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1、 冶金之家网站常化炉气雾冷却系统的应用李飞(中冶南方(武汉) 威仕工业炉有限公司)摘 要：为了满足高牌号无取向硅钢和高磁感取向硅钢的常化退火工艺要求，设置了常化炉冷却段，通过气雾、空气及喷淋水达到带钢冷却要求。其中气雾冷却段要求最高，故其气雾冷却技术越来越受到关注。目前已投入工业应用的两相流冷却技术主要采用空气雾化水，将雾化后的气体和水滴的混合物直接喷射到带钢表面以较快速率冷却带钢。气雾冷却具有换热系数大、冷却效率高等优点，是一种较为理想的冷却方式。关 键 词：常化炉；气雾冷却；气雾喷嘴随着用户对硅钢产品性能要求的不断提高，硅钢工艺的不断改进，特别是在设备制造、技术应用和工艺控制方面的进步，使
2、得冷却技术越来越重要。现已开发了多种冷却技术(包括喷气冷却、高速喷气冷却、气雾冷却、辊冷技术和水淬冷却等)，以达到合理的冷却效果。冷却速度低，无法满足工艺要求；冷却速度太高，会使运行费用相应提高。目前一种采用气雾冷却带钢的方法有效地解决了以上问题。1 雾化的种类及选择目前，利用水直接喷淋对高温工件进行快速冷却，有两种雾化方式：一种是机械雾化，另一种是利用压缩空气作为雾化气体进行雾化。机械雾化主要是利用水的压力和一定的喷嘴形状达到雾化的目的。这一看似简单的问题，实际上存在很多不尽人意的时候。为达到较好的雾化效果，喷嘴的喷口必须很小。一般 2mm 左右才有一定的雾状效果。如果要形成稳定、均匀的雾状
3、，喷口应更小，且喷嘴内应设置一定长度和一定角度的旋流路径。在常温和水质好的情况下，喷嘴可以完全按照所设想的状况工作。但实际上，工业用水的杂质很多，各种微生物、氧化铁、污泥、无机盐，即使经过过虑，也会从小粒子絮集成大团堵塞喷嘴。高温下，水在流道内会结垢，慢慢使喷口变小，首先影响冷却速度，然后喷口被杂质完全堵塞。特别是不连续工作的喷嘴，更易发生堵塞。而且，在缺水状况下承受高温，会产生变形，严重影响雾化效果。同时，这种喷嘴的有效调节范围很小，要增大调节范围必须更换喷嘴。利用压缩空气作为雾化介质进行雾化的喷嘴具有以下特点：(1)压缩空气与水在喷嘴内腔混合。由于它们进入内腔的速度和方向的不同而产生强烈的
4、搅拌和旋转，然后一起从喷口成雾状喷出。(2)与机械雾化喷嘴相比，水流经过的流道截面积要大的多。比如，15kg/h 的机械雾化喷嘴的喷口只有 0.5mm，而同样流量的气雾喷嘴的喷口是 2mm。200kg/h 的机械雾化喷嘴的喷口只有 2mm，而同样流量的气雾喷嘴的喷口是 5mm。这样一来，与机械雾化相比，喷嘴更不易堵塞。(3)与机械雾化喷嘴相比，水流喷出喷嘴的速度要大的多。在压力一样的情况下，速度的平方与流体的密度成反比。加压缩空气后，流体密度只有原来的三分之一左右。机械雾化喷嘴的水滴直径大，在200600m，并且分布不均匀。气雾喷嘴的水滴直径小于50m，分布均匀。这样，与机械雾化喷嘴相比，冷却
5、效果有很大提高。(4)与机械雾化喷嘴相比，水流量的调节范围要宽的多。因为压缩空气与水流量的比例范围较宽，均可以形成雾状。(5)对于被冷却物体超过300 时，水与物体表面没有润湿性。大部分的水都因为爆裂而被浪费掉了，而气雾冷却系统可以控制水流量，使得冷却水几乎正好被蒸发，从而大大节约用水。(6)不开压缩空气，喷嘴的雾化面积不变，只是雾滴变粗。2 冷却速率的计算 冶金之家网站向带钢表面喷水雾，依靠水变成蒸汽带走的气化潜热对带钢进行冷却，冷却速度可以大幅提高(500 /s)。带钢在压缩空气和水雾混合介质中冷却时，将带钢看成薄材，则带钢表面传递给介质的热量即为带钢本体的热量，其热平衡关系可用公式(1)
6、表示。A(T-Tm)+HwQwdt=GCpdt (1)式中： 为气体与带钢表面的综合传热系数，W/(m 2)； A 为传热面积，m 2；T 为带钢温度，；T m 为冷却气体温度，；H w 为冷却水汽化热，kJ/kg；Q w 为冷却水水量，kg；C p 为带钢比热，J/(kg) ；G 为带钢重量，kg/m。积分后，可得到冷却时间与温度变化的关系式，见公式(2)。式中：T e为带钢冷却结束温度， ；T f为环境温度，。计算时，介质中冷却水含量按照摩尔百分数计，不同水含量时带钢温度随冷却时间的变化计算结果示于图 1。从图 1 可见，随着冷却水含量增加，达到同一带钢温度的冷却时间大幅度减少，说明冷却速
