水幕冷却系统浅析

1、水昴冷却系统浅析秦国庆韩静涛摘要阐述了钢板控制冷却的意义，对钢板水幕冷却方式的特点、水幕冷却系 统进行了分析。关键词钢板水幕冷却系统SIMPLE ANALYSIS ON WATER-CURTAIN COOLING SYSTEMQin Guoqing Han JingtaoUniversity of Science & Technology , BeijingSynopsis The significance of control cooling on the steel plate is expounded and the characteristics of the water cu

2、rtain cooling mode and its system analyzed.Keywords steel plate water-curtain cooling system1 前言控轧与控冷相结合可以获得高强韧性的钢材，减少工序，节省合金元素，减轻 钢材的各向异性，增加延性，提高轧机和冷床的生产能力，减少钢的氧化损失等。 控制冷却技术可用于诸如低碳钢、低合金钢、轴承钢、不锈钢及高碳工具钢等多 钢种，有着广阔的发展前景。控制冷却从喷水冷却到1962年英国人发明现已广泛 采用的虹吸管冷却到正在发展中的水幕冷却，经历了漫长的历程。而较为先进的、 冷却较为均匀的当届水幕冷却，这也是控冷的发

3、展方向。水幕冷却方法的应用是冷却方法的一次创新，水幕冷却方法具有其它冷却方 法无可比拟的优点。(1) 水幕为板状层流水流落到钢板表面上，沿宽向无十扰，冷却速度大，冷却 能力高，能充分发挥冷却水的冷却效率，从而缩短了冷却区长度，减少了喷头数量 设备少，投资少，且可节水20吩30% 水幕冷却出水口沿钢板宽度方向为连续的整体板片状水流 ，故在钢板的 横向冷却基本均匀，通过调整上、下水幕的流量比例，可使钢板的上、下表面及纵、 横向冷却都均匀，从而可提高产品的质量与合格率。(3) 根据产品工艺要求使每个水幕可改变水流幅度和流量，控制灵活。(4) 在装置和系统方面，每个水幕流量大，水幕间距大，便于处理事故

4、和设备 检修。由于设备简化，占地面积小，故投资相应较少。(5) 由于水幕有较大的间距，形成的冷却系统为间歇冷却，使钢板在冷却区反 复的淬火回火，有利于晶粒的细化、性能的强化，可进一步挖掘钢材的内在潜 力，提高经济效益。由于水幕冷却装置设备简单，坚固耐用，制作方便，出水口缝隙大，不易堵 塞，故对于水质要求不严，一般活循环水即可，简化了循环水的净化系统，节省资 金。（7）在水吊冷却系统中，大流早水吊与小流早水吊配合使用，并米用可调水吊 控制灵活，以保证冷却速度和钢板冷却工艺的要求。2水幕冷却系统分析水幕冷却系统的主要课题是：系统的热交换能力，系统的有关参数的最佳选 择，系统的布置、控制与数学模型。

5、2.1 各因数对对流换热系数和冷却效率的影响（1）水量的影响图1示出了日本研究所得的水幕冷却能力 K与冷却水流量的关系 。图中 以空冷作为基准，水幕冷却比虹吸管层流冷却具有约两倍的冷却能力。由图中曲 线可知，冷却能力随流量增加而增大，但并不呈线性增加关系，而是有一极限值。 故根据条件选择多大流量的水幕，才能充分发挥其冷却效果是很重要的。:摩邱永SI ilt.pj图1水幕冷却和虹吸管层流冷却的冷却能力与冷却水量的关系1.水幕（2台）2.水幕（1台）3.虹吸管层流 4.空冷（基准）水幕冷却时，冷却水沿钢板纵向流动，既能冲破蒸汽膜，增加冷却水与钢板直 接接触的机会，乂能发挥冲击后的二次冷却作用。水幕

6、间距大，水流流动距离长； 水幕安装高度大，水流对钢板的冲击力大，因此，流量、间距和安装高度选取适当, 才能发挥好冷却水的冷却效果。（对其水幕而言，每个水幕的极限流量可达 300nVh）。（2）喷水强度的影响由图2所示及实验表明，水幕冷却时，单位面积上喷水强度增加，冷却钢板时 强制对流换热系数亦增加，应根据具体设计要求的强制对流换热系数确定水幕冷 却系统采用的喷水强度。图2喷水强度与强迫对流换热系数的关系(3) 钢板表面温度的影响由图3 3:可知，在钢板表面低温区，换热系数随钢板表面温度上升而增加，在 某一温度(100300C)达到最大值，在比其温度高的区域，换热系数随钢板表面 温度升高而减小。

