穿水冷却装置介绍

1、QTB技术现状（河北理工大学教授：任吉堂）该成果为了提高棒线材在线冷却效率，降低设备投入和运行成本从理论 是应用两个方面进行了工作。首次提出了采用无净化的轧机冷却循环水作为 冷却介质，浊水中含有的人量的氧化铁颗粒被用了作为载能体，利用随冷却 介质一同运动时候重金属颗粒所蕴藏的动能打破炽热棒线材衣面因膜态沸腾 而产生的蒸汽套。第一次从理论上证明了这一观点的科学性和合理性。指出 同体积水与重金属粒子对蒸汽套的破坏效果与重粒子的密度有密切关系。为防止浊水造成的喷嘴堵塞问题，课题组设计的防堵塞喷嘴已获得国家 实用新型专利。喷嘴具有防堵塞的特点是因为，含有重悬浮颗粒的冷却水通 过喷嘴座的法兰被切向引入了

2、喷嘴座内的环形内腔，再通过导流锥和导流锥 套组成的喷嘴喷出。这种喷嘴Z所以能防堵塞的原因是在导流锥和导流套Z 间设置有圆弧曲线形式的收敛的导槽，收敛的导槽还使得流体离开喷嘴时产 生加速效果，并集中直达轧件表面，提高了冷却效果。在给出的这套穿水设备的冷却管内，因设置了多个紊流套而迫使冷却水 在管内作紊态流动，强化了冷却水与轧件的热交换能力。实现了浊水强力穿 水冷却工艺。这一课题从论上说明了轧钢系统浊循环水直接用做穿水冷设备的冷却介 质的积极意义，并且设计出了防堵塞喷嘴的水冷设备。该成果可以广泛地应 用在轧钢企业的棒、线材生产线上，具有明显的经济效益会社会效益。1.项目背景热轧棒线材在线穿水冷却是

3、控制和调整棒线材性能的有效手段。对这一 装置的基本要求是使轧件在定时间内迅速冷却到预定的温度，即要求水冷 装置具有强犬的冷却能力，其常用冷却介质是净循环水，本研究给出的高效 穿水冷却装置所用的冷却介质是含有重悬浮颗粒的浊循环水，经过现场应用 表明其冷却效果非常显著，实现了浊水强力穿水冷却工艺。i亥项冃是河北省科技厅科技开发项冃（其科技字2002 12号计划中“冷 却介质屮重悬浮颗粒对控冷效果的作用机理研究与应用”项目，项目编号为 02212215）o已于2002年12月通过河北省科技厅组织的专家鉴定。鉴定水平 为国内领先。鉴定意见指岀：在国际上首次提岀利用浊水屮悬浮颗粒作为载 能体来破坏由于月

4、莫态沸腾而导致的蒸汽套，对理论研究和实际应用有指导意 义。同时该项目的穿水冷却设备（热轧棒线材生产线用强力穿水冷却装置） 已获得了国家实用新型专利，专利号：ZL01259841.0目前穿水冷却设备是近代棒线材轧钢生产线必备设备，是控制相变孕育 期最为直接的手段。目前，在国内外棒线材设备上所使用的穿水冷却用水冷 箱普遍存在着对水质的严格要求：其中水屮杂质要求在50mg/L以下，杂质颗 粒度不得超过50um。这势必导致水冷系统的结构复余，运行费用增加，加 人了维护的难度和复杂性。然而，若能利用冷却水中的重悬浮颗粒一一氧化铁皮在运动时所产生的 动能去打击冷却水屮的炽热棒线材表而的蒸汽套，是否可以提高

5、冷却效果 呢？课题组选择了这一方向作为本课题的突破口展开了研究。我们围绕着提 高冷却效果，简化水冷设备结构，降低造价，从理论、试验、实际结构设计 和应用等诸方面展开了技术攻关，完成了项目的开发，超出了预想的效果。2.浊水强力冷却装置的结构2.1现有水冷箱结构简介在冃前的热轧棒线材生产线穿水冷却用的水冷箱内设有冷却喷嘴和冷却 管。冷却水由喷嘴的坏形缝隙喷出，冷却箱屮还设有反扑喷嘴，以阻止冷却 水被轧件过多地带走。冷却水被水冷箱收集，并通过下端的排水口排出。现有的棒线材控制水冷箱的不足Z处是，对冷却水的水质要求严格，当冷 却水屮含有较人悬浮颗粒的时候，喷嘴容易被污物堵塞；同时，炽热棒线材 表面与冷

