CN109663824A - 一种双向交叉式射流冷却装置及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向交叉式射流冷却装置及其冷却方法，属于轧钢冶金工艺中的热处理领域。本发明中双向交叉式射流冷却装置，用于板材在轧制道次间或轧制结束后的冷却，其包括两排并列的射流管；每排射流管等间距排列多个射流管，一排射流管中相邻两个射流管间的空隙，正对另一排射流管中的一个射流管；所有的射流管的射流嘴都倾斜的向板材喷射冷却水，且冷却水在板材上的所有冲击点汇聚为一条直线，且此直线在两排射流管之间；两排射流管横跨板材宽度方向。本发明可实现板材宽度方向同一时间均匀冷却；射流管可改变射流角度，水流形状，增强被冷却板材表面换热能力，且安装方便，稳定性高；冷却水管排布层数可调节，以实现不同冷却需求的冷却。

Description

一种双向交叉式射流冷却装置及其冷却方法

技术领域

本发明属于轧钢冶金工艺中的热处理领域，涉及一种双向交叉式射流冷却装置及其冷却方法。

背景技术

板材作为一种广泛使用的材料类型，应用于工程领域各行各业。热轧后冷却方式的选取以及冷却工艺参数的控制，是保证板材产品使用性能的关键步骤。传统射流冷却工艺对板材进行冷却时，多采用管束喷水冷却方法，由于板材宽度尺寸大，管束排布受管截面形状及结构影响，单一管水流束呈圆形喷射，水流与板材表面接触面受水流束形状影响，管正下方水流束直喷位置的圆形面积散热冷却快，而管与管间的空隙只能自然散热，传热不均匀且传热效率低；冷却时，板材表面易产生蒸汽膜，蒸汽膜会阻碍板材的散热，影响板材的传热效率。传统射流冷却时，蒸汽膜聚集在水流束与水流束之间的空隙处，水流束阻碍蒸汽膜散热，降低传热效率；斜角喷射冷却时，蒸汽膜位于水流下流向一侧，因为水流入射方向与板材表面形成夹角，水流束不会对蒸汽膜产生影响，所以得以加快散热。传统射流冷却仅仅通过改变水流压力和流速调节射流冷却传热效率，没有考虑水流流动状态。而不同的管径、粘度与水流速度会产生不同的水流流动状态，流动状态改变会极大程度的影响板材冷却时的传热效率。

除此之外，传统热处理工艺成本高，难以实现全自动化、可调节化生产。为了提高板材轧后冷却的效率，降低轧后冷却的成本，提高板材的力学性能，有必要研究采用新的冷却工艺及射流管代替传统的热处理工艺。

发明内容

为解决上述技术问题，提供了一种双向交叉式射流冷却装置及其冷却方法，旨在将冷却水加压至以湍流的流动类型通过交叉式射流管，形成大压力扁平状湍流液体束斜向冲击被冷却的物体，提升板材热处理质量，减少冷却不均现象的出现，避免了表面翘曲的出现，保证了板材的表面质量。

本发明采用的技术方案为：一种双向交叉式射流冷却装置，用于板材在轧制道次间或轧制结束后的冷却，其特征在于，其包括两排并列的射流管；每排射流管等间距排列多个射流管，一排射流管中相邻两个射流管间的空隙，正对另一排射流管中的一个射流管；所有的射流管的射流嘴都倾斜的向板材喷射冷却水，且冷却水在板材上的所有冲击点汇聚为一条直线，且此直线在两排射流管之间；所述射流嘴的出水口为扁平状结构，其走向与射流管的排列方向一致；两排射流管横跨板材宽度方向。