7、图3钢表面和喷水之间的导热系数A一水冷、辐射和对流的导热系数总合B一单纯辐射的导热系数(辐射率:0.8)冷却方法：喷水试样：低碳钢(4) 冷却水温度的影响理论与实践表明，冷却水温度升高，冷却能力减弱。(5) 水流雷诺数的影响Q=107.Re0.645式中Q平均单位流量的冷却效率R雷诺数雷诺数越大，表明层流程度越差，冷却效率越低。反之，雷诺数越小，表明层流 程度越好，冷却效率越高，换热系数越大。而水幕层流程度好坏与水幕冷却装置及 喷嘴的结构形式、表面状态与尺寸有关。(6) 水幕喷嘴出口距钢板表面高度及水幕彼此间距的影响当水幕喷嘴出口距钢板表面高度过大时，水流对钢板表面的冲击动能过大， 导致水流冲

8、击钢板表面后发生飞溅和反跳，从而使冷却水不能充分发挥作用，降 低冷却效率。反之，当高度过小，水流冲击钢板表面后虽不飞溅，但由丁冲击动能 小，将不利丁打破水流在钢板表面形成的蒸汽膜而降低冷却效率。因此，合适的水幕安装高度，应首先在保证满足生产工艺条件下，在水流冲击钢板表面后以层流 形式散开而不发生飞溅的最大高度，当水幕随高度增大而收缩严重时，应考虑收 缩因素后而定。冲击力计算公式：3600式中P冲击力p 水流密度Q 流量,m3/hV水流冲击钢板表面时的速度,m/s 而V的计算式为：式中 V出嘴子出口速度h嘴子出口到钢板表面高度研究表明,当流量为250n3/h时,h=1.51.8为宜。当几个水幕同

9、时启动时，相邻两个水幕的水流有互相干扰现象，且这种干扰 随流量增大和轧制速度的升高而严重，使冷却效率降低。在相同流量的水幕距离 试验中,水幕间距大,其冷却效果大;反之，水幕间距小其冷却效果小。在不同流量 的水幕间距试验中，水幕流量大,水幕间距也要大;水幕流量小，水幕间距也要小。 因此,为得到高的冷却效率及考虑现场条件与投资，要合理设置水幕间距，同时， 应安装侧喷嘴扫除积水，以利丁冷却能力提高。研究表明，对流量为250n3/h,水幕 间距以10m为宜，其它流量可以此为参考。一般情况下,水幕流量小，间距小,冷却速率小，所需冷却区间长。反之，水幕 流量大，间距大,冷却速率大,所需冷却区间短。实践表明

10、，水的流量和水幕装置的 间距成正比，据研究：_ _ 一 1.2L=0.075Q式中 L有效间距/mQ 水幕的流量，m'/h(7) 水幕厚度的影响在相同水量下，一个水幕数目较多、厚度较薄的水幕系统比厚度大而水幕数 目较少的水幕系统冷却效益高。但具体水幕个数多少、水幕流量多少与水幕厚度 多少为宜，应根据水幕在各流量下的冷却速率、单位冷却速率、水冷区长度需多 少、水幕装置加工成本、生产要求等多种因素综合考虑，具体问题具体分析。总的原则是，在满足生产要求条件下，尽量作到省水、省财。2.2 冷却时间的确定2钢板进入冷却区和冷却终了 ，要求温降所需的冷却时间由下式确定式中 p密度,kg/m3C-一

11、比热，kJ/kg Ch钢板厚度,ma强制对流换热系数，kJ/m2*.hTw-一冷却水温度，CTi、T2钢板进、出冷却区温度，C2.3冷却段长度L2的确定由式可得p*h*C*V*ln以二2a(6)式中 V轧制速度,m/s2.4 冷却水总耗量Q总及上、下水幕水量的确定= E A , B式中 £ 喷水强度，m3/m2hB喷水宽度,mL2冷却区长度,m有了总水量后，根据上、下水量比控制在0.71.0之间进行上、下水量分配。 上水幕冷却总耗水量Q上总为:Q上怕=Q争 F冷(8)式中F冷冷却区面积Q单一一选定流量密度Q单一般小丁 68,对丁一般加速冷却不需要过高的 Q单,另外，过高的流量也使 现

