带钢冷却风箱设计

黄 河

(中冶京诚工程技术有限公司 北京 100176)

1 前言

冷轧带钢在连退退火炉中经过加热段和均热段退火后，进入快冷段。通过快速冷冷却的热处理方法，调节带钢力学性能。

退火炉快速冷却技术经过多年的发展，主要有以下几种方式：气体喷射冷却、辊式冷却、气雾冷却、水淬冷却等。气体喷射冷却速率调整方便，不会对带钢造成氧化，是目前最为常用的冷却技术。川崎制铁开发HGJC喷气冷却技术，使带钢冷却速率达到50℃/s(0.8mm)。新日铁采用圆柱形喷嘴，使带钢冷却速率达到60℃/s(0.8mm)。斯坦因公司开发的高氢冷却器使带钢冷却速度达到70-100℃/s(0.8mm)[1]。

提高冷却段带钢冷却速率的主要途径有：优化喷嘴结构参数，在给定风机功率下，获得最好的换热效果；增加气体流量，从而提高喷吹气流速度；改变冷却介质成分，提高H2含量可强化换热。为了优化快冷技术，本文计算了不同型式喷嘴对冷却速率的影响，对快冷段风箱设计提供依据。

2 喷气冷却计算

按喷嘴结构型式，喷气冷却可分为缝式喷嘴喷气冷却和圆孔式喷嘴喷气冷却。

2.1 缝式阵列喷嘴喷气冷却计算

H．Martin 等[2]学者研究了狭缝形喷嘴的射流流股特性及局部换热系数的变化，给出了狭缝喷嘴阵列的平均传热系数的计算方法。

(1)

(2)

式中,Ar0=[60+4(H/s-2)]-1/2

Ar=d/L

s=2d

Re=U×S/V

Re—气流雷诺数；

Pr—气体常数；

S—特征直径，m；

d—喷嘴缝隙，m；

H—喷嘴出口到带钢距离，m；

L—喷嘴间距，m；

Ar—开孔率；

U—气流速度，m/s；

κ—气体导热系数，W/(m·k)；

ν—气体运动粘度，m2/s。公式适用范围1500≤Re≤40000，Ar≤2.5Ar0。

2.2 圆孔阵列喷嘴喷气冷却计算

错排圆孔阵列喷气冷却计算可按Martin公式[1]计算：

(3)

(4)

(5)

式中：d—圆孔喷嘴直径，m；

H—喷嘴出口到带钢距离，m；

L—喷嘴间距，m；

适用范围：2000≤Re≤100000，2≤H/d≤12，0.004≤Ar≤0.04[3]。

3 冷却风箱设计

3.1 带钢冷却速率与换热系数

带钢喷气冷却过程可近似为薄材冷却，冷却速率可由下式计算[4]。

(5)

(6)

式中：t—冷却时间，s；

Cp—带钢比热，J/kg·℃；

ρ—带钢密度，kg/m3；

h—带钢厚度，m；

Ts—带钢初始温度，℃；

Te—带钢冷却结束温度，℃；

Tm—冷却气体温度，℃；

v—冷却速率，℃/s。

从式(5)可以看出，冷却初始温度、结束温度以及气体温度一定时，带钢冷却速率主要与带钢厚度、换热系数相关。取带钢厚度0.8mm，初始温度700℃，冷却结束温度400℃，冷却气体温度25度，气体分5%H2、95%N2。从图1可以看出，冷却速率与换热系数之间为线性关系，只要提高带钢表面换热系数即可提高冷却速率。

图1 带钢冷却速率

3.2 开孔率对换热系数影响

带钢通过冷却风箱时，不可避免会产生一定程度的抖动，因此喷嘴不可能过于靠近带钢。为保证通板性，喷嘴距带钢距离一般设计为100-200mm。风箱开孔率表示喷嘴截面积与风箱总面积之比，开孔率越大，气体流量越大。其它参数取值为：气体流速40m/s；气体成分：5%H2+95%N2；喷嘴距带钢距离150mm。根据公式(1)(2)计算，缝式喷嘴换热系数与开孔率间关系见图2。缝式喷嘴开孔率范围为0.03-0.06时，换热系数最大。除图3图5外，其它均根据公式(1)(2)计算得到，图3所示为圆孔式喷嘴换热系数与开孔率间关系。圆孔喷嘴开孔率在0.02-0.03时，换热系数最大。

3.3 喷嘴尺寸对换热系数影响

风箱设计时，限于风机风量，开孔率取值通常不超过0.04。其它参数取值同上，图4比较了相同开孔率时，缝式喷嘴缝隙对换热系数的影响。可以看出：开孔率0.02时，喷嘴缝隙取值6mm；开孔率0.03时，缝隙取值8mm；开孔率0.04时，缝隙取值10mm，可获得最大换热系数。图5为圆孔喷嘴直径对换热系统的影响。开孔率0.01时，喷嘴直径取20mm；开孔率0.02时，喷嘴直径取30mm；开孔率0.03时，喷嘴直径取40mm，可获得最大换热系数。

图2 缝式喷嘴换热系数与开孔率关系

图3 圆孔喷嘴换热系数与开孔率关系

图4 缝式喷嘴缝隙对换热系数的影响

图5 圆孔喷嘴直径对换热系数影响

3.4 喷嘴距带钢距离对换热系数影响

取缝式喷嘴缝隙d为6、8、10mm，间距L为200、266、333mm(开孔率0.03)，气流速度40m/s。图6所示为换热系数与喷嘴距带钢距离间关系。当H/d<5时，喷嘴距带钢距离对换热系数影响较小；H/d>10时，换热系数随着喷嘴距带钢距离增大而减小。因此风箱设计时，选择合适的喷嘴距带钢距离使得5

图6 缝式喷嘴距带钢距离对换热系数的影响

3.5 气流速度对换热系数影响

保持开孔率0.03不变，喷嘴距带钢距离150mm，气流速度对换热影响规律如图7所示。可以看出，随着气流速度增大，换热系数近似线性增大。在开孔率为0.03时，喷嘴缝隙对换热系数影响较小。气流速度越大，带钢在风箱中抖动越严重。因此实际设计中应根据带钢厚度、长度选择合适的气流速度。

图7 气流速度对换热系数的影响

3.6 H2含量对换热系数影响

H2导热系数是N2的6.6倍，因此提高H2含量可以显著提高换热系数。另外在同等风机功率下， 提高H2含量，可以提高喷嘴出口气体流速，从而增大换热系数。根据计算，同等风机功率下H2从5%增加到50%，换热系数提高约3倍。

图8 H2含量对换热系数的影响

4 结论

(1)缝式喷嘴开孔率为0.03～0.06时，换热系数最大；圆孔喷嘴开孔率为0.02～0.03时，换热系数最大；

(2)5

(3)换热系数随气流速度和H2含量增大而增大。同等风机功率下H2从5%增加到50%，换热系数提高约3倍。