一种热轧带钢轧后冷却线的设计方法

摘要

本发明公开了一种热轧带钢轧后冷却线的设计方法，包括以下步骤：确定冷却线的集管布置形式；上集管流量计算；下集管流量计算；侧喷集管流量计算；热流密度计算；单根上集管和下集管冷却能力计算；总水量计算；流量校核；冷却线设备布置图绘制；冷却工艺模拟；生成设计信息报告。由于本发明在设计中，采用与轧制规程、设备结构相结合的方法，使整个设计过程非常清晰。由于本发明可以采用计算机程序进行计算，设计周期短。由于本发明采用了理论模型与现场实际数据相结合的计算方法，设备参数计算准确。本发明充分考虑了计算结果的实用性，能提供从冷却线设计、工艺计算到招标文件制作等完整的一条龙服务。

主权项

1.一种热轧带钢轧后冷却线的设计方法，基于目前典型的层流冷却、加密冷却、超快冷却这三种冷却线类型，从冷却喷管(4)设备参数出发，依据水力学模型进行集管流量计算和总水量计算；遵照冷却区要求和上集管(1)与下集管(3)布置类型，在单根集管冷却能力计算的基础上进行集管数计算和集管分布计算，从而实现冷却线设备布置参数计算；在此基础上，按照产品大纲，基于典型的传热模型和卷取温度计算模型进行典型钢种、厚度规格的产品冷却工艺模拟计算；其特征在于：具体包括以下步骤：A：确定冷却线的集管布置形式按照每一控制阀所控制集管的冷却能力大小，可将上集管(1)划分为粗调型、精调型和微调型三种布置型式；下集管(3)也同样划分为粗调型、精调型和微调型三种布置型式；目前常见的上集管(1)布置采用“4+8”或“6+12”方案，即将冷却区分为主冷区和精冷区，主冷区每组上集管(1)由4根或6根集管组成，精冷区每组上集管(1)由8根或12根集管组成；所述的精冷区至少有两组上集管(1)，作为过程控制中的流量微调手段和反馈调节之用；所述的主冷区上集管(1)和下集管(3)布置型式有“1∶2”或“1∶3”方案，即主冷区每根上集管(1)对应2根或3根下集管(3)；精冷区上集管(1)和下集管(3)布置型式有“1∶1”或“1∶2”方案，即精冷区每根上集管(1)对应1根或2根下集管(3)；B：上集管(1)流量计算上集管(1)上引出多根U型鹅颈管(2)，主冷区上集管(1)上布置两排鹅颈管(2)，精冷区上集管(1)上布置一排鹅颈管(2)；因此在计算上集管(1)流量之前应先计算单根鹅颈管(2)的流量，再根据轧线宽度和鹅颈管(2)间距确定出的鹅颈管(2)数计算得到上集管(1)的流量；单根鹅颈管(2)流量可通过式(1)计算：式中，nwf_上为单根鹅颈管(2)流量，m³/h；H为压力水头高度，m；d为鹅颈管(2)管嘴直径，m；g为重力加速度；ζ为鹅颈管(2)管嘴阻力系数；根据式(1)计算出的单根鹅颈管(2)流量，按照式(2)即可得到单根上集管(1)流量：式中，Q_上为单根上集管(1)流量，m³/h；a为鹅颈管(2)排数；WidthLine为轧线宽度，m；Space为鹅颈管(2)横向间距，m；C：下集管(3)流量计算下集管(3)采用直流喷管(4)，受辊道辊间距的限制，不论主冷区还是精冷区，一个下集管(3)上只布置一排喷管(4)；因此在计算下集管(3)流量之前应先计算单根喷管(4)的流量，再根据轧线宽度和喷管(4)间距确定出的喷管(4)数计算得到下集管(3)的流量；单根喷管(4)流量可通过式(3)计算：式中，nwf_下为单根喷管(4)流量，m³/h；μ为喷管(4)阻力系数；r为喷管(4)管嘴半径，m；p为水压，kPa；根据式(3)计算出的单根喷管(4)流量，按照式(4)即可得到下集管(3)流量：式中，Q_下为单根下集管(3)流量，m³/h；Space_d为喷管(4)横向间距，m；WidthLine为轧线宽度，m；D：侧喷集管(5)流量计算每组上集管(1)后都布置至少一组侧喷集管(5)，主要目的是吹扫带钢表面上的冷却水，便于下一组上集管(1)新流出的水直接和带钢进行热交换，提高换热效率；单根侧喷集管(5)流量可通过式(5)计算：式中，nwf_侧为单根侧喷集管(5)流量，m³/h；μ为侧喷集管(5)阻力系数；r为侧喷集管(5)管嘴半径，m；p为水压，kPa；f为侧喷集管(5)充满系数；E：热流密度计算根据上集管(1)中鹅颈管(2)的布置参数和流量即可通过式(6)计算出冷却区的水冷换热热流密度：$q_m=9.72\times {10}^5·{\Phi }^{0.355}\times {\left(\frac{[2.50-1.15\log T_w]\times D\times {10}^{-3}}{P_L·P_C}\right)}^{0.645}---\left(6\right)$式中，q_m为水冷换热热流密度，J/m².h；Φ为水流量，m/min；P_L为鹅颈管(2)间纵向距离，m；P_C为喷嘴间横向距离，m；D为喷嘴直径，m；T_w为水温，℃；F：单根上集管(1)和下集管(3)冷却能力计算假设在单根上集管(1)或下集管(3)喷水长度范围内热流密度Q恒定，则水冷温降可通过式(7)计算得到：$\mathrm{\Delta T}=\frac{1000\times L_{\mathrm{BNK}}\times Q}{3600\times V\times \rho \times C_p\times h}---\left(7\right)$式中：ΔT为单根上集管(1)或下集管(3)冷却温降量，℃；L_BNK为单根上集管(1)或下集管(3)喷水长度，m；Q为带钢上下两面总热流密度，kJ/m²h；h为带钢厚度，m；ρ为带钢密度，kg/m³；C_p为带钢比热，kJ/kg℃；V为轧制速度，m/s；G：总水量计算根据冷却工艺给出的开冷温度、终冷温度和式(7)计算出的单根上集管(1)和下集管(3)冷却温降量即可求解出上集管(1)和下集管(3)对数，如式(8)所示：$\mathrm{ValvePair}=\frac{\mathrm{StartTemp}-\mathrm{EndTemp}}{\mathrm{\Delta T}}---\left(8\right)$式中：StartTemp为开冷温度℃；EndTemp终冷温度℃；ΔT为单根上集管(1)或下集管(3)冷却温降量，℃；所述的开冷温度为开始冷却温度、终冷温度为冷却结束温度；随后根据上集管(1)数、下集管(3)数和侧喷集管(5)数分别求出上集管(1)总水量、下集管(3)总水量和侧喷集管(5)总水量，最后得出冷却线总水量；H：流量校核由于在层流冷却过程中，钢板表面覆盖着一层水膜，因此，由空气及辊道接触造成的热量散失较少，按照理想状态认为，钢板温降所散失的热量全部转化成冷却水温升所吸收的热量，因此总水量可由如下平衡关系式求出：b·h·V·ξ_P·C_P·ΔT_P＝V_u′·ξ_u′·C_u′·ΔT_u′    (9)式(9)中的参数下标注P的代表钢板的参数，标注u′的代表冷却水的参数，各参数的意义是：V_u′为总水量，m³/h；h为钢板的厚度，m；b为钢板宽度，m；V为钢板运行速度，m/s；ΔT_P为钢板温降，℃；C_P为带钢比热，取C_P＝0.19卡/克·℃；C_u′为水比热，取C_u′为1.0卡/克·℃；ξ_P为带钢密度，取值为7.85×103kg/m³；ξ_u′为水密度，取值为1.0×103kg/m³；I：冷却线设备布置图绘制根据步骤G计算出的主冷区、精冷区的上集管(1)数、下集管(3)数和侧喷集管(5)数以及相关尺寸数据进行冷却线设备布置图绘制；J：冷却工艺模拟冷却线设备布置图设计完以后，按照产品大纲和轧制规程，采用卷取温度数学模型进行具体的工艺模拟计算；模拟计算中采用带钢分段、冷却区分区的方式，遵循开冷温度至终冷温度间必要冷却量最小化的原则，按照给定的冷却工艺参数，计算带钢在冷却区的温度演变历程，同时获得满足目标卷取温度的水阀开闭状态；通过典型钢种规格轧件的温度计算既可检验冷却线设计是否准确，又可明确所设计的冷却线的具体冷却能力；K：生成设计信息报告根据步骤I和步骤J的设计或模拟数据，直接生成冷却线有关的设备布置参数、流量数据以及典型钢种、典型厚度规格的带钢冷却工艺温度演变模拟图。