專題︱板帶鋼控軋控冷技術(shù)

高效軋制國家工程研究中心成立二十周年系列技術(shù)報(bào)道

編者按：北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心工藝裝備研發(fā)團(tuán)隊(duì)致力于板帶鋼控軋控冷技術(shù)的研究與開發(fā)，近20年來，團(tuán)隊(duì)在板帶鋼控軋中間冷卻、機(jī)架間冷卻、軋后控冷、�；刂评鋮s、輥式淬火機(jī)、特厚板淬火裝置設(shè)計(jì)等研究開發(fā)方面積累了深厚的理論知識(shí)與豐富的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的冷卻裝置涵蓋了目前國內(nèi)板帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的所有控制冷卻裝置類型。獲得了以一種中厚板在線淬火傾斜射流冷卻器為代表的多項(xiàng)發(fā)明專利，中間冷卻裝置、中厚板TMCP技術(shù)以及正火控冷裝置獲得了福建省、江蘇省以及中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)等多項(xiàng)省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)。截止2016年4月，中心開發(fā)的中厚板中間冷卻及差溫軋制工藝已經(jīng)應(yīng)用于武鋼、濟(jì)鋼、三明以及重鋼等4條生產(chǎn)線，中厚板正火控冷裝置應(yīng)用于濟(jì)鋼、邯鋼、舞鋼等國內(nèi)11條生產(chǎn)線，輥式淬火機(jī)應(yīng)用于南陽漢冶3800熱處理線，中厚板軋后控冷裝置應(yīng)用于國內(nèi)31條生產(chǎn)線，熱軋帶鋼層流冷卻裝置應(yīng)用于國內(nèi)9條生產(chǎn)線。這些生產(chǎn)線的應(yīng)用體現(xiàn)了北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心在國內(nèi)板帶鋼控制冷卻技術(shù)研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

1. 北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心板帶鋼控制冷卻技術(shù)研發(fā)歷程

1.1水幕冷卻技術(shù)

在 “七·五”期間，我國只有20家落后中厚板生產(chǎn)線，但是，控制冷卻技術(shù)緊跟國外的發(fā)展趨勢，在原冶金工業(yè)部的支持下，開發(fā)與應(yīng)用了以水幕冷卻為代表的軋后冷卻裝備。1989年，以北京科技大學(xué)、冶金部鋼鐵研究總院、重慶鋼鐵公司五廠（中板廠）聯(lián)合研發(fā)的水幕層流（或稱縫隙層流）冷卻裝置得到應(yīng)用。隨后若干年，該技術(shù)在國內(nèi)其他廠得到應(yīng)用，包括南京鋼鐵公司中板廠、新余鋼鐵公司中板廠、首鋼秦皇島中板廠等。2004年隨著國內(nèi)引進(jìn)住友的最后一條水幕冷卻裝置的投產(chǎn)，至今再也沒有新建水幕冷卻裝置，而原來已經(jīng)建設(shè)的水幕冷卻裝置也陸續(xù)停用、淘汰。

經(jīng)歷了興衰的水幕冷卻技術(shù)，有其必然的技術(shù)原因。主要是水幕冷卻技術(shù)的關(guān)鍵是保證成幕的噴水口窄�。▽挾�3-4mm，住友的水幕噴口寬約12mm），形狀復(fù)雜，噴口縫隙寬度和表面狀況，受冷卻水中的油脂、懸浮物、硬度以及鋼板熱輻射、機(jī)械碰撞等影響嚴(yán)重，容易導(dǎo)致水幕不連續(xù)，冷卻不均勻等問題，嚴(yán)重影響了冷卻效果。另外，設(shè)備維護(hù)量大、執(zhí)行器件壽命短等問題，也制約了設(shè)備的正常使用。

1.2加密管層流技術(shù)