12、场不易达到要求，故Q单一般在4050n3/m2h之间。要在1700mm勺宽度范围内使水幕流态稳定，水舌厚度不应小丁 6mm因此， 单个冷却箱流量最好在60150m/h之间选择。2.5 冷却系统中水幕装置的数量FL + JJt a*式中n一水幕个数L一水幕问有效间距L2冷却区间长度2.6水幕冷却系统的布置上、下水幕装置对应安装构成一对。冷却系统一般前部分为大流量水幕装置, 可快速将钢板由终轧温度降至要求的大致温度后，其后部由小流量水幕作精调， 以控制达到所要求终冷温度的精度。另外，大小水幕配合使用，还可以调整冷却速2.7 水幕冷却系统的冷却速度由丁大流量与小流量水幕装置的相互配合使用的水幕冷却系

13、统，能够根据生 产工艺要求灵活地控制冷却速度的大小，加大了选择合理冷却速度的范围。其冷 却速度一般情况下为1230C /s，对丁有特殊要求的钢种，冷却速度可取得更高 一些，有的可达80C /s。2.8 水幕冷却装置的安装形式水幕冷却装置分上、下水幕装置两种。下水幕冷却装置一般都是采用喷嘴沿 钢板前进方向倾斜一定角度安好，以使下部冷却水沿钢板移过尽可能大的距离， 避免落下的水与上喷的水互相干扰，增强冷却效果。下水幕喷嘴出口距钢板下表 面距离一般为100200mm上水幕安装一般有三种方式。(1) 采用门式固定框，即在辗道两侧竖支架，将水幕装置固定丁辗道上方。这 种方式简单，方便，适用丁老厂改造。因

14、其占地面积小，节省投资，但不利丁事故处 理。(2) 水幕装置可沿辗道轴向移动，使水幕装置必要时可移出输出辗道线。(3) 将水幕装置沿辗道一侧仰起一定角度。后两种方式便丁事故处理和设备检修，但设备复杂，占地面积大，相应投资也 大。3水幕冷却的应用水幕冷却在我国新建的钢板轧机上还没有得到应用，鞍钢半连轧厂与重钢对 老式钢板轧机进行过水幕冷却的改造，但由丁诸如控制等多方面的原因，改造的 并不太成功。据介绍，江西新余钢厂的水幕冷却改造效果比较好。国外有对水幕 冷却应用成功的例子。水幕冷却与虹吸管冷却相比其冷却强度较高，达到同样冷却效果所消耗的电量与水量少，具有节能作用。由丁水幕水流与板面为线接触， 而

15、虹吸管层流冷却水流与板面为点接触，当成幕比较好时，水幕冷却比较均匀。但 当板宽度较大时水幕成幕难度较大,虹吸管层流冷却较易达到要求。水幕冷却技 术复杂，较难掌握，在许多方面技术还不成熟，冷却水量调整范围较小，冷却速度 控制难度较大。冷却钢板厚度较大时，水幕冷却不均匀所引起的热应力较虹吸管 层流冷却要大，对于带钢，由于板厚度较小，因此这种热应力的差别将减小。水 帚冷却由于冷却强度大，板宽小时水帚成帚效果好。水帚冷却更适于占地面积小、 要求冷却区域短，板宽较小的情况下改造使用。水幕冷却有许多优越性，是今后的 一个发展方向。4结语随着建筑桥梁、石油化工、船舶制造业的飞速发展以及焊管、 各种焊接件的 广泛应用，需要大量的宽而长的优质钢板，这种日益增长的需要也促使了钢板生 产的发展。就钢板生产的发展方向而言，钢板正日益谋求良好的综合机械性能及 加工性能。钢板采用控制冷却工艺是提高钢板综合性能的行之有效的好方法，正在得到广泛的应用。钢板由于其断面积大，在冷却时，厚度方向上的热传散距离长，使其具有复杂 的传热特点。一方面，它要求有较大的冷却强度以带走钢板表面的巨大热量。另 一方面，乂要求在冷却过程中使钢板心部的热量尽量扩散到表面 ，以保证钢板内 部均匀冷却。且钢板冷却时，要