10 控制冷却设备及其自动化课件

10 控制冷却设备及其自动化控制轧制和控制冷却相结合的钢材生产工艺称为形变热处理工艺(TMCP)。

通过采用合理的控制轧制和控制冷却工艺，可以实现材料的细晶强化、相变强化和析出强化，因此可以在采用较少含量合金元素的情况下，仍然保持产品既定的力学性能，这不仅节省了生产成本，同时提高了钢材的焊接性能和韧性。

控制轧制和控制冷却工艺作为生产高级别的高强度钢板的标准技术已被收入ASTM和JIS标准。

国内外经验表明，绝大多数中厚板产品都可以采用TMCP工艺组织生产。

控制冷却是利用加速冷却系统，对轧后钢板在线进行加速冷却，以控制钢铁材料在冷却过程中的相变过程，获得需要的相变组织和优异的力学性能。

控制冷却是中厚板轧机提高产品质量、开发高附加值产品的最重要的手段。

从1980年日本钢管公司福山工厂第一次成功应用加速冷却系统并获得巨大成功以来，国际上绝大多数现代化中厚板厂都安装了在线加速冷却装置，用于开发管线钢、高强船板、高强工程机械用钢等新产品。

中厚板轧制生产线是否可以控制产品的组织和性能，是否可以获得高附加值的产品，很大程度上决定于控制冷却系统的设置和水平。

一个高水平的控制冷却系统应由控制冷却设备、供水及水处理系统和控制冷却计算机控制系统三大部分组成。

10．1控冷设备的总体布置和基本配置10．1．1控制冷却设备的安装位置图10-1所示为某中厚板轧机控制冷却系统的平面布置。

该控冷系统包括控冷主体设备、供水管路、高位水箱和水处理系统等几部分。

控冷主体设备1位于轧制线上，轧机后面，距离轧机一段距离。

高位水箱3位于邻跨厂房的外面，供水管路2将冷却水由高位水箱送到控冷设备的主体部分。

使用后的冷却水经地沟送到水处理系统，经过过滤、冷却，由水泵送入高位水箱。

控制冷却主体设备安装在轧机后面，从有利于实现晶粒细化的角度来看，与轧机的距离应当是越短越好，因为距离短，有利于保持轧件控制轧制后的硬化状态，再经过加速冷却，可以得到细晶的铁素体。