1999年，北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心和鞍山鋼鐵公司共同開發(fā)了新型軋后冷卻裝置——加密管層流裝置（MPL-ACC），并在鞍鋼新軋鋼股份公司4300寬厚板生產(chǎn)線得到應(yīng)用（見圖1）。該加密管層流裝置是國內(nèi)自主開發(fā)的、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。該冷卻裝置利用了原鞍鋼4300寬厚板水幕層流裝置的供水和水處理系統(tǒng)，冷卻裝置采用加密集管層流，裝置克服了水幕冷卻裝置的固有問題，在提高冷卻能力、提高設(shè)備壽命、減少設(shè)備維護(hù)量等方面有其獨(dú)特之處。投產(chǎn)之后，很快為鞍鋼的低成本船板開發(fā)、高強(qiáng)度管線鋼X65、X70、X80的開發(fā)等立下汗馬功勞。

圖1 鞍鋼4300寬厚板生產(chǎn)線MPL-ACC裝置

北京科技大學(xué)開發(fā)的加密管層流裝置技術(shù)隨后在國內(nèi)舞陽鋼鐵公司4300、新余鋼鐵3800、湘潭公司3800、武漢鋼鐵公司2800等近30條中厚板或中板生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用；并針對(duì)中厚板生產(chǎn)的中間坯冷卻，開發(fā)出第一代中間冷卻（IC）裝置。

但是，第一套MPL-ACC裝置存在的技術(shù)問題在使用中逐漸凸顯出來。首先，高位水箱容量過小，限制了設(shè)備冷卻能力的發(fā)揮；同時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的供水量大、能耗高；其次，噴水管間距大、管徑大，冷卻能力雖然高，但是溫度均勻性受到影響，橫向容易產(chǎn)生“斑馬線”黑色低溫區(qū)，板面溫度均勻性在30℃；鋼板的宏觀力學(xué)性能雖然不受影響，但是表觀質(zhì)量和表面硬度均勻性較差。在后續(xù)的MPL-ACC裝置設(shè)計(jì)中，首先采用了大容量的高位水箱，水箱有效容積最大達(dá)到400m³，4300中厚板生產(chǎn)線ACC的供水能力下降到4500m³/h，ACC生產(chǎn)能耗明顯降低；其次，采取了小管徑、更加密的噴水管布置，并采取多排噴水管交叉布置、前后集管的噴水管交錯(cuò)布置等方式，克服了加密管層流噴水駐點(diǎn)分布間距大的不足，板面溫度均勻性得到提高；另外，在設(shè)備設(shè)計(jì)上，更多體現(xiàn)了以人為本的特色，在設(shè)備維護(hù)、檢修、運(yùn)行監(jiān)視等方面采取了多種措施，讓操作人員、設(shè)備維護(hù)人員、技術(shù)管理人員能方便地監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，方便、快捷地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修、維護(hù)。重鋼4100寬厚板軋后MPL-ACC裝置（如圖2）的使用表明，采用上述技術(shù)措施后，板面溫度均勻性可以有效控制在10℃。

圖2 重鋼4100寬厚板生產(chǎn)線MPL-ACC裝置

1.3超密度冷卻技術(shù)（SUPIC技術(shù)）

在板帶冷卻技術(shù)從普通層流→水幕層流→加密層流技術(shù)發(fā)展過程中，很重要的一條思路是分散水流，提高冷卻能力。

北科大相關(guān)理論研究表明：在單排集管層流冷卻時(shí)，實(shí)現(xiàn)核沸騰冷卻的區(qū)間在駐點(diǎn)兩側(cè)各70mm左右，之外區(qū)域是過渡沸騰和膜沸騰區(qū)域；核沸騰區(qū)的寬度受水流速度的影響，水流速度（水流密度）越大，核沸騰區(qū)越寬。加密層流冷卻能力強(qiáng)的主要原因是核沸騰區(qū)的擴(kuò)大，根據(jù)研究結(jié)果，北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心提出了超密度冷卻概念：采用密集分散噴射冷卻或?qū)恿骼鋮s方式，擴(kuò)大核沸騰冷卻區(qū)，提高傳熱效率。各種冷卻方式下，核沸騰區(qū)的分布如圖3所示。

