唐钢1700mm带钢生产线层流冷却系统的应用

总第177期2010年第3期H E B EI M ETALLU R G YT otal 1772010,N um ber 3收稿日期:2010-03-22作者简介:信晓兵(1981.12-),男,2005年毕业于河北理工大学金属材料工程专业,河北钢铁集团唐山钢铁公司第一钢轧厂工作,E -mail:xinxiaobing370@s ohu .com唐钢1700mm 带钢生产线层流冷却系统的应用信晓兵1,潘景申1,李　扬1,殷向光2(1.河北钢铁集团唐山钢铁公司第一钢轧厂,河北唐山063000;2.河北理工大学冶金与能源学院,河北唐山063009)摘　要:介绍了带钢层流冷却的工作原理和导热机理,对唐钢1700mm 带钢生产线应用层流冷却系统控制带钢的卷取温度及其应用效果进行了分析。

关键词:带钢;层流冷却系统;应用中图分类号:TG 335.5 文献标识码:B文章编号:1006-5008(2010)03-0036-03A PPL ICA TI ON O F LAM I NA R FLOWCOOL I NG SYSTE M I N 1700mm STR IP STEEL L I N EX in X iaob ing 1,Pan J ingshen 1,L i Yang 1,Y in X iangguang2(N o .1S teel R olling M ill,Tangshan Iron and S teel C om pany,Tangshan,H ebei,063016;2.M etallurgy and Energy Institute,H ebei U niversity of Science and Engineering,Tangshan,H ebei,063009)A bstract:The theory and heat -conducting m echanism of lam inar flow cooling for stri p steel are introduced,its app lication and result in controlling coiling tem perature of 1700mm strip steel line of Tang S teel are ana 2lyzed .Key W ords:stri p steel ;lam inar flow cooling system;app lication1　前言在国家重大规划基础研究项目“新一代钢铁材料重大基础研究”中,将通过晶粒超细化实现钢材强度韧性提高一倍的目标。

在热轧带钢生产过程中,从热轧终了到卷取之间的冷却方式和冷却过程对带钢产品的性能和质量有着至关重要的影响。

本文对唐钢第一钢轧厂1700mm 带钢生产线层流冷却控制系统进行分析,该系统在实际生产中达到了控制带钢的卷取温度、使带钢的组织晶粒得到细化、提高带钢的综合性能的效果。

2　层流冷却系统的工作原理层流冷却是一种物理换热过程。

在冷却介质和轧件之间,由于很大过冷度的轧件和冷却介质之间会迅速形成一层隔热的蒸汽层,而随后的冷却介质为这层蒸汽膜所排斥,从而减小轧件的导热效率,直到蒸汽膜不再稳定的黏附在轧件表面时,轧件和冷却介质之间重新产生很强烈的导热现象,进入“核沸腾”期。

之后随轧件逐渐变冷,热传导效率也相应的逐渐降低。

因此,任何控制冷却的效果,都将取决于蒸汽膜的破坏及达到“核沸腾”的程度[1]。

层流冷却的工作原理是给一定压力的水从喷嘴(U 型管)流出,形成平滑的喷射喷流。

当这种平滑的层状喷流落到距带钢一定距离时,由于水的加速度影响而破断成层流状态,使带钢表面覆盖在一层层流状态的冷却水之下;冷却水和热带钢利用热交换原理使带钢强制冷却。

该系统的喷嘴数量多、排列密,并沿输出辊道每间隔一定距离设置一组侧喷头,将滞留在带钢表面上的水冲掉,使冷却水不断更新,从而实现对带钢快速冷却的目的。

3　层流冷却的导热机理3.1　沸腾换热现象高温物体浸在具有自由表面的液体中所发生的63河北冶金 2010年第3期沸腾称为大容器沸腾,此时产生的气泡能自由浮生,穿过液体自由表面进入空间。

当液体温度达到饱和温度t s ,冷却物表明温度t w 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾,在饱和沸腾时,随着冷却物表面温度的过热度t -t s 的增高,会出现4个换热规律完全不同的区域:自然对流、核态沸腾、过度沸腾、稳定膜态沸腾[2]。

在层流冷却中,冷却水连续冷却一个特定的面上,该表面很难行成稳定的蒸汽膜,随着表面温度迅速下降,在冲击点上产生气泡沸腾,而且这一气泡沸腾区域迅速扩展。

当冷却水均匀地喷在待冷却钢板的整个表面时,其边缘在两个方向上受到冷却,边缘的冷却比中心快一些,因此汽泡沸腾从边部开始,逐步向中心扩展。

3.2　相变热释放现象钢在高温奥氏体区进行轧制,随后在冷却过程中由面心立方结构的奥氏组织向体心立方结构的铁素体转变,钢发生体积膨胀,同时释放出相变热。

这种相变热释放的温度范围和释放的热量主要受钢的化学成分和冷却速度影响。

当计算冷却过程中的热传导或根据测量值计算换热系数时,必须谨慎处理相变热。

3.3　对流换热系数α及其确定方法钢材冷却时,流动的冷却介质通过与热钢材表面的接触,利用两者之间温度的不同,产生了热量的传递,这个过程称为对流换热。

对流换热既具有流体分子间的微观导热作用,又具有流体宏观位移的热对流作用,所以它必然受到导热规律和流体流动规律的支配,因而是一种复杂的热传递过程[3]。

计算对流换热时冷却介质所带走的热量Q ,迄今还采用牛顿冷却公式,即: Q =α・A ・Δt (1)式中,α———对流换热系数,W /(S ・℃);A ———换热表面积,m 2;Δt ———流体和钢材表面的温度差,℃。