7、度大大提高。故在工程中常常采用气雾喷嘴进行冷却。3 系统的有关参数及计算以高磁感取向硅钢常化退火为例，炉子能力 21.5t/h，通板速度 18m/min，板宽1080mm，板厚 2.3mm。工艺要求带钢进炉口 3m 内从 950降到 550，最终降到 80。(1)第一节：板温(3m 内)从 950冷却到 550；钢板平均比热 =0.46kJ/(kg)。质量板速 V=21059kg/h；冷却功率 P1=VT1=3874856kJ/h，考虑到板宽只占冷却宽度的 65%(主要防止钢板镰刀弯及跑偏的情况发生，而增大冷却宽度) ，以及较高的保险系数，冷却水的温升设定为 40，蒸发量为 10%。冷却水量
8、Q1=P1/(225810%+40)=14567kg/h(2258 为水的汽化潜热值 )。(2)第二节：板温从 550冷却到 80。冷却功率 P2=VT2=4552956kJ/h。冷却水量Q2=P2/(225810%+40)=17116kg/h。(3)气雾冷却水量 Q=Q1+Q2=31683kg/h，冷却水管径取 1084。(4)设定每个喷嘴冷却水量 200kg/h，喷嘴数量 N1=Q/200=158。设定每根喷管 8 个喷嘴，则喷管数量为 n1=158/820。(5)设定每个喷嘴冷却气量 0.06m3/min，冷却用压缩空气用量Qk=0.06160m3/min=9.6m3/min，压缩空气总
9、管径 DN=65mm，气管管径取 763.5。 冶金之家网站而实际上某钢厂气雾冷却段长度为 10m，每根喷管之间的距离为 430mm，布置 42 根(下部 21 根，上部 21 根)。前面部分留给处理高磁感取向硅钢，后面部分留给处理无取向高牌号硅钢(无取向高牌号硅钢要求气雾冷却段在后部， 2.7m 中的某段冷却区域(0.4m 长)内 700冷却到 550)，可保证在 56m 的范围内 HiB 钢能从 950冷却到 80。4 气雾冷却系统的组成气雾冷却系统由带压力、流量自动调节的压缩空气系统，以及带压力、流量自动调节的喷淋水的循环、补水系统组成。压缩空气系统由空气压缩机、手动阀、过虑器、压力表、
10、压力调节阀、流量调节阀、流量计、总管、分管、分管手动阀及手动调节阀、喷嘴等组成。水系统由积水槽、初滤池、精滤器、手动阀、水泵、压力表、压力调节阀、流量调节阀、流量计、总管、补水管、分管、分管手动阀及手动调节阀、喷嘴等组成。(1)喷管一根喷管上设有若干(7、8)个喷嘴。压缩空气管位于水管内，不会受到高温辐射。单根喷管可以在不停机的情况下拆下进行除垢等清洗。喷嘴的水雾覆盖范围略有重叠，冷却均匀，且不留空白。(2)系统调节性能由于气雾喷嘴本身的调节范围较宽，以及系统的调节手段增加，所以系统的调节性能大大改善，更能适应工艺的要求。可以比浸入水中冷却快，也可以比浸入油中冷却慢，可以达到任意冷却速度。当停
11、水时，可以不停压缩空气，用以冷却喷嘴，但不会冷却工件(水冷对象) ，提高喷嘴的寿命。即使采用同样规格的喷嘴，每根喷管也可以单独调节其喷淋水量。水的控制，采用带动力的计量泵。水的流量只与计量泵的转速有关，与管道阻力无关。这样可以精确地控制冷却水量，不受压缩空气压力和管道阻力等波动的影响。在紧接气刀的 10m 范围内设置 42 根气雾喷管。在处理高磁感取向硅钢时，利用前部几根喷管，将要处理的钢板从 950降到 80。在处理无取向高牌号硅钢时，该处喷管不喷水。在处理无取向高牌号硅钢时，打开后部 2.7m 范围内一对或两对紧排的气雾喷管，利用这几根喷管，将要处理的钢板从 700迅速降到 550。虽然每
12、次只使用其中的几根，但因为工艺及带速的变化，在该范围内的每根喷管都有可能被用到。在处理高磁感取向硅钢时，该处喷管不喷水。5 结语采用气雾冷却带钢的方法是目前比较节能可行的方式。气雾冷却系统的核心为喷嘴，不同形式的气雾喷嘴有不同喷雾形状和流量分布特性、雾化角度、雾粒直径大小、冲击力分布，根据各种工况下的雾化状态，采用最合适的喷嘴。要想提高硅钢产品性能必须重视其冷却技术，建议要先对喷嘴进行有限差分传热仿真计算，开发相应的数学模型，详细考虑带钢在冷却区域内所经历的多种传热边界条件，包括喷淋冲击传热、辊子接触传热、辐射传热等，通过模拟实验，根据不同喷射速度、角度来确定流量，采用粒度分析仪或相机记录各种工况下的雾化状态，完成单个喷嘴性能试验后，按照一定喷嘴间距完成喷管的设计。
