。

通过计算，Re＜30000，在本层流冷却系统中，冷却水处于层流状态，能满足实际工况要求。 这里只说明了在这种流速下冷却水处于层流状态，并没有说明这种结构、工况下冷却水在出水口处能达到这个流速。

冷却水从上集管流出来后，作初速度为出口速1.72 m 后的速度可以1＋P 1/γ＋V 12

/2g＝Z 2＋P 2/γ＋V 22

/2g＋h w 1＝0，Z 2＝0，P 2＝0。 1－h w ＝(V 22

－V 12

)/2g (1)

又根据动量方程：

∑F＝ρQ (V 2－V 1) (2) ”h ”：

∑F×h＝ρQ (V 2－V 1)×h (3)

通过（1）、（3）式可以推出速度V 2： V 2＝(2 ρQh/m)－V 1 (4) 式中Q－流量；m－流出水的质量；h－冷却水下降的距离；V 1－出口速度；V 2－冷却水接触带钢表面的速度。

根据连续性方程可以求出层流水与带钢接触时冷却水柱的直径 d 为： A 1×V 1＝A 2×V 2

A 2＝(A 1×V 1)/V 2 (5)

d 2

＝A 2/0.785

（转40页）

· 40 · 钢 铁 技 术 2004年第1期

式中计算的关联度为平权关联度，即各关联系数的平均值。考虑了权重后的关联度依次为 0.70;

0.59；0.83。显然，竞争力由强至弱的顺序为C公司；W公司；B公司。

显然，上述判断工程公司竞争力的九个因素是互相关联也都是非常重要的指标。它们是工程公司提高市场竞争力的着眼点。不管是可以度量还是不可以度量的指标，都是引导我们发展的路标，其最终目的是不断提高我们的竞争力，将对手甩在后面。从竞争力结构分析来看，开发核心竞争力与有效的管理是分不开的。管理模式在一定程度上决定了核心竞争力的性质。因此，工程公司应该用积极的管理作为理性培育核心竞争力的有效手段。

（收稿日期：2003-09-09）

～·～·～·～·～·～·～·～·～～·～·～·～～·～·～·～～·～·～·～～·～·～·～·～

（接18页）

根据圆形管道的层流判别公式，我们可以知道冷却水在与带钢接触时的液流状态是否在层流区域内。

Re＝v×d/ν ＜ Re k≤ 30000

通过计算，冷却水在与带钢接触时的液流状态是在层流区域内。

提高冷却效率的重要条件之一是冷却水必须具备足够的动能来冲破带钢表面的水蒸汽膜，实现强化冷却。另一方面其动能又不能过大（速度大了达不到层流条件会转变为紊流），以免冷却水打在带钢表面反弹起来，降低冷却效果。从实践中我们知道，兼顾层流状态和必要的动能两个因素，一般取上集管出口到带钢表面的距离为1720 mm左右比较适当。

2)下集管计算：

根据圆形管道的层流判别公式：

Re＝v×d/ν＜ Re k

式中：V―下喷管出水的流速；d―下喷管直径；ν＝0.73×10–6；Re k－临界雷诺数，在带钢层流冷却系统中，冷却水通过圆形鹅颈管的临界雷诺数，Re k≤ 30000。

通过计算，Re＜30000，在本层流冷却系统中，冷却水处于层流状态，能满足实际工况要求。

由公式(4)可计算出下集管冷却水出管口后还能冲多高。

H＝{(V2＋V1)m}/2ρQ (6)

通过计算，h＞150 mm，因此下集管冷却水出口到带钢表面距离为 150 mm时能满足工况要求。

6 结束语

总之，热轧厂层流冷却装置改造不仅对机械设备的设计是一项非常复杂的设计工作，对工艺和自动化设计也是如此。某热轧厂轧线及层流冷却系统改造均由国内设计制造，停产时间仅30天，一次试车成功，这在国内热连轧机改造史上是罕见的。从2003年初投产至今，层流冷却系统取得了满意的效果，这对以后热轧厂的层流冷却系统的设计及改造有很好的指导意义。

参考文献

1 周善生编 .水力学[M].同济大学出版社,1985

2 李家楦编 .机械设计[M].黑龙江科学技术出版社,1998

3 潘慧勤编 .轧钢车间机械设备[M].北京：冶金工业出 版社,2003

(收稿日期：2003-09-27)