6、却水接触时，由于“膜态沸腾”导致在轧件表面上产生了动态的蒸 汽膜，严重的阻碍了冷却水与轧件Z间的热交换，使冷却效率降低。2.2强力穿水冷却设备介绍1,5,7-水箱2正向喷嘴丄冷却俗,4支架，&反扑水喷嘴&反扑气啖嘴.9-底座-,10-il渡台架，回水侏L2回水骨法兰本文给出的热轧棒线材生产线用强力穿水冷却装置如图1所示。该穿水 冷却装置所采用的冷却介质就是轧机工艺冷却系统的浊循环水。它包括集水 箱、正向喷嘴、冷却管、支架、反扑水喷嘴、反扑气喷嘴、底座和设在底座 内的主回水管等部件。入口集水箱以悬愕方式固定在正向喷嘴的入口导管上, 冷却管通过其自身一端的法兰盘被螺栓固结在正向喷嘴

7、上的导流锥套的出口 端。为了强化轧件与冷却水的热交换效率，必须迫使冷却水在冷却管内以湍 流状态流动，所以冷却管内装有多个紊流套，构成了变内经结构。三个密封 的集水箱分別设在了正向喷嘴入口，冷却管与反扑水喷嘴Z间以及反扑水喷 嘴和反扑气喷嘴Z间。各个集水箱收集的回水，通过设在底座内的回水管汇 入到轧机地沟。该穿水冷却装置Z所以冷却能力人的关键部件是正向喷嘴装置和冷却 管，正向喷嘴结构如图2所示。含有重悬浮颗粒的冷却水通过喷嘴座的法兰 被切向引入了喷嘴座内的坏形内腔，再通过导流锥和导流锥套组成的喷嘴喷出。这种喷嘴Z所以能防堵塞的原因是设置有圆弧曲线形式的导槽，导槽具 体结构见图3。图2正向喷嘴部件

8、剖面图1-入口导嘴；2导流锥;3锁母;4,6密封翩：5环形内腔;7导流惟套;8螺程.9入水口 ：10充体;11耐磨衬套图3导流锥结构图/：/74#陵嘴大堞言径 环形迪溢轧件液体流向/阻III毎4連柠图4液体在啖嘴中沆动的示意图3浊水冷却效果及其冷却机理利用浊水作为冷却介质的热轧棒线材生产线用强力穿水冷却装置，结构上允许冷却水屮含有较人的重悬浮颗粒。只要重悬浮颗粒粒度小于喷嘴出口 直径，喷嘴就不会发生堵塞。5.1冷却介质运动分析从常规棒线材水冷箱屮的 喷嘴内喷出的液流形式为坏形 的，离开喷嘴的坏形液体汇集到 轧件表面的时候，由于液流间的 相互作用而改变了运动方向，并 且伴有雾化现彖产生。这种雾化

9、 现彖随液体喷射压力的增人而 越加严重，所以很难将液流的动 能完全作用到轧件衣面上。图4农示了此冷却装置屮的冷却水在喷嘴屮流动和由喷嘴屮喷出的路径。 液体经过切向引入了喷嘴的环形通道后，从收敛的圆弧状导槽喷出，不但加 人了流股的喷射动能，而且减小了流体的流动阻力。流股能以喷出状态各自 独立运动直达轧件表面，有利于保持流体和流体中夹带的悬浮颗粒的喷射动 能，这对于击破轧件表面由于“膜态沸腾”导致的蒸汽套的是十分有利的。冷却管内因设置了多个紊流套，迫使冷却水在管内作紊态流动，强化了 冷却水与轧件的热交换能力。5.2冷却效果分析从具有圆环形沟槽组成的收敛通道喷出的流股直达轧件，将流股的动能 全部作用

10、在轧件表面上。与常规喷嘴不同，冷却装置采用无净化处理的轧机 用浊循坏水，不仅可以减少水循环系统的投资，降低运行费用，而且冷却水 中的重悬浮颗粒是作为提高冷却效率的物质而存在的。水屮重悬浮颗粒主要为氧化铁，它随著高速流动的冷却介质一起被喷到 轧件的表面上。正是冷却介质屮的这些重颗粒作为载能体，将其携带的能力 倾泻到了蒸汽套上，将蒸汽套打破，冷却状态由“膜态沸腾”转变为“过渡 沸腾”冷却能力得到明显的加强。水中重悬浮颗粒主要为氧化铁，其密度a远远大于水的密度口。由物质密 度的表达式为：严式中:质量；V体积。根据动能表达式：E=丄加忻2则体积为V的冷却水和P百分含量的氧化铁V0与(1-0 )百分含量

11、的 Vw浊水的动能分别为：= E。=卜"pv。+ AVj=刖 + 几(1- 0")(3)6注意到水在运动过程受到外扰或者自身的相互作用而在方向上容易改 变，其整体性方而也具有明显的脆弱性问题，使得其具有的能量不能全部到 达轧件，而作为夹带在冷却介质屮的重悬浮颗粒来说，则其在到达轧件农面 前本身是独立的个体，其能量损失较小。由于重悬浮颗粒和水以同样速度V到达轧件表面，忽略物性差别带来的 不同性，则它们的动能近似地表示为：h=E° =P<,T +0" 一0卩厂 (4)pyPw文献中给岀的氧化铁颗粒的密度为p =5.7 ,水样分析结果表明B 般可达 0.

