《论文_水幕冷 却系统浅析(定稿)》.doc

水幕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 JingLaoUniversity of Science & Technology, BeijingSynopsis The significance of control cooling on the steel plate is expounded and the characteristics of the water curtain 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、 冷却较为均匀的当属水幕冷却，这也是控冷的发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,沿宽向无干扰，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%〜30%2) 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、下表而及纵、 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，便丁•处理事故和设备 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6) 由丁•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) 在水幕冷却系统中，大流量水幕与小流量水幕配合使用，并采用可调水幕, 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住选 择,系统的布置、控制与数学模型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 H本研究所得的水幕冷却能力K与冷却水流量的关系⑵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冷却水fi?・W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犬，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 300m7h） o（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3⑷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（100〜300C）达到最大值,在比其温度高的区域，换热系数随钢板表而 温度升咼而减小O200 300400 ^0 eoo 700aco 900工；::&出图3钢表面和喷水Z间的导热系数A—水冷、辐射和对流的导热系数总合B—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) 水流雷诺数的彩响⑷Qw=107-Re~0645(1) 式中Q.―均单位流量的冷却效率Re 雷诺数雷诺数越大，表明层流程度越差，冷却效率越低反Z,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Z,当高度过小，水流冲击钢板表面后虽不飞溅，但由于冲击动能 小,将不利于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丁艺条件下，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，当水幕随高度增人而收缩严重吋，应考虑收 缩因素后而定冲击力计算公式：p _ 0 • V1 - 3600⑵ 式中 P——冲击力p 水流密度Q——流量,m7hV 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250m7h时,h二1. 5〜1. 8为宜当儿个水幕同时启动时，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，其冷却效呆大;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，水幕间距也耍大;水幕流量小，水幕间距也耍小 因此，为得到高的冷却效率及考虑现场条件与投资，耍合理设置水幕间距，同时， 应安装侧喷嘴扫除积水，以利于冷却能力提高研究表明，对流量为250m7h,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，所需冷却区间长反乙水幕 流量大，间距大，冷却速率大，所需冷却区间短。

实践表明，水的流量和水幕装置的 间距成正比，据研究：L=0. 075Q12(4) 式中L——有效间距/mQ 水幕的流量,nT/h(7) 水幕厚度的影响在相同水量下，一个水幕数冃较多、厚度较薄的水幕系统比厚度大而水幕数 冃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、水幕装置加丁•成本、生产耍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冷却时间的确定钢板进入冷却区和冷却终了，耍求温降所需的冷却时间由下式确定⑵:h・C・V •加f 2 一（ ■2a式中 P——密度,kg/m3C——比热,kJ/kg Ch——钢板厚度,ma 强制对流换热系数,kj/m"* hL——冷却水温度，C几、T2——钢板进、出冷却区温度，C2.3冷却段长度L2的确定由式(5)可得⑹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0总=：€ •(2 • B(7)式中 喷水强度,m3/m2 h1B——喷水宽度,mU——冷却区长度,m有了总水量后，根据上、下水量比控制在0. 7〜1. 0 Z间进行上、下水量分配。

上水幕冷却总耗水量Q 上总为：⑻式中F冷——冷却区面积Q单——选定流量密度Q单一般小于68,对于一般加速冷却不需要过高的Q帕另外，过高的流量也使 现场不易达到耍求，故Q单一般在40〜50m3/m2h Z间耍在1700mm的宽度范围内使水幕流态稳定，水舌厚度不应小于6mmo因此 单个冷却箱流量最好在60〜150m7h Z间选择2.5冷却系统中水幕装置的数量⑼ 式中n——水幕个数L 水幕间有效间距U——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，具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 度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12〜30C/s,对于有特殊要求的钢种,冷却速度可取得更高一些，有的可达80C/So2.8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100〜200mm上水幕安装一般有三种方式⑴采用门式同定框，即在馄道两侧竖支架,将水幕装置同定于幅道上方这 种方式简单，方便，适用于老厂改造因其占地面积小，节省投资，但不利于事故处 理2) 水幕装置可沿辘道轴向移动，使水幕装置必要时可移出输岀轮道线3) 将水幕装置沿辘道一侧仰起一定角度后两种方式便于事故处理和设备检修,但设备复杂，占地而积大，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,但由于诸如控制等多方面的原因，改造的 并不太成功拯介绍，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，具有节能作用由于水幕水流与板而为线接触， 而虹吸管层流冷却水流与板而为点接触，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吋，水幕冷却不均匀所引起的热应力较虹吸管 层流冷却要大，对丁•带钢，由于板厚度较小，因此这种热应力的差别将减小。

水 幕冷却由于冷却强度大，板宽小时水幕成幕效果好水幕冷却更适于占地而积小、 耍求冷却区域短,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，这种口益增长的需耍也促使了钢板生 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Z有效的好方法，正 在得到广泛的应用钢板由于其断而积大，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，它耍求有较大的冷。