马钢---穿水冷却研究[1]

棒材穿水研究

王立丁

(马钢第三钢轧总厂设备保障部)

摘 要 穿水冷却是一套用于棒材生产线的在线热处理设备。轧制普通钢坯经过穿水冷却处理可以使综合机械性能大大提高，获得高质量产品。穿水冷却装置是由预冷段、喷咀段、水冷文氏管、出水段及其回水管组成。通过调节阀对穿水文氏管水量进行调节，以达到调节冷却速度的目的。

前言

马钢第三钢轧总厂棒材生产线以单线年产130余万吨的产能在国内长期独占鳌头，所生产的带肋螺纹钢筋以优秀的质量成为知名品牌。这其中穿水冷却工艺的研究和使用功不可没，其成果也处于国内绝对领先的地位。

经研究和生产实践表明，棒材经过穿水处理后，其机械性能可以提高几个等级，轧制普碳钢坯经穿水可以达到低合金钢的机械性能。尤其是在用HRB335钢坯生产出口三级螺纹钢筋G460时，充分利用了国际行业标准在化学成份方面的有利因素，大大降低炼钢生产的原料成本，使棒材穿水冷却成为三钢轧降本增效的一个亮点。

穿水冷却工艺原理

经过成品机架轧制后，棒材已达到成品材尺寸，此时的终轧温度为1100℃左右。在此温度下，棒材内部金相组织为奥氏体组织。在轧制过程中，因反复挤压变形，使晶粒得到细化。此后如不对冷却速度和上冷床温度加以控制，必然使棒材在轧后冷却过程中，内部产生晶粒粗大现象，最终导致机械性能下降，且冷却时间很长。

穿水冷却起到了对棒材进行轧后热处理，提高机械性能的作用。实际上就是一个轧后高温淬火加自回火的热处理过程，所不同是其淬火的时间比较短，金相转变不完全。如在用HRB335钢坯轧制出口材G460时，棒材在终轧1100℃温度下进入穿水冷却装置，先经过预冷段，将棒材温度降低至1000℃左右，再经穿水装置的喷咀段和水冷导管进行快速冷却处理，相当于进行高温淬火。由于文氏管的强大冷却效果，使表面温度在2-3秒时间内，迅速降低至400℃以下，形成淬火马氏体。由于淬火时间短，芯部温度仍然很高，棒材内外部温度梯度较大，因此，淬火层的厚度是有限的，实际大约有1.8mm厚，而且淬火层中的金相组织也不完全是马氏体，其中含有贝氏体等组织。通过调节水量可控制出口温度，在上冷床时的温度一般控制在650℃左右。此时，开始了利用棒材芯部余热进行高温回火的处理过程。最终得到的金相组织是表面主要为回火索氏体，芯部为珠光体和铁素体。正是由于表面层索氏体的存在，同时有淬火过程的细化晶粒作用，使得棒材综合机械性能大大提高。

另一方面，穿水冷却加快了棒材冷却速度，减少冷却时间，使得大幅提高产量成为可能。在轧制普通螺纹钢时，如果不用穿水冷却，则上冷床时温度过高，可达到950℃，到下冷床时表面温度仍将超过350℃，芯部温度更高。在经过精整打包后，内部散热更慢，相当于进行长时间的低温回火，使表面硬度和机械性能在打包甚至发货以后继续下降，以至于不得不采取降低轧制速度来保证冷却效果。当使用穿水冷却时，棒材上冷床温度在800℃以下，出冷床时表面温度能降至200℃以下。此温度下棒材金相组织不会继续转变，机械性能稳定，从而为提高轧制速度创造条件。

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穿水冷却装置

实际生产中使用的穿水冷却装置是由预冷段、喷咀段、水冷导管、出水段及其回水管组成。

喷咀段包含一组喷咀，是提供冷却水源的装置。冷却水在接触红钢时，棒材表面的水将产生汽化，形成汽膜，如不清除这层汽膜，将使水和红钢脱离接触，影响冷却效果。所以喷咀喷出的水流必须有一定的流速和入射角。压力水经过喷咀以一定角度顺轧制方向喷入水冷导管。由于这个角度的存在，使水流产生向前的流速，这一部分流体动能的分量保证水流克服水冷导管及轧件的阻力，并与轧件产生一定的相对速度，从而提高冷却效果。同时，这一向前的速度对轧件产生附加驱动力，可有效防止堵钢。但如果流速过快则会使轧件在出了终轧机架后运动速度加快，即产生推尾作用，影响轧件稳定运行，也影响轧件上冷床时的定位。因此，需要控制喷咀的角度。一般在30°左右。