进一步的技术方案在于，每排射流管均是射流管通过上支撑板、下支撑板固定成排；所述上支撑板固定于射流管上方；所述下支撑板固定于射流管的射流嘴处。

进一步的技术方案在于，所述射流嘴的扁平状结构两端均为半圆形结构，中部为矩形结构。

进一步的技术方案在于，所述射流管包括原始管径段，与原始管径段为一体的变截面段，与变截面段为一体的扁平固定端，与扁平固定端为一体的射流嘴。

进一步的技术方案在于，所述射流嘴有弯角。

进一步的技术方案在于，一种双向交叉式射流冷却方法，其特征在于，冷却过程中利用了上述所述的一种双向交叉式射流装置。

进一步的技术方案在于，将双向交叉式射流装置横跨板材宽度方向组成冷却区域；板材在轧制道次间或轧制结束后，进入冷却区域，然后控制射流压力、流速对板材进行冷却水喷射冷却。

进一步的技术方案在于，双向交叉式射流装置中的两排射流管与板材轧制方向垂直。

本发明的有益效果：本发明可实现板材两侧宽度方向同一时间均匀冷却；射流管可改变射流角度，水流形状，增强被冷却板材表面换热能力，且安装方便，稳定性高；冷却水管排布层数可调节，以实现不同冷却需求的冷却。

附图说明

图1是双向交叉射流冷却正视示意图；

图2是双向交叉射流冷却排布平面示意图

图3是双向交叉式排布立体示意图；

图4是射流管示意图；

图中，1、上支撑板；2、射流管；3、下支撑板；4、冷却水；5、蒸汽膜散热区；6、板材；7、原始管径段；8、变截面段；9、扁平固定端；10、射流嘴；11、安装孔。

具体实施方式

如图所示，本发明阐述了一种双向交叉式射流冷却装置，用于板材6在轧制道次间或轧制结束后的冷却，其特征在于，其包括两排并列的射流管2；每排射流管2等间距排列多个射流管2，一排射流管2中相邻两个射流管2间的空隙，正对另一排射流管2中的一个射流管2；所有的射流管2的射流嘴10都倾斜的向板材6喷射冷却水，且冷却水在板材6上的所有冲击点汇聚为一条直线，且此直线在两排射流管2之间；所述射流嘴10的出水口为扁平状结构，其走向与射流管2的排列方向一致；两排射流管2横跨板材6宽度方向。

本发明优选实施例中，每排射流管2均是射流管2通过上支撑板1、下支撑板3固定成排；所述上支撑板1固定于射流管2上方；所述下支撑板3固定于射流管2的射流嘴10处。

本发明优选实施例中，所述射流嘴10的扁平状结构两端均为半圆形结构，中部为矩形结构。

本发明优选实施例中，所述射流管包括原始管径段7，与原始管径段7为一体的变截面段8，与变截面段8为一体的扁平固定端9，与扁平固定端9为一体的射流嘴10。

本发明优选实施例中，所述上支撑板1固定于射流管2的原始管径段7；所述下支撑板3固定于射流管2的射流嘴10或扁平固定端9处。

本发明优选实施例中，所述射流嘴10有弯角。

本发明阐述了一种双向交叉式射流冷却方法，其特征在于，冷却过程中利用了上述所述的一种双向交叉式射流装置。

本发明优选实施例中，将双向交叉式射流装置横跨板材6宽度方向组成冷却区域；板材6在轧制道次间或轧制结束后，进入冷却区域，然后控制射流压力、流速对板材6进行冷却水喷射冷却。

本发明优选实施例中，双向交叉式射流装置中的两排射流管2与板材6轧制方向垂直。

在图1中，射流管2依次穿过上支撑板1、下支撑板3，并固定在上支撑板1与下支撑板3上，两排射流管2的射流嘴10平行排列；如图2所示，射流嘴穿过下支撑板的安装孔11；冷却水4由弯角射流嘴10喷出，射流管水流喷射截面呈跑道形(即扁平状结构，且两端均为半圆形结构，中部为矩形结构)，两个方向的冷却水4汇聚在被冷却板材6上，汇聚成一条横跨板材两侧的直线，水流柱与水流柱相互衔接形成水幕覆盖被冷却板材宽度方向(与板材轧制走向垂直的方向)。根据需要在轧制区域设置多个双向交叉式射流装置；可根据板材换热量进行调节。