但是，从轧机到控制冷却系统的距离受到轧件长度的限制，这段辊道至少应当可以摆放规格包含的最长的轧件。

如果考虑到控制轧制的待温需求，这段距离还应当保证交叉轧制摆钢所需要的额外的辊道长度。

根据与矫直机的相对位置，控制冷却系统有3种布置形式：其一是控制冷却系统安装在矫直机的前面，即轧件冷却之后再进人矫直机进行热矫。

这是最常用的一种方式。

其二是控制冷却系统安装在矫直机的后面，即轧件矫直之后再进入控制冷却系统进行加速冷却。

这种方式应用较少，主要是新日铁冷却系统兼有加速冷却和DQ两种功能，矫直之后，钢板平直，再进行冷却，可以得到冷却均匀的平直钢板。

对于厚规格的钢板和实施DQ 的钢板，这种方式比较有利。

其三是控制冷却系统安装在两台矫直机之间。

前面一台矫直机是预矫直机，对高温状态的钢板进行矫直，以利于后续的加速冷却得到冷却均匀的平直钢板。

冷却之后钢板再进入强力矫直机进行热矫。

由于这种方式有利于得到冷却均匀、残余应力低的平直钢板，近年不少厂家开始采用，效果很好。

目前，多数中厚板厂为控制冷却系统供水的高位水箱均设在厂房外侧靠近泵房的位置，从供水泵的能量消耗、设备布置、水温保持角度讲是合理的。

设置在厂房外部，水箱的高度不受厂房高度的限制，有利于按照需要设计水箱的高度。

高位水箱和控制冷却系统之间用供水管路连接起来。

10．1．2控制冷却设备的配置控冷设备由控冷主体设备、供水管路、高位水箱和循环水处理系统组成。

10．1．2．1高位水箱目前的控制冷却系统多数采用层流冷却，大流量的低压水从集管中流出，与钢板表面平稳接触，冷却水不反溅，并紧贴在钢板表面按一定方向做宏观运动。

柱状或者幕状的层流水虽然速度不高，但是质量很大，所以具有较大的动量，可以击破钢板和冷却水之间的气膜，实现较高效率的热交换。

这种低压、大流量的层流水是由高位水箱经过供水管路提供的。

控冷系统设置高位水箱，一般高位水箱位于冷却区操作侧，近年多设置在室外。

高位水箱的高度应保证系统的供水压力足以击破钢板上表面的存水和气膜，保证热交换在低热阻的条件下进行。

高位水箱起到稳压、稳流、水量缓冲及排气的作用。

在结构上，采用进水头缓冲技术，以保证水源的稳定；采用集管与水箱供水一对一技术，保证每个集管来水的稳定；采用进水、出水和溢流口均匀分布技术，保证上下管供水稳定。

高位水箱的容积应当起到对供水总量缓冲的作用。

冷却系统的供水量应当在考虑轧制周期和冷却通过时间要求的条件下，充分利用高位水箱的储水功能，保证供水能力满足钢板冷却的需要。

在控制冷却系统不工作时，水泵系统向高位水箱供水；在控制冷却系统工作时，由于瞬时水量超出水泵系统的供水能力，水箱水面会有所下降，但是水箱的容积应当保证水箱内的水量满足最大瞬时水量的需求。

水箱的深度不可过深，以免在最高水位和最低水位之间造成过大的压力差，影响冷却水压力的稳定。

水箱高度的设计要充分保证上下集管水压合理均衡，并使钢板表面上的冷却水呈层流状态，高度造成的压力应当可以击破钢板表面的残水和水膜，实现水和钢板之间直接的热交换。

根据国外资料介绍和现场实际应用效果来看，层流冷却水的压强保持在上表面0．08MPa、下表面0．06MPa，可以满足层流冷却的要求。

由此压强即可推算出水箱的高度。

但是，近年来考虑到钢板表面残水的影响，为了提高冷却效果，高位水箱的高度有提高的趋势，例如某厂高位水箱的底面高度达到19m。

下面以某厂为例简要介绍其高位水箱构造组成。

该厂高位水箱位于厂房外部，其底面标高为+12000mm，有效容积150m3。

高位水箱置于钢筋混凝土框架的建筑物之上，由普碳板焊接配以等边角钢加强筋和H型钢制成的底座；水箱底部设有入水管口(DN600)两处，为高位水箱供水；水箱底部设有出水管口(DN900)两处，接人供水主管(DNl200)进入分流集水管为系统提供控冷用水；水箱底部设有溢流管口(DN700)和排污管口(DN200)各两处；水箱顶部及侧面分别设有透气帽、人孔盖和爬梯、走台、液位计、传感器等；高位水箱外部进行保温处理。

10．1．2．2供水管路供水主管是用来将高位水箱的控冷用水输送至控冷主体设备的中间管路。

供水主管为螺旋焊接管，其直径应当保证满足冷却系统的用水水量要求，此外还包含弯头、鞍式支座、排污阀门、人孔及人孔盖等，进入厂房内部的输送管线置于一定深度和宽度的管沟中，管沟内设有沉井及必要的维修、清洁空间。

