板材控制冷却方式和设备比较
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摘 要：控制冷却是提高钢铁产品性能质量的一项重要技术措施，目前在国内中厚板生产领域中备受关注。本文对目前常用的控制冷却方式和设备进行了比较。
关键词：控制冷却；中厚板 ；比较
板材冷却方式概括起来主要有层流冷却、水幕冷却、压力喷射冷却、喷雾冷却、加速冷却、直接淬火等几种冷却方式。
一、冷却方式
1.层流冷却
冷却水从喷嘴的出口速度比较低，形成平滑、连贯的无压力的水流直接落到板材表面，冷却水不反溅，并在钢板表面形成层流。这种方法称为层流冷却。层流冷却又分为管层流和板层流（即水幕）两种。管层流对水质要求严格，需要软化水，水冷区面积较大，增加车间长度；但冷却比较均匀，易于控制。板层流对水质要求不高，水冷区较短，可以缩短车间长度，也可以采用自动控制，冷却也比较均匀，而且与管层流相比设备投资可以节省很多。
2.水幕冷却
从喷嘴流出的冷却水以板幕状的方式流出，冷却均匀，冷却效率高。随着水幕冷却技术的发展，又出现可调水幕。所谓可调水幕是指流量和水流宽度可根据生产工艺要求而变化。目前主要有几种形式：一是出口缝隙保持不变，用改变水的压力使流量变化。从保持层流的观点看，这种调节是很有限的。另一种是保持水头不变，而改变出水口的开口度和缝隙宽度，有利于形成稳定的层流。还有一种可调水幕，该水幕利用分段斜楔控制出水的缝宽，提升或下降斜楔控制出水口开口度。
3.喷射冷却
也称为高压喷嘴冷却。在供水管上错列位置开若干排小孔，把水加压从各孔口喷射到运行的钢板上，水从喷嘴中以超出连续喷流的流速喷出，水流发生破断，形成水滴群，喷射到钢板表面进行冷却。这种冷却方式称为喷射冷却。此法的缺点是对水质有严格要求，水压要高，用同一喷嘴可控制的冷却能力范围不太宽。与其他方法相比，冷却效率不高，大量的冷却水都飞溅而去，不与钢板直接接触，从而水的消耗量大。
4.喷雾冷却
也称为雾化冷却，即用加压的空气使水雾化，水和高速空气流一起从喷嘴喷射出来，直接喷到钢板表面进行冷却。这种冷却有两种作用：（1）为了提高冷却能力用空气加速液滴；（2）为了控制冷却能力用空气使液滴极微细化，而不需给太大的动量。这种冷却方法适用于从空冷到强水冷却的极宽范围。但这种方法噪音较大，车间雾气较大，对空气和水有严格要求，对设备腐蚀严重，而且喷嘴结构和配管系统较为复杂。雾化冷却很主要的特点是它的应用范围很宽，是常规冷却水系统的性能所达不到的，因而也得到很广泛的应用。
5.加速冷却
所谓加速冷却，是将热轧后的厚钢板，立即进行水冷，通过控制相变组织来提高机械性能的技术控制冷却方法。过去用大容量的水冷却厚板时，要精确地控制钢板的整体温度是很困难的，日本神户钢铁公司借助新开发的加速冷却方法，确立了高精度、均匀地控制水冷过程中的钢板温度的技术，成功地把加速冷却工艺（ Kobe steel controlled Rolling and Accelerated Cooling Process，简称KCL工艺）推向了实用化阶段。现今的加速冷却已成为船板、管板和其它低合金高强度钢、低脆变温度和良好的焊接性能钢板现代化大生产必要的加工工艺。
6.比较分析
综上所述，轧后在线各种冷却方式都有其各自的优点和缺点，采用哪种冷却方式应根据具体工艺环境和限定条件确定。
国内外使用资料表明，近些年来，中厚板轧机轧后在线加速冷却方式大多数采用柱状层流冷却和水幕冷却方式，同时国外也有采用喷雾冷却（水—气喷雾）、高密度管层流冷却和直接淬火冷却方式。
二、控制冷却设备
国外控冷技术发展很早，60年代以前使用由喷嘴喷射的高压水冷却，以后又发展为柱状层流冷却系统和水幕冷却系统。这些设备的冷却方式概括起来主要是层流冷却及水幕冷却方式，除此以外，还有其他冷却方式的设备，如水气冷却、直接淬火等。
1.层流冷却设备
层流冷却是以大量虹吸管从水箱中吸出冷却水，在无压力情况下流向带钢，使大流量的低压水与带钢平稳接触，冷却水不反溅，并紧贴在带钢表面上按一定方向做宏观运动，因它具有某些层流特点，所以称为层流冷却方式。由于虹吸管的数量很多，排列又很密，带钢表面上的水层时刻可以更新，并且，沿输出辊道每隔一段距离设置一定数量的侧喷头，将滞留在带钢表面上的水冲掉，所以冷却效果很好。