如图3-4所示，射流管2经弯管机加工，具有四个管段，原始管径段7连接外部管路，变截面段8平滑过渡圆形管径与跑道形管径，扁平固定端9固定射流管下端，弯角射流嘴10改变水流射流方向，管截面出水口为跑道形，跑道形射流口可提高射流流速，射流嘴有弯角，改变射流角度。

双向交叉式射流冷却是一种有效的传热方法，具有很高的冷却能力，是将冷却水加压至以湍流的流动类型通过交叉式射流管，形成大压力扁平状湍流液体束斜向冲击被冷却的物体，射流管于冷却界面交叉两侧分布，保证各管射出的扁平状湍流液体束排布于被冷却板材宽度方向同一条直线上。位于各射流管下流向区域为散热区，散热区双向交叉排布，较单侧斜向喷射冷却散热能力提高一倍以上。双向交叉射流冷却可以实现同一时刻宽度方向上各点冷却状态一致，不再受水管形状限制，提升板材热处理质量，减少冷却不均现象的出现，避免了表面翘曲的出现，保证了板材的表面质量。

冲击射流是流体对固体壁面或液体表面等的直接冲击流动，即气体或液体在压差的作用下通过喷嘴喷射到被冷却或加热的表面上，流程短，流速快，在靶面上形成加大的压力差使得被冲击表面上的流动边界层薄，冲击换热系数比常规的表面传热系数高几倍甚至一个数量级，从而在受冲击的区域产生很强的换热效果。双向交叉式射流冷却运用改进型的冲击射流原理，并符合相变传热原理，传热效率高，避免了蒸汽膜的产生，散热效果好。通过射流管变径改变流动截面形状，通过射流弯嘴改变射流方向，液体流速快，且由斜角喷射被冷却表面，受冲击区域得以快速换热。

双向交叉式射流管是双向交叉式射流冷却方式的最小冷却单元。射流管是普通无缝钢管一端经过异形化弯管而成的。由以下几部分构成：原始管径段、变截面段、扁平固定端、弯角射流嘴。原始管径段是普通无缝钢管未经弯管的部分，是射流管供水端，即来水方向；变截面段是一段平滑过渡截面不断变化的管段，射流管由圆形截面无缝钢管变截面为跑道形状的扁平管截面，以实现喷射水流由圆形水柱变化为扁平层状水柱；扁平固定端是一小段截面不再变化的跑道形状的扁平管截面，主要用于下层支撑和管嘴固定，避免因振动影响射流角度与射流位置；弯角射流嘴是射流管端面的一小段弯角管嘴，可将射流管水流方向改变，弯角由所需工艺的冷却水射流角度确定。射流管由两层支撑板固定，上层支撑板有交叉排布的圆形孔洞，用于固定原始管径段；下层支撑板有交叉排布的跑道形孔洞(安装孔11)，用于固定扁平固定端，两支撑板和射流管组成射流冷却组合，每一个组合即可覆盖一条冷却中心线。同一条冷却线的钢板冷却速度相同。双向交叉式射流管冷却效果卓著，安装方便，结构简单，成本低廉，可靠性强，可适应多规格钢材冷却。保证射流管内湍流流动，调整水流入射角度，确定所需管径与流速，是双向交叉式射流管冷却管结构设计和尺寸确定的关键。进一步根据冷却总量计算冷却组层数。

双向交叉式射流冷却设计方法可灵活调整管组数量，适应多规格多工艺钢材冷却。一次板材传热过程中，板材总传热量由强制换热量和环境散热量组成：

式中，Φ——板材传热总量，W·m^-2

Φ_z——单射流管组传热量，W·m^-2

Φ_c——环境散热量，W·m^-2

n——射流管组的层数

k——射流管组换热效率系数

Δt——温差，℃

——导热过程的阻力

流体在管道中流动有不同的流动类型：层流与与湍流。

流体在管内作层流流动时，其质点沿管轴做有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。接触板材表面时，微观方面热交换分层进行，接触板材表面的流体换热快，远离表面的流体换热慢。

