專題︱板帶鋼控軋控冷技術

高效軋制國家工程研究中心成立二十周年系列技術報道

編者按：北京科技大學高效軋制國家工程研究中心工藝裝備研發團隊致力于板帶鋼控軋控冷技術的研究與開發，近20年來，團隊在板帶鋼控軋中間冷卻、機架間冷卻、軋后控冷、常化控制冷卻、輥式淬火機、特厚板淬火裝置設計等研究開發方面積累了深厚的理論知識與豐富的工程設計與應用經驗，團隊開發的冷卻裝置涵蓋了目前國內板帶鋼生產領域應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發明專利，中間冷卻裝置、中厚板TMCP技術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協會等多項省部級科技獎勵。截止2016年4月，中心開發的中厚板中間冷卻及差溫軋制工藝已經應用于武鋼、濟鋼、三明以及重鋼等4條生產線，中厚板正火控冷裝置應用于濟鋼、邯鋼、舞鋼等國內11條生產線，輥式淬火機應用于南陽漢冶3800熱處理線，中厚板軋后控冷裝置應用于國內31條生產線，熱軋帶鋼層流冷卻裝置應用于國內9條生產線。這些生產線的應用體現了北京科技大學高效軋制國家工程研究中心在國內板帶鋼控制冷卻技術研究領域的領先地位。

1. 北京科技大學高效軋制國家工程研究中心板帶鋼控制冷卻技術研發歷程

1.1水幕冷卻技術

在 “七·五”期間，我國只有20家落后中厚板生產線，但是，控制冷卻技術緊跟國外的發展趨勢，在原冶金工業部的支持下，開發與應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、冶金部鋼鐵研究總院、重慶鋼鐵公司五廠（中板廠）聯合研發的水幕層流（或稱縫隙層流）冷卻裝置得到應用。隨后若干年，該技術在國內其他廠得到應用，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年隨著國內引進住友的最后一條水幕冷卻裝置的投產，至今再也沒有新建水幕冷卻裝置，而原來已經建設的水幕冷卻裝置也陸續停用、淘汰。

經歷了興衰的水幕冷卻技術，有其必然的技術原因。主要是水幕冷卻技術的關鍵是保證成幕的噴水口窄小（寬度3-4mm，住友的水幕噴口寬約12mm），形狀復雜，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、機械碰撞等影響嚴重，容易導致水幕不連續，冷卻不均勻等問題，嚴重影響了冷卻效果。另外，設備維護量大、執行器件壽命短等問題，也制約了設備的正常使用。

1.2加密管層流技術

1999年，北京科技大學高效軋制國家工程研究中心和鞍山鋼鐵公司共同開發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寬厚板生產線得到應用（見圖1）。該加密管層流裝置是國內自主開發的、擁有完全自主知識產權的技術。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，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、提高設備壽命、減少設備維護量等方面有其獨特之處。投產之后，很快為鞍鋼的低成本船板開發、高強度管線鋼X65、X70、X80的開發等立下汗馬功勞。

圖1 鞍鋼4300寬厚板生產線MPL-ACC裝置

北京科技大學開發的加密管層流裝置技術隨后在國內舞陽鋼鐵公司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線上得到廣泛應用；并針對中厚板生產的中間坯冷卻，開發出第一代中間冷卻（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，限制了設備冷卻能力的發揮；同時，系統穩定運行的供水量大、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，橫向容易產生“斑馬線”黑色低溫區，板面溫度均勻性在30℃；鋼板的宏觀力學性能雖然不受影響，但是表觀質量和表面硬度均勻性較差。在后續的MPL-ACC裝置設計中，首先采用了大容量的高位水箱，水箱有效容積最大達到400m³，4300中厚板生產線ACC的供水能力下降到4500m³/h，ACC生產能耗明顯降低；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布置等方式，克服了加密管層流噴水駐點分布間距大的不足，板面溫度均勻性得到提高；另外，在設備設計上，更多體現了以人為本的特色，在設備維護、檢修、運行監視等方面采取了多種措施，讓操作人員、設備維護人員、技術管理人員能方便地監視設備運行狀態，方便、快捷地對設備進行檢修、維護。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寬厚板生產線MPL-ACC裝置

1.3超密度冷卻技術（SUPIC技術）

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

北科大相關理論研究表明：在單排集管層流冷卻時，實現核沸騰冷卻的區間在駐點兩側各70mm左右，之外區域是過渡沸騰和膜沸騰區域；核沸騰區的寬度受水流速度的影響，水流速度（水流密度）越大，核沸騰區越寬。加密層流冷卻能力強的主要原因是核沸騰區的擴大，根據研究結果，北京科技大學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層流冷卻方式，擴大核沸騰冷卻區，提高傳熱效率。各種冷卻方式下，核沸騰區的分布如圖3所示。

圖3 各種冷卻方式下的核沸騰冷卻區示意圖

超密度冷卻方式，既避免了水幕冷卻的維護難題，又能克服常規加密層流因噴水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）及調節范圍較加密層流更為突出，保留了加密層流維護量小的優勢。2008年，北京科技大學高效軋制國家工程研究中心成功開發了中厚板超密度冷卻器（SUPIC），與傳統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、冷卻速度調節范圍大（20mm厚度鋼板冷卻速率可達45C/s)、冷卻效率高、供水能耗少、結構簡單、設備造價低等特點。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

北京科技大學高效軋制國家工程研究中心開發的新型超快速冷卻裝置，目前已經實現工業應用。2009年在濟南鋼鐵公司2700中板生產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特厚板生產線（如圖5）、新疆八鋼3500中厚板生產線全部應用第二代新型超密度冷卻器，2014年濟鋼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熱連軋生產線軋后冷卻裝置應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）

北京科技大學高效軋制國家工程研究中心在開發超密度冷卻器的同時，對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）功能創造了條件，避免了點式噴水導致的局部不均勻冷卻，以及由此產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導致噴濺，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。以此為理論基礎，開發的傾斜式超快速冷卻器，噴射具有一定壓力（0.5MPa）的冷卻水，對鋼板全寬實行均勻的“吹掃式”冷卻，達到全板面的均勻核沸騰冷卻，不僅極大地提高了冷卻效率，實現了高速率的超快速冷卻；而且，可以突破高速冷卻時冷卻均勻性問題，實現了板帶材全寬、全長上的均勻化冷卻。圖6所示為北京科技大學高效軋制國家工程研究中心開發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. 北京科技大學高效軋制國家工程研究中心板帶鋼控制冷卻技術應用

截止2016年4月，中心開發的中厚板中間冷卻裝置已經應用于武鋼、濟鋼、三明以及重鋼等4條生產線，中厚板正火控冷裝置應用于濟鋼、邯鋼、舞鋼等國內11條生產線，輥式淬火機應用于南陽漢冶3800熱處理線，中厚板軋后控冷裝置應用于國內31條生產線，熱軋帶鋼層流冷卻裝置應用于國內9條生產線。這些生產線的應用體現了北京科技大學高效軋制國家工程研究中心在國內板帶鋼控制冷卻技術研究領域的領先地位。上述技術的典型應用如圖7-圖10所示。近年來,上述技術典型的應用業績見表1-表3。