水冷导管是穿水冷却装置的核心部件，轧件在水冷导管中与水直接接触，并进行热量交换。水冷导管由若干个短导管拼接而成，导管内径形成分段的渐缩管形状，我们称之为“文氏管”，但它与流体力学试验装置中的文氏管不能相提并论。穿水冷却中的“文氏管”只是利用类似于文氏管的形状来实现快速、均匀冷却。“文氏管”中可分为缩径区和扩径区，缩径区较短，主要起支撑轧件及导向作用。在扩径区，轧件从近似的水流中心穿过，形成真正意义上的穿水冷却。与普通等直径的水冷导管相比，“文氏管”的优点在于实现了穿水均匀冷却。在普通水冷管中，轧件因重力作用而贴近下方运行，不能保证轧件周围的水量均衡，也就不能保证轧件的均匀冷却。另一方面，由于“文氏管”不同区域直径不同，流速不同，使得“文氏管”内的水流方向和流速都在不断剧烈变化，产生强烈的紊流，从而可以提高换热效率。

预冷段设置在穿水装置的入口，由一个通水的空腔构成。它的作用主要阻止气体进入“文氏管”，以保证冷却效果。因为喷咀存在一个喷射角度，高速喷出的水流会在入口处产负压，外部的空气因此可以进入“文氏管”中。而空气的导热性能极差，水中的气泡会在轧

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件表面形成隔热层，大大降低换热效率。预冷段通过平衡水管，从穿水装置的出水口引水以填补喷咀射流引起的真空，消除负压，防止空气进入。同时，因有水存在，故也可起到预先冷却的作用。预冷水也可以从其他水源引水冷却，水量需要进行调节，水量过大将从穿水装置入口喷出，水量过小则不能有效封住气体。

出水段的作用是将水冷导管的出水汇集、减压、排放。出水段由一个虹吸管排水，这一方面可以减小出水段的压力，另一方面可以形成一个水头高度，使部分水能够通过平衡水管供给预冷水箱。在回水箱出口装有压缩空气喷咀，可以将轧件表面附带的水吹扫掉，以防止表面水珠引起的不均匀冷却。

穿水装置冷却效果影响因素分析

1 流速的影响

在穿水装置中，水流速度起到关键的作用。热量传导的速度与温差成正比。两个物体之间的温差越大，热量传导的速度越快，也就是热传导效率越高。轧件在穿过文氏管过程中，始终处于冷却水的包围。高温的轧件将迅速把热量传递给冷却水，使水温上升。如果轧件周围的水流速较慢，则水温迅速上升，减少了与轧件之间的温度差，从而降低传热效率。另一方面，水流速度慢时，轧件表面的水将迅速汽化，形成汽膜，阻挡轧件与水的接触，大大降低冷却效果。而高速流动的冷却水不仅能消除汽膜，迅速带走热量，使得轧件始终与低温的冷却水接触，提高传热效率，同时冷却水高速流动产生强烈的紊流，增加了局部的热交换性能。

2 水温的影响

从上述分析中可以看出，水温越高，冷却水与轧件之间的温差越小，则换热效率越低。反之，水温越低，换热效率越高。根据冷却水系统热负荷计算，供水温度提高5℃，冷却水用量将需增加30%，才能达到相同的冷却效果。

3 水压、水量的影响

在相同管径中，提高供水压力就意味着提高水流速度，就能有效提高换热效率。而水量是维持水压的必要条件。因此，水压、水量和流速是一个同一体的三个侧面，不能分离。

在棒材穿水冷却过程中，需要冷却水带走的热量主要包含三部分： 3.1离开轧机后棒材所含有的物理热量(热含量)： 棒材单位重量的热含量=比热(千卡/kg*℃)*温度(℃)

