层流冷却 [中厚板层流冷却控制系统分析]

　　【摘 要】中厚板作为使用范围广阔的钢铁品种，被广泛应用在桥梁、造船、机器部件、建筑、军工、油气输送等领域。随着经济技术的发展，中厚板产品也面临着严格质量要求的挑战。虽然，目前国内多数钢厂已安装控制冷却系统装置，但由于实际生产中的种种问题，冷却控制系统还未充分发挥其技术潜力。今后的研究工作，可以加强对冷却过程的自动控制，并不断采用先进的控制技术来提高终冷温度的控制精度；因此，中厚板的生产过程中的控制轧制以及控制冷却技术应运而生，并已取得显著的成效。本文对此进行了分析，希望从中得到一些启发。
　　【关键词】中厚；板层；冷却；控制；系统
　　引 言
　　中厚板作为使用范围广阔的钢铁品种，被广泛应用在桥梁、造船、机器部件、建筑、军工、油气输送等领域。随着经济技术的发展，中厚板产品也面临着严格质量要求的挑战。中厚板不仅需要优良的表面质量和板形，还需具备优质的组织力学性能。因此，中厚板的生产过程中的控制轧制以及控制冷却技术应运而生，并已取得显著的成效。但国内的控制冷却系统与发展已趋近成熟的国外相比，仍存在一定差距。因此，中厚板的层流冷却控制系统做进一步研究十分有必要。
　　一、中厚板层流冷却系统的原理
　　中厚板的冷却一般采用了层流冷却的控制冷却方式。其工作原理在于：冷却装置将流速低、压力小的冷却水喷向钢板，使得钢板表面覆盖层流状态的水层；通过冷却水与高温钢板表面的对流换热，使钢板冷却至目标温度。
　　一般冷却控制系统中，冷却水最初与钢板接触时，钢板的高温会使冷却水快速沸腾且汽化，导致钢板的表面产生蒸汽膜，而蒸汽膜将对冷却水与钢板之间的换热过程产生严重影响。相比之下，层流状态的冷却水层可以降低钢板表面蒸汽膜的影响，最大程度得使冷却水与钢板表面进行有效接触，从而提高钢板的冷却效率。
　　二、中厚板层流冷却系统的控制目标及优缺点
　　中厚板层流冷却作为一项复杂的非线性过程，其控制目标是钢板的冷却速率以及目标的终冷温度。这就需要根据中厚板的终轧温度、规格尺寸、钢板品种、冷却速率以及目标终冷温度对喷水区的长度和喷水模式进行调整；同时，冷却水的流量和开启冷却集管的数量也需要随之进行变动，最终力求钢板的目标终冷温度达到工艺要求。在这一项过程中，钢板进入冷却区前需要根据冷却工艺对各种参数进行严格精确的设置。
　　层流冷却作为目前应用广泛的控制冷却系统，在中厚板的控制冷却过程中更能其优点：第一，拥有较大的冷却速率和较强的冷却能力；第二，是一种可靠性高且可控性好的冷却系统，其优良的冷却均匀性在钢板宽度方向上比其它冷却方式更加突出优秀；第三，冷却设备采用低压供水，动力消耗相对较少。
　　虽然层流冷却系统具有以上优点，但在实际生产应用中仍存有一些缺点，归纳如下：第一，当冷却水柱冲击接触钢板表面之初时,在冲击点处易形成圆形黑区，这个区域内的冷却效果尤其明显，但随着冷却水的扩散，冷却效果急速减弱；第二，扩散的水流将会互相干扰，导致在钢板上滞留的水产生作用较微弱的二次冷却；第三，冷却集管排与排之间的水柱流动容易受阻，前排的冷却水对后排冷却水的流动产生影响，从而降低了整体的冷却效率。
　　三、目前冷却控制系统存在的问题及分析
　　因为设计原因以及现场对冷却水要求的变化，目前国内中厚板层流冷却控制系统在实际操作中仍存有部分问题。这些问题主要集中表现为冷却能力不足、冷却均匀性有待提高、冷却水压不稳定、终冷温度控制精度较低等。不仅对中厚板的质量产生严重影响，而且无法充分发挥层流冷却控制设备应有的作用。
　　1、冷却能力的不足
　　高位水箱的设计是冷却能力的关键点，这包括高位水箱尺寸的设计以及水箱安装的高度确定。水箱尺寸过小将无法提供所需水量，影响正常的水循环；相反，当水箱尺寸过大时，将造成水量的浪费，导致成本的提高。水箱的高度不够时，将达不到工艺要求的冷却效果。
　　2、冷却均匀性有待提高
　　中厚板的冷却均匀性包括宽度、长度和厚度方向的冷却均匀性。而厚度的冷却均匀性又包括钢板的内部温度均匀性以及钢板上下的表面温度均匀性。在实践生产过程中，由于轧制节奏、喷流水的流向以及冷却水的强制冷却作用等原因，冷却的均匀性仍有极大的进步空间。
　　3、冷却水压不稳定
　　冷却水压是否稳定是影响到钢板冷却效果的另一关键因素。高位水箱中水的流动形态和冷却集管是与水压相关的两个重要方面。水压不稳定将致使冷却水的喷流速度对钢板表面的冲击效果产生差异，最终导致冷却不均匀。
　　4、终冷温度控制精度较低
　　终冷温度的控制精度是整个层流冷却控制的关键，也是冷却控制系统重要的控制目标。目前终冷温度的控制主要通过控制数学模型进行，因此冷却数学模型的描述不够准确是终冷温度控制精度不佳的根本原因。通过对层流冷却过程的换热机理进行严谨分析，就能掌握影响终冷温度的不同因素发生及解决机制。利用现场实测数据不断对冷却数学模型进行深入优化，建立精确的数学模型，从而使终冷温度的控制精度得到极大提高。
　　结 语
　　中厚板的生产量已占到整个钢铁生产总量的极大比重，一个国家的中厚板生产水平成为衡量此国家钢铁工业水平的重要标志。虽然，目前国内多数钢厂已安装控制冷却系统装置，但由于实际生产中的种种问题，冷却控制系统还未充分发挥其技术潜力。今后的研究工作，可以加强对冷却过程的自动控制，并不断采用先进的控制技术来提高终冷温度的控制精度。
　　参考文献
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