流体在管内做湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动并互相碰撞，产生大小漩涡，加快流体与板材表面的微观接触，整体水流与板材表面以相同速率换热，换热能力强。

流体流动类型可由雷诺数判断。一般地，Re≤2000时，为层流；Re≥4000时，为湍流；2000≤Re≤4000时，可能为层流，也可能为湍流。因此，射流管中取Re≥4000。由此公式核准管内流动状态，提高换热效率。

由雷诺准数公式可确定流速与管径关系：

Re——雷诺准数，无量纲；

μ——流体粘度，g/(cm·s)。

由流体流动的相关原理可知，水流在射流管中的流动属于稳态流动过程，对原始管径段和弯角射流嘴进行总能量衡算。

则符合努伯利方程：

射流管相比总管路长度相对很小，流体流动时流动阻力忽略不计，则流体能量损失近似于零。射流管中流体近似看作理想流体，没有外功加入，即∑h_f＝0及W_e＝0时，射流管中流体符合：

式中：

g——重力加速度，N/kg；

Z₁——射流管原始管径段至基准水平面垂直距离，m；

Z₂——弯角射流嘴至基准水平面垂直距离，m；

u₁——射流管原始管径段流速，m/s；

u₂——弯角射流嘴流速，m/s；

p₁——射流管原始管径段压力，Pa；

p₂——弯角射流嘴压力，Pa；

ρ——流体密度，kg/m³；

W_e——外加功，J/kg；

∑h_f——因克服流动阻力而损失的能量，J/kg。

圆形管截面时，若以d表示管道内径，则流速公式为：

则：

V_s——体积流量，m³/s；

A——管截面，m²。

跑道形管截面由一个圆形截面面积和一个矩形截面面积相加而得。同理可得弯角射流嘴水流流速和管截面尺寸。

由传热学相关原理可知，单一射流管产生的传热量为单个狭缝喷嘴射流平均传热与沸腾相变传热量的和：

单个狭缝喷嘴射流平均传热：

式中，b为狭缝宽度；特征长度为2b；定性温度为t_m＝(t_∞+t_W)/2；特征速度为喷嘴出口平均流速。

沸腾相变传热表面传热系数h，运用Cooper公式：

C＝90W^0.33/(m^0.66K)

式中m＝0.12-0.21g{R_p}μm；M_r为液体的相对分子质量；p_r为液体压力与临界压力之比；R_p为表面粗糙度，μm，q为热流密度，W/m²；h，W/(m²·K)。

板材轧制道次间或轧制结束后，板材进入射流冷却区域。射流冷却区域由双向交叉式射流冷却管组成，两排冷却管交叉分布于冷却中心线两侧，两侧的射流冷却管以相同的水流入射角度接触板材表面。各管扁平出水口喷射水流首尾相连覆盖冷却中心线，板材的热交换主要发生在冷却中心线区域，冷却中心线平行于宽度方向并垂直于板材来料方向。射流管由两层结构板固定，平行于被冷却板材。根据冷却工艺和来料速度，计算单线冷却中心线冷却量，确定水压、管径并计算水流速度，为得到更高的传热效率，射流管内流动状态为湍流(雷诺数≥4000)。根据板材整体冷却量阵列交叉式射流管，阵列层数随需求增减。散热迅速，冷却速度可控。调整射流冷却装置冷却水管的阵列层数和冷却水的流量比，实现不同冷速下不同规格的板材的冷却。双向交叉式射流冷却方式解决了板材喷水冷却不均匀的缺点，冷却速度可调可控，散热快，高效清洁，有效提升板材质量。与原来的板材热处理工艺相比，冷却速度更快，均匀性更高、生产效率高、综合成本低等优势。与现有的冷却方法相比，该方法通用性强，可以实现不同规格的板材的轧后冷却，亦可用于大型筒节的表面快速冷却；冷却量可以通过改变阵列层数量和调节水压、管径实现，冷却量调控简单易行，可调性强。