如为低碳钢，1000℃时，则1kg棒材的热含量为：1kg×1000℃×0.12千卡/kg*℃=120千卡 3.2相变过程所产生的热：

由奥氏体转变为珠光体新相时，每kg钢材可放出4千卡热量。 3.3金属氧化过程中所释放的热量：

NF＋1/2O2 FeNO＋63千卡/分子。

在穿水冷却段，棒材氧化很少，而相变产生的热量也很少，所以冷却水主要是降低棒材本身的物理热。当流速不变时，增加水量不能有效提高冷却效果，显然是一种浪费。而当流速过快时，将产生推尾作用，影响轧件稳定运行，这在轧小规格棒材时尤为突出。同时，水压受到供水设备的限制，不能无限提高。

4 文氏管通径的影响

文氏管的通径必须能够保证轧件顺利通过。当通径过小时，有可能引起堆钢。而通径过大时，要保持冷却水的流速和压力，就必须增加水量。当供水设备一定时，通径过大就会降低冷却效果。

穿水冷却系统

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来自水处理站冷却塔高位水池的水，经管路自流方式输送到棒材成品轧机旁的穿水增压泵组。冷却水经加压后达到2.5MPa压力，通过管路分配到5个冷却段。可根据钢种和轧制规格确定使用冷却段的数量。每一段用一只气动调节阀进行流量调节，以控制温度。 每一段有一套流量检测装置和一套压力检测装置。在计算机画面上能显示流量和压力以及调节阀开度。流量的调节操作在3#台进行。通过计算机分别对五段穿水文氏管水量进行调节，以达到调节冷却速度的目的。

根据生产工艺和设备配置设定穿水系统的检测点参数如下。

1水泵进口压力

压力检测元件设在水泵进口总管上。压力范围0～0.3MPa。用于反映水处理供水状况。

2系统压力

压力检测元件设在主管道，安全阀支管前。压力范围0～4.0MPa。用于反映系统运行状况。

3冷却段压力

压力检测元件设在各段调节阀后，软管接头前。压力范围0～3.0MPa。用于反映冷却段供水状况。

4供水温度

温度检测元件设在主管道，增压泵支管前。温度范围0～50℃。用于反映系统供水温度。

5回水温度

温度检测元件设在穿水提升泵出口主管道上。温度范围0～80℃。用于反映系统回水温度。

6系统流量

流量检测装置设在增压泵进口总管上。量程0～1800m3/h。用于检测系统总流量。

7冷却段流量

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流量检测装置设在各冷却段支管上。量程0～650m3/h。用于检测冷却段用水量。

水处理设备

穿水系统水处理设备的功能主要有过滤和冷却。从穿水装置排出的废水温度高达60至70℃，并含有氧化铁皮，必须经过处理以循环使用。水处理的工艺是：提升----过滤----冷却----过滤----循环加压。轧线废水经收集后排到提升泵房集水池，用提升泵加压后送往高速过滤器处理，利用余压上高位冷却塔冷却，冷却后进高位集水池，然后利用落差供给增压泵加压使用。在高位水池出口装有管道过滤器，以过滤冷却塔填料碎片等杂物。

在水处理设备中，冷却塔的效能对穿水工艺的影响很大。因为穿水系统的热负荷特别大，需要强有力的冷却设备才能将水温降下来，否则供水温度过高，将使穿水装置能力大大下降。另一方面，穿水系统回水温度常超过60℃，常规冷却塔的填料不能适应这样的高温，很容易损坏，因此需要采用高温型冷却塔。

结束语

近两年来，马钢第三钢轧总厂在棒材生产中使用穿水冷却取得了很好的效果。在设备方面，大力推行国产化，同时，不断进行研究和改进，解决了如外喷水、磨损等问题，使目前国内合作制造的穿水装置性能达到德国进口的同类产品性能，而价格仅为进口产品的1/8。在系统方面，进行了一系列改造，提高了系统控制能力，方便了操作，发挥了设备功能。特别在冷却塔方面的改造效果尤为突出，采用了特殊设计的高性能冷却塔，使穿水冷却的效果得到很大改善。在生产方面，通过穿水冷却工艺的开发和利用，成功地提高了产量和质量，降低了成本，获得很好的经济效益。

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