供水主管将水送到分流集水管装置，该装置同时向上集管装置、下喷管装置等提供水源。

分流集水管主要由螺旋管加焊端部封头制成，其直径应当满足各集管的水量需求，其长度应当长于控冷设备主体部分的长度。

分流集水管通过其上均匀、合理布置的出水管向各集管供水，各出水管开关、供水时应当互不干扰，保证水流量、压力稳定。

分流集水管应设置人孔、排污孔、排气孔。

10．1．2．3控冷主体设备控冷主体设备位于输出辊道上，与辊道配合布置。

依据采用的冷却设备的形式、冷却能力、水量等，控冷主体设备的长度不同，在10～30m之间。

主体设备由集管(上集管、下集管)、侧喷装置、调宽装置、端部吹扫装置和相应的辊道等组成。

集管是控制冷却设备的基本单元，通常是截面为圆形或矩形的管，与辊道平行布置，长度与辊道长度相当。

集管一端进水，另一端封死；也有的是两端封头，中间进水。

集管上有圆形的或者狭缝形的出水口，冷却水由出水口流出，流到钢板表面。

集管内设置一定能力的阻尼，以保证水可以沿集管轴向均匀流出。

集管依据其安装位置，分为上集管和下集管。

中厚板轧机上、下集管成对布置，数量相同，每一对上、下集管构成一组，应尽量保持上、下集管冷却位置的对称性。

为了与辊道配合安装，每组上、下集管的轴线间距与辊道间距相同，安装在每两支辊道中间的位置。

通常中厚板轧机的辊道间距为0．8～1m。

每支集管由一组阀门进行流量和开闭控制，这一组阀门主要包括手动蝶阀、电动流量调节阀、双气动隔膜阀、自水冷手动球阀、自水冷隔膜阀、自水冷溢流隔膜阀等。

流量阀应当保证足够宽的调节范围和足够高的流量调节精度，以实现高精度的冷却速率控制和冷却温度精度控制。

开闭阀应当有足够高的响应速度和不同阀之间的同步性，以便根据需要高精度开闭阀门，对钢板头尾和局部温度不均进行高精度的控制。

一般情况下，上、下集管的水量比例需要根据钢板的厚度等因素进行调节。

所以每组冷却装置上、下喷嘴装置的控制相互独立，即上、下集管水量可以单独调节和开闭，这样可以依据需要水量调整上、下集管的水量比例，以保证钢板上下表面均匀、对称冷却，防止钢板因上、下表面冷却不均而翘曲。

不同形式的控制冷却系统主要差别在上集管装置，例如U形管式、水枕式、水幕式等。

对钢板下表面的冷却，不宜采用幕状冷却和较大的柱状层流冷却，宜采用低压喷射和密集的柱状层流冷却，以扩大冷却水与钢板下表面的接触面积。

同时，通过改变下喷嘴的喷射角度，以增加水流在钢板下表面的停留时间及增加钢板下表面的喷水量，来保证下表面均匀冷却。

控制冷却装置的上下喷嘴机构和钢板通过水平面的距离视冷却要求而定，一般是上喷嘴至辊道上表面距离为1．4m，下喷嘴至辊道上表面距离为150mm。

为了清除两个集管之间钢板上的残水，提高换热效率，节省用水，系统中问每隔定长位置应设置侧喷装置。

当上表面的冷却水吸收一定热量以后，用中压水按一定角度冲刷钢板表面，实现新旧冷却水的交换，可以提高冷却效果。

侧喷装置的压力一般在1MPa左右。

装置本身应当具有一定的保护和防护功能。

例如上喷嘴装置设有自水冷装置，在冷却系统不投入使用时对系统进行保护，防止系统长期暴露在高温下而变形乃至损坏。

下喷嘴应设有遮蔽保护装置，以防止铁皮等落人，堵塞喷嘴，也可避免受到下扣钢板头部的撞击而变形损坏。

在冷却系统的人口和出口，应设有端部吹扫装置。

利用压缩空气罐提供的压缩空气，吹扫钢板表面的残水，防止钢板表面的残水和水汽影响邻近区域测温仪等检测仪表的工作，确保检测仪表的检测精度。

冷却辊道最好是单独传动，可以根据需要调整轧件的运行速度。

为了进行钢板宽度上的冷却均匀性控制，采用冷却宽度调整装置，对冷却水的宽度进行调节。

调宽系统应当保证在高温、潮湿的环境中稳定、可靠的无故障工作。

喷嘴装置两侧应设有挡水板，以防止辊道传动电机等机电设备因受潮、进水而受到损害，影响生产。

10．1．2．4供水系统供水及处理系统包括：供水泵、主管路、高位水箱、流量调节阀、提升水泵、过滤器、冷却塔及中和水池(铁皮坑)等，其结构如图10-2所示。

针对常用的层流冷却装置的用水特点，供水系统配置方式主要有：(1)泵+机旁水箱。

此种供水系统通过水箱稳定水压和调节水量，系统配置简单，节能效果明显。

(2)泵+高位水箱+机旁水箱。

此种供水系统通过高位水箱来调节水量，通过机旁水箱稳压，使水压更加稳定，节能效果明显，但系统配置复杂。