实施例

以板材6规格为16mm×2000mm×8000mm为例，2000mm为板材宽度，一组冷却中心线需完全覆盖。选用内径为46mm，外径为50mm，壁厚为2mm的无缝钢管。射流管2使用弯管机处理，原始管径段7连接外管路，变截面段100mm，出口形状跑道形，两端半圆长30mm，扁平固定端3mm。使用弯管机加工弯角射流嘴,工艺要求入射水流60°冲击冷却钢板表面，因此加工弯角射流嘴，射流嘴出水口端面与扁平固定端端面呈30°。射流嘴出水口竖直方向距冷却板材1m高度，可计算的水平方向为0.577m。出水口30mm长，完全覆盖2000mm板宽需要67根射流管，同向两根间相距60mm，异向两根间相距1.154m，交叉排列，水流柱与水流柱相互衔接形成水幕覆盖被冷却板材宽度方向。射流管由两层支撑板固定，上层支撑板为圆孔，交叉排布，下层支撑板为跑道形孔(安装孔)，交叉排布。扁平出水口等效管径为19.2mm，冷却水由供水端供给，垂直距离为1.5m，供水端静压力1.69×10⁵Pa，射流管端静压力1.4×10⁵Pa，流体阻力损失为10.6J/kg。

无外力做功，W_e＝0，供水端为基准面，Z₁＝0。则Z₂＝1.5m，p₁＝1.69×10⁵Pa，p₂＝1.4×10⁵Pa，∑h_f＝10.6J/kg，水密度ρ＝1000kg/m³代入以上公式。由于不可压缩管道：

代入上式可得u₂＝2.76m/s。管截面出水口为跑道形，跑道形射流口提高了射流流速。核算流动状态：流动状态为湍流，合格。冷却水管排布层数可调节。射流管狭缝冲击射流传热效率(Nu_b)_m＝2833W/(m²·K)，相变传热效率大于h＝25000W/(m²·K)，则单层射流管组传热效率为27833W/(m²·K)。冷却钢板总冷却量为108000W/(m²·K)，因此需要4组射流管组可满足钢板冷却，共268根射流管。

Claims (8)

1.一种双向交叉式射流冷却装置，用于板材在轧制道次间或轧制结束后的冷却，其特征在于，其包括两排并列的射流管；每排射流管等间距排列多个射流管，一排射流管中相邻两个射流管间的空隙，正对另一排射流管中的一个射流管；所有的射流管的射流嘴都倾斜的向板材喷射冷却水，且冷却水在板材上的所有冲击点汇聚为一条直线，且此直线在两排射流管之间；所述射流嘴的出水口为扁平状结构，其走向与射流管的排列方向一致；两排射流管横跨板材宽度方向。

2.根据权利要求1所述的一种双向交叉式射流冷却装置，其特征在于，每排射流管均是射流管通过上支撑板、下支撑板固定成排；所述上支撑板固定于射流管上方；所述下支撑板固定于射流管的射流嘴处。

3.根据权利要求1或2所述的一种双向交叉式射流冷却装置，其特征在于，所述射流嘴的扁平状结构两端均为半圆形结构，中部为矩形结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种双向交叉式射流冷却装置，其特征在于，所述射流管包括原始管径段，与原始管径段为一体的变截面段，与变截面段为一体的扁平固定端，与扁平固定端为一体的射流嘴。

5.根据权利要求4所述的一种双向交叉式射流冷却装置，其特征在于，所述射流嘴有弯角。

6.一种双向交叉式射流冷却方法，其特征在于，冷却过程中利用了权利要求1-5所述的一种双向交叉式射流装置。

7.根据权利要求6所述的一种双向交叉式射流冷却方法，其特征在于，将双向交叉式射流装置横跨板材宽度方向组成冷却区域；板材在轧制道次间或轧制结束后，进入冷却区域，然后控制射流压力、流速对板材进行冷却水喷射冷却。

8.根据权利要求7所述的一种双向交叉式射流冷却方法，其特征在于，双向交叉式射流装置中的两排射流管与板材轧制方向垂直。