高氢喷射冷却技术在高强镀锌板生产中的应用

王怀岐

（河钢集团邯钢公司邯宝冷轧厂，河北 邯郸 056009）

高强钢板的生产有两种方式可选择：一是通过化学途径，即增加合金元素；二是通过热处理手段。化学途径需要在冶炼时添加价格昂贵的合金元素，因为合金元素成分高，将会影响镀锌过程锌附着能力、降低带钢焊接性能等问题。因此，通过热处理手段，修改退火曲线，提高带钢通过连续热镀锌机组快速冷却段时的冷却速率，保证带钢的淬透性，便成为了可以选择的最佳方式，如此工艺改进成功，不仅可以节约大量合金元素的费用，还可大大降低了电耗，具有可观的经济效益和很大的挖掘潜力。

1 快速冷却段内的传热过程及影响因素

快冷段属于炉温在500℃以下的低温炉。完成喷流冷却后的冷却气流在风箱内进入下一循环。根据牛顿冷却公式，钢板与气体之间的对流传热为：

其中C∑为对流换热系数，单位为KJ/(m2h℃)

式中：λ为气体导热系数，单位为J/(mh℃);V为 气体粘滞系数，单位为m2/s;n为喷嘴形状系数；W为 喷出气流的速度，单位为m/s；L为气流间距，单位为m;S为带钢表面与喷口距离，单位为m；d为喷嘴定性尺寸，单位为m。

由公式（1）可知，钢板与气体之间的对流传热决定着带钢的冷却效果；与对流换热系数和带钢与冷却气体的温度差成正比。而能够变化的只有冷却气体的温度，只有提高水换热器的冷却效率，降低气体温度，方能提高对流传热系数。

由公式（2）可知，气体导热系数、喷嘴形状系数、喷嘴间距、喷嘴与带钢表面之间的距离、气流喷出速度等均是影响传热系数的主要因素。

2 快速冷却段内的氢气浓度含量对冷却功率的影响

冷却气体的导热系数是影响带钢的冷却效果的重要因素。气体的比热容（单位J /(kg·K)，氮气为1.038、氢气为14.05 。提高快速冷却段内的氢气浓度含量，势必加快其中带钢的冷却速率。试验表明，从快冷段注入浓度为20%氢含量，扩散至整个退火炉后，原先的4%氢气浓度含量并未明显增加（见表1），而加大快冷段氢气浓度，却能起到提高保护气的对流传热系数的效果（见图1）。

图1 带钢降低相同温度冷却功率与氢气含量之间的关系

由表1及图1可知，快冷段氢气含量增加与快冷段各个区域风机转速下降呈强正相关趋势。

当带钢温度保持工艺原态不变，根据快冷段冷却速率的计算公式：

式中：P5为快冷段入口带钢温度测量值； P6为快冷段出口带钢温度测量值；Ls为生产线运行速度；S为快冷段1区出口与快冷段出口之间的距离。

可以得到，在△T一定的情况下，生产线运行速度与带钢的冷却速率成正比。

3 产品带钢与可移动风箱的间距对冷却速率的影响

图2是喷射压力与传热系数的相关分析图，分析表明，保护气体的喷射压力与带钢与保护气体之间的传热系数也呈强正相关关系。由图2可以看出，在风机负荷一定的情况下，在某一间距L下，随着保护气体的喷射压力增大，保护气体与带钢之间的传热系数也增大；对于可移动风箱喷口与带钢的不同的间距L，间距值越小，保护气体的喷射压力越大，保护气体与带钢之间的传热系数也越大。反之亦然。

表1 不同氢气含量与快冷段冷却风机转速的对比

图2 移动风箱与带钢不同间距下喷射压力与传热系数的相关图

4 快冷段风机区域运行模式对冷却速率的影响

反复试验的实践证明，快冷段风机不同区域的运行模式的选择，对DP/TRIP等系列高强钢的生产，可获得不同厚度相应的冷却速率，如图3所示。在冷却段出入口温度差固定的工况下，某一厚度的带钢，在快冷段三个区域同时运行模式下的带钢冷却速率最小；快冷段1区独立运行模式下和快冷段2区和3区共同运行模式下的带钢冷却速率基本一致，同时也是冷却速率最大的运行模式。由图3可得出结论：无论哪一种模式，随着带钢厚度的增加，带钢的冷却速率将随之减小。

图3 冷却区域的运行模式组合对不同厚度带钢冷却速率的影响

5 高强钢生产

提高快冷段氢气含量、减少移动风箱喷缝与带钢的距离、快冷段风机区域组合运行的选择，这一系列的措施保证了连续热镀锌线快冷段的冷却能力的提升，最终使得带钢的冷却速率得到大幅度提升，为基板降低合金量而保证成品卷性能提供了保证。