圖3 各種冷卻方式下的核沸騰冷卻區(qū)示意圖

超密度冷卻方式，既避免了水幕冷卻的維護(hù)難題，又能克服常規(guī)加密層流因噴水U型管無法無限加密的缺陷，在冷卻能力（冷卻速度、換熱能力）及調(diào)節(jié)范圍較加密層流更為突出，保留了加密層流維護(hù)量小的優(yōu)勢。2008年，北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心成功開發(fā)了中厚板超密度冷卻器（SUPIC），與傳統(tǒng)U形集管冷卻器和國外的水枕冷卻相比，具有冷卻均勻性好、冷卻速度調(diào)節(jié)范圍大（20mm厚度鋼板冷卻速率可達(dá)45C/s)、冷卻效率高、供水能耗少、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備造價(jià)低等特點(diǎn)。圖4為超密度冷卻器的上下噴頭。

圖4 超密度水枕式冷卻器

北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心開發(fā)的新型超快速冷卻裝置，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。2009年在濟(jì)南鋼鐵公司2700中板生產(chǎn)線的軋后控冷裝置改造上初次使用了超密度冷卻器，隨后又在唐山文豐4300特厚板生產(chǎn)線（如圖5）、新疆八鋼3500中厚板生產(chǎn)線全部應(yīng)用第二代新型超密度冷卻器，2014年濟(jì)鋼4300正火熱處理線冷卻裝置采用第三代超密度冷卻器，2016年邯鋼2250熱連軋生產(chǎn)線軋后冷卻裝置應(yīng)用全新一代帶鋼快冷集管。

圖5 唐山文豐4300超密度冷卻裝置（2010）

1.4傾斜式超快速冷卻器（SUPIC-Curtain）

北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心在開發(fā)超密度冷卻器的同時(shí)，對(duì)板帶材淬火冷卻器的研究在理論上也取得成果。水幕在鋼板橫向形成的無縫冷卻為直接淬火（DQ）功能創(chuàng)造了條件，避免了點(diǎn)式噴水導(dǎo)致的局部不均勻冷卻，以及由此產(chǎn)生的板帶表面硬度不均勻的問題。但是，水幕（縫隙）層流冷卻的水流速度低，垂直噴射流速高又會(huì)導(dǎo)致噴濺，也降低了冷卻效果。

中壓水縫隙斜噴冷卻，可以兼顧無縫冷卻、噴水流速高、噴水無（或少）噴濺的諸多特點(diǎn)。以此為理論基礎(chǔ)，開發(fā)的傾斜式超快速冷卻器，噴射具有一定壓力（0.5MPa）的冷卻水，對(duì)鋼板全寬實(shí)行均勻的“吹掃式”冷卻，達(dá)到全板面的均勻核沸騰冷卻，不僅極大地提高了冷卻效率，實(shí)現(xiàn)了高速率的超快速冷卻；而且，可以突破高速冷卻時(shí)冷卻均勻性問題，實(shí)現(xiàn)了板帶材全寬、全長上的均勻化冷卻。圖6所示為北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心開發(fā)的傾斜式縫隙超快速冷卻器，南陽漢冶新建熱處理線淬火機(jī)上安裝了傾斜式超快速冷卻器。

圖6 傾斜式超快速冷卻器（SUPIC-Curtain）

2. 北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心板帶鋼控制冷卻技術(shù)應(yīng)用

截止2016年4月，中心開發(fā)的中厚板中間冷卻裝置已經(jīng)應(yīng)用于武鋼、濟(jì)鋼、三明以及重鋼等4條生產(chǎn)線，中厚板正火控冷裝置應(yīng)用于濟(jì)鋼、邯鋼、舞鋼等國內(nèi)11條生產(chǎn)線，輥式淬火機(jī)應(yīng)用于南陽漢冶3800熱處理線，中厚板軋后控冷裝置應(yīng)用于國內(nèi)31條生產(chǎn)線，熱軋帶鋼層流冷卻裝置應(yīng)用于國內(nèi)9條生產(chǎn)線。這些生產(chǎn)線的應(yīng)用體現(xiàn)了北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心在國內(nèi)板帶鋼控制冷卻技術(shù)研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。上述技術(shù)的典型應(yīng)用如圖7-圖10所示。近年來,上述技術(shù)典型的應(yīng)用業(yè)績見表1-表3。