因为A 和Δt 较易确定,而α的变化却错综复杂,所以计算对流换热量Q 就变成如何根据各种具体情况确定对流换热系数α的问题。

换热系数一般是由实验测定,而实验方法所测定实验结果虽然很多,但由于实验条件不同,其结果也各异。

由实际操作数据求出的弯管式层流冷却的平均对流换热系数可由下式计算[4]:α=9.72×105W 0.335[(2.50-1.5ln T W )D /P 1P ε]・0.645×1.163/(T SU -T w )(2)式中,W ———水流密度,m 3/m in;T w ———水温,℃;D ———喷嘴直径,m;P l ———轧制方向喷嘴间距,m;P ε———与轧制方向垂直的喷嘴间距,m;T SU ———钢材表面温度,℃。

4　1700mm 带钢生产线层流冷却系统的主要设备唐钢1700mm 带钢生产线带钢冷却装置布置在精轧机与卷取机之间的输出辊道上(图1),用于将精轧机轧出的带钢冷却到目标卷取温度。

带钢冷却系统设计成上、下层流冷却系统,辊道旁的上部水箱用来提供所需层冷水。

层冷水梁共分为9段,其中前6段为粗调,用于粗调卷取温度,后3段为精调。

为便于维修,上水梁在液压缸的驱动下可上下翻转。

在每一个冷却段的进口和出口工作侧布置有侧喷装置(总计10个)喷射高压水吹掉带钢上表面的残留冷却水,防止冷却不均匀的产生。

在层流冷却的进口和出口,布置有3个气喷喷嘴,用于吹掉带钢表面残留的冷却水,以保证卷取机前高温计测量精度。

图1　1700mm 生产线层流冷却系统的主要设备 1700mm 带钢生产线层流冷却系统的技术参数为:冷却段长度为43m ,冷却段数量为9段(粗调6段、精调3段),最大流量为9000m 3/h,1#～6#层冷段上下水梁为7根集管/段、由气动阀控制,7#～9#层冷段上下水梁为14根集管/段、由气动蝶阀控制,侧喷装置总数量共10组、总流量为197m 3/h 、73总第177期 HEB EI YEJ I N压力为1.0M Pa,气喷装置共3个,采用0.4M Pa的压力空气,水箱数量共3个、尺寸为13800mm×1700mm×1700mm。

5　应用分析唐钢1700mm生产线大批量生产的钢种SPHC化学成分如表1所示,规格为3.0mm×1270mm。

为获得良好的带钢综合性能,实际生产中终轧温度为860℃、目标卷取温度610℃。

层流冷却应用的冷却工艺制度为:1#～6#冷却段均匀冷却,每段开两组集水管;7#～9#冷却段冷却集水管开闭由控制系统通过目标卷取温度与实测温度差值,经反馈系统控制,保证带钢的卷取温度达到目标卷取温度;冷速为39℃/s;侧喷装置10组全开,气喷装置3组全开,以保证带钢实测卷取温度的精度。

表1　SPHC带钢的化学成分 %C S i M n S P A l N0.0450.0300.150.0080.0150.0050.003 随机抽查带钢的卷取温度实测值统计数据,见表2～4。

表2　随机抽查SPHC带钢的卷取温度数据 ℃取样号实测精轧机出口温度实测卷取机入口温度18756062865605387661248686085878603685959878696088855605987461410877596 上表中,精度Tcm -T目标≤±10℃占80%;Tcm-T目标≤±20℃占100%;同板最大温差ΔT m ax=26℃ 表3　随机抽查SPHC带钢的卷取温度数据 ℃取样号实测精轧机出口温度实测卷取机入口温度18646122859598387860948676085883600686560778676048873597987860110865612 上表中,精度Tcm-T目标≤±10℃占80%;Tcm-T目标≤±20℃占90%;同板最大温差ΔT m ax=29℃ 表4　随机抽查S PHC带钢的卷取温度数据 ℃取样号实测精轧机出口温度实测卷取机入口温度18756022866607385960948725985865612687762078696138877609986460410863614 上表中,精度Tcm-T目标≤±10℃占90%;Tcm-T目标≤±20℃占90%;同板最大温差ΔT m ax=25℃从表2～4统计的控制冷却结果分析得到:唐钢1700mm生产线通过采用层流冷却实现了对带钢卷取温度的控制精度在±20℃,同板温差控制在30℃以内,达到冷却的均匀性,从而保证了带钢的质量。

在性能方面,轧后采用控制冷却的水冷材与空冷材相比,控冷的板材在在强度上提高约40～70 M Pa,韧性基本相同。

6　结语唐钢1700mm带钢生产线采用先进的层冷系统,消除了实际生产中带钢经常出现的冷却不均匀现象,高精度控制了带钢的卷取温度,从而使带钢的金相组织和晶粒得到细化,提高了带钢的综合性能,保证了带钢的质量,满足了用户的要求,为企业了创造可观的经济效益。