70年代，国内开始应用热轧带钢控制冷却技术。70年代末武钢引进的1700mm热轧带钢机上部采用柱状层流冷却和下部喷水冷却的控制技术。宝钢的热带钢轧机采用层流冷却控制系统。
日本钢管公司福山第二热轧厂于1985年对其管层流冷却系统进行了改造，通过水位最佳化调整、喷水量的两段切换以及引进缝隙层流冷却系统装置，提高了冷却效果，达到了节能和提高卷取温度精度的目的。
1984年日本专利报道了一种层流冷却装置，其集管流量可调，是一种缓急自由的冷却装置。该装置对提高带钢的组织性能级别产生了很好的效果。就是说不添加或少添加合金元素就可达到提高钢板的强度和韧性的目的，从而节省了合金元素，可用普碳钢代替某些低合金钢，大幅度提高产品质量，得到优质、高韧性、低屈服强度比的钢板，产品质量波动很小。
2.水幕冷却设备
水幕冷却是70年代发展起来的一种新的冷却方法，它保持了虹吸管层流冷却的优点，冷却能力较高，横向冷却较均匀，且设备简单。
日本住友金属工业公司鹿岛厂1984年投产的水幕冷却装置包括一个集水箱，一个狭缝喷嘴和一个气动挡板。当冷却水通过喷嘴落向带钢时便形成幕形层流。该厂热带钢轧机的输出辊道上有15个这样的冷却装置。
前苏联的一项专利报道了一种可调的水幕冷却装置。它带有窄口喷嘴充水槽，在窄口喷嘴下部安装一个能在垂直于水流方向的平面上往返移动的闸板，并在上面给闸板安上一个能伸入喷嘴的小刷子，通过连续改变冷却水的宽度，使之与被冷却的钢板的宽度相适应，同时清洗窄口喷嘴内部污垢，提高冷却效率。德国专利报道了一种水幕冷却装置，它是由一个水箱和一个垂直于带钢运行方向并延伸到整个被冷却带钢宽度上的缝隙式喷嘴组成，通过控制喷嘴缝隙形成水幕。喷嘴的出口比喷嘴的入口大，并向出口不断突出扩张，可以补偿水幕出现的断面收缩，保持均匀良好的水幕形状。endprint
3.水—气冷却设备
水—气冷却喷射组件上下喷雾器都有连续的狭缝，一个用于喷水，两个用于喷射空气。喷雾器喷出低压水和空气，空气将水雾化为许多小液滴，并在很大区域内将它们均匀地喷射到板材上，因此避免了原来用其他方法所产生的局部最大水流。水流速率在很大范围内可调节。喷水缝隙足够宽（6mm）可避免阻塞。下部喷雾器的工作原理同上部喷雾器原理相同。
目前有两套水—气冷却设备正在使用中，一套在法国CTS工业公司敦刻尔克厂，另一套在南韩的浦项钢铁公司，两套设备都是在1989年投产的。法国GTS工业公司敦刻尔克厂的那套冷却设备距精轧机座69m，热矫直机前13m。设备实际长度为18m，有上下各五套组件，每套组件有4个喷雾器，可以处理宽度5m的板材。浦项钢铁公司有一套7组件的加速冷却设备，位于精轧机座后54m，热矫直机前5m，其冷却长度为28m。这套设备的每套组件也有4个喷雾器，并能冷却最大宽度为4.5m的板材。这两套设备在八周内开始运转，其中还包括在线工艺调试。
4.直接淬火设备
在加速冷却和直接淬火方面，由于冷却速度和冷却温度区域等冷却条件的不同，加速冷却设备和直接淬火设备一般是分开设置的。其次，作为直接淬火设备为了在冷却过程中控制钢板的变形，认为和离线设备一样，需要与输送辊对应的上部的约束辊。
日本神户钢铁公司继1983年4月成功地应用加速冷却工艺之后，于1985年12月对原有设备进行改进，实现了从加速冷却到直接淬火的广泛的冷却。本设备除在狭缝喷射喷嘴的前后设置分水辊之外，没设确保钢板平直度的约束辊。关于冷却喷嘴，在设备最前段的上下部位采用狭缝喷射喷嘴，其次，在狭缝喷射喷嘴的后面分别在上下部采用适用不同水量密度范围的3种管式层流喷嘴和倾斜喷雾喷嘴。
参考文献：
[1] 王占学.控制轧制与控制冷却[M].北京：冶金工业出版社，1988.
[2] 李曼云，孙本荣.钢的控制轧制和控制冷却技术手册[M].北京：冶金工业出版社， 1998.
[3] 孙本荣，王有铭，陈英.中厚板生产[M].北京：冶金工业出版社，1993.
作者简介：陈林叶（1984.6—），男，汉族，江苏丹阳人，助理工程师，主要从事中厚板厂设备管理和技术开发工作。