厚板厂层冷系统补水量的计算方法

李 凡

(鞍山钢铁集团公司 中板厂，辽宁 鞍山 114042)

冷却水浇到热的钢板上后温度迅速上升，其中一部分冷却水以水蒸气的形式损失掉，大部分冷却水升温后经沉淀池、晾水塔等中间机构处理后继续循环利用.凉水塔补水量=蒸发量+排污水量+飘散损失量+泄漏量，一般凉水塔内水分的蒸发量不大，约为进水量的1% ～2.5%.飘散损失(飘水率)指的是没有被风带出去的小水滴，这部分水没有参加蒸发吸热，约在0.3%，一些厂家说能控制在0.001%，一般是估算的，不同品质的冷却塔的实际飘散率差别很大.

钢厂设计水系统时，除了要考虑瞬时最大流量、总水量等参数外，还要考虑冷却水循环系统的补水量，在实际生产中根据轧制节奏、季节进行补水控制［1］.

冷却水在钢板表面处于临界沸腾状态，并且遵从能量守恒定律，因此可以分别用临界汽化率和能量守恒两种方法进行补水量计算.

1 汽化率方法计算补水量

式中，qmax为热流密度，W/m2;r为汽化潜热，J/kg;ρl、ρV为相应于饱和液体和饱和蒸汽的密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2;γ为液体－蒸汽界面的表面张力，N/m.

其中，ρl、ρV和 γ随温度变化而变化.计算时，取 r=2 257 kJ/kg，ρV=0.598 kg/m3，ρl=958.4 kg/m3，γ=58.9×10－3N/m.代入公式(1)

当以高密度的流体被一低密度的流体支持时，系统势能处于较高位置，系统存在向势能最低的稳定态方向发展的趋势，这时，在扰动的作用下，就会发生瑞利－泰勒(Rayleigh－Taylor)不稳定性.这种不稳定性是由密度梯度驱动的.应用汽膜的泰勒不稳定性原理［2］推导的大容器沸腾的临界热流密度的半经验公式为计算，得

单位加热面上的汽化率为

该计算式是在临界热流密度条件下得到的，因此实际汽化率小于该值.

假设集管长度为3.2 m，冷却工艺从850℃冷却到680℃，开启12组集管，集管间距1 m，上下集管流量为 q上=90 m3/h、q下=220 m3/h，辊道速度为1 m/s，轧件宽度w=2.8 m，长度l=15 m，厚度h=25 mm，则单块钢的瞬时有效用水量为

瞬时汽化量为

汽化的水量占用水量的百分比为

冷却单位质量钢板所消耗的汽化水量为

2 能量守恒方法计算补水量

忽略辐射等各种热量损失不计，根据能量守恒定律得

而

式中，r为汽化潜热，J/kg;m汽为转变为蒸汽的质量，kg;C水为水的比热容，kJ/(kg·K);m水为被加热的冷却水的质量，kg;ΔT为冷却水的温度变化量，℃.

钢板上表面放热量为

式中，h为钢板表面的热交换系数，W/(m2·K);s为钢板表面积，m2;t为冷却时间，s.

在冷却水量为90 m3/h、钢板温度从850℃降温至680℃的条件下，假设冷却水温度从30℃变化到50℃，钢板表面热交换系数为2 000 W/(m2·K)，代入上式进行计算，得

假设钢板上下表面热流量相同，则整块钢板的放热量为

又，参与冷却过程的瞬时冷却水质量为m水=904 kg，且

联立方程式(2)、式(3)，得

解此方程得

汽化率为m汽/(1.1×S×t)=10.35/(1.1×2.8 ×12)=0.28 kg/(m2·s)

汽化的水量占用水量的百分比为

10.35 /904×100%=1.145%

冷却单位质量钢板所需补水量为

3 计算结果比较及结语

以汽化率和能量守恒方法计算得到的理论补水量及现场实测值见表1，可见两种理论方法得到的计算结果还是比较接近的.根据现场的经验建议汽化百分率在2% ～5%.实际冷却水损失量还跟空气湿度、温度、冷却水利用率等多种因素有关，实际设计过程中要结合现场情况进行设定.

表1 补水量比较Table 1 Comparison of water compensation amount

［1］鄢金辉.涟钢技改节水探讨［J］.涟钢科技与管理，2011(3):56－58.

(Yan Jinhui.Discussion of water saving in liangang［J］.Liangang Technology and Management，2011(3):56 －58.)

［2］闫全英，刘迎云.热质交换原理与设备［M］.北京:机械工业出版社，2006:182 －183.

(Yan Quanying，Liu Yingyun.Theory and equipment of heat and substance exchange［M］.Beijing:China Machine Press，2006:182－183.)