12、 5%4. 5%,公式(4)的计算结果为：h =1.02351.2115,这表明含有悬 浮颗粒的浊水具有的动能是清水动能的1. 02351. 2115倍数。公认的结果表明，当冷切介质中的非水介质含量不超过5%时候不会对冷 却效果产生明显的影响。公式(4)的计算结果说明浊水冷却的优势。但是， 与清水实际冷却能力的对比结果表明，浊水冷却效果却可以成倍的提高。这 是为什么呢？分析认为，喷嘴屮喷射岀的冷却水在到达炽热的轧件表面时， 受到了来自轧件表面快速生成的膨胀的蒸汽膜的排斥作用而改变了水流的运 动方向，降低了冷却水的作用效果。正是由于浊水中的这些悬浮颗粒，以冷 却水的喷射速度打击着轧件表面上的蒸汽

13、膜，破坏了蒸汽套的屏蔽作用，使 得冷却过程中的换热系数显著地增大了。这就从理论上说明了同体积的含有氧化铁悬浮颗粒的浊水和清水对于破 坏轧件表面蒸汽套的作用差别。所周知，紊态流动能使轧件的冷却速度得以显著提高。所以在冷却管内 设置了多个紊流套，由于其内经尺寸呈周期性变化，迫使冷却水形成了紊态 流动，加人了冷却介质与轧件的热交换强度。4. 技术的关键点1) 发现并验证了流动冷却水中具有动能的重悬浮颗粒对炽热棒材表面 由于膜沸腾而产生的蒸汽套的破坏机理；2）研制出了可直接使用无净化的循环冷却水进行在线水冷的高效冷却 装置，并在宣钢热轧棒材线上进行了实际应用；3）冷却喷嘴中有导流套和带圆弧收敛导槽的导

14、流锥，可有效防止冷却介 质中的重悬浮颗粒发生堵塞，可实现冷却水流阻力小，出口喷射速度大，流 股集中，且能直接汇集于棒材表面；4）冷却管中的紊流套可迫使在其中流动的冷却水作紊态流动，冷却效率 高；5）高效冷却装置的导流锥、导流套、冷却管等装配方便简单，调整准确 灵活，运行稳定可靠。5. 技术的创新性1）浊循环水中重悬浮颗粒动能的利用轧机用工艺冷却循坏水为浊循环水，水中含有大量的重悬浮颗粒。本研 究提出了利用浊循环水中重悬浮颗粒的动能来轰击炽热棒材表面的蒸汽套， 在与常规冷却箱水压水量相同的前提下，明显地提高了轧件的冷却效果。2）防堵塞喷嘴的设计与使用本研究发明的防堵塞喷嘴已经获得了我国的实用新型

15、专利，专利号为： ZL01258941.0o这里给出的喷嘴结构由于在喷嘴锥和套Z间开设了收敛的矩形截面的弧 形通道，不但流动阻力小，喷射速度人，有效的保持了喷出的流股在汇集到 轧件表面前的动能，且避免了传统喷嘴喷出的瀑布样水流在汇集到轧件的过 程中，因相互作用而产生的分散现象。3）冷却水管中设置了紊流套冷却水管中设置了紊流套。由于在冷却套内装入了可灵活更换的迫使管 内水流作紊态流动的紊流套，所以轧件在管内冷却强度明显加大。4) 高效冷却装置的整体结构简单这套高效冷却装置的整体结构简单，造价低廉，装配方便，调整简便，加 之水压较低，故而运行费用较低。6. 实施效果该项目在宣化钢铁公司二轧厂实施结果表明：轧后的快速冷却有利于获得细小的，明显地降低了珠光体的片层间距。 通过对未穿水的HRB33-5 (20MnSi)钢筋金相组织的观察，轧后空冷得到的铁 素体晶粒度只能达到8级，晶粒平均尺寸为20 P m左右。对于穿水的轧件组织的观察得知，铁素体晶粒得到明显的细化、珠光体 片层间距减小和碳化物析出更加弥散等。此