2250 热轧线精轧机组冷却水集管的结构优化

0 引言

在热轧带钢生产中，板带终轧温度由精轧机机架间冷却水来控制。对管线钢、汽车板等一些品种钢，终轧温度的控制精度将直接影响整卷带钢的力学性能和金相组织的均匀性，所以终轧温度对于控制品种钢的产品质量是非常重要的。但在生产过程中，精轧机组 6 组上机架间冷却水集管却频繁出现中部集管根部开裂、操作侧集管喷嘴堵塞严重的情况; 使 6 组上机架间冷却水集管的寿命严重缩短，并且影响上机架间冷却水的水型，造成板带冷却不均匀，影响产品质量。为延长集管使用寿命，保证机架间冷却水型正常，提高产品质量，本文从机架间上冷却水集管结构入手加以分析，以达到优化集管结构、消除设计缺陷、延长使用寿命的目的。

1 上机架间冷却水集管存在问题及原因

1． 1 机架间冷却水集管结构

热轧2250 生产线精轧机共有 7 台精轧机，在精轧机之间增设机架间冷却水及轧机前横喷水，控制板带终轧温度以及防止二次生鳞，其布置见图 1。

德国西马克公司设计的机架间冷却水装置由上下两部分集管组成，可独立开启，分别对板带的上下表面进行温度控制。上机架间冷却水集管由集管本体、防撞板及分布在防撞板中的 4 排 12 列喷管组成，图 2 所示。

集管本体固定在轧机出口护板上，通过传动侧进水管与冷却水管路连接。投用时，10 bar 压力冷却水注入集管本体腔内，并通过焊接在本体上的喷管由喷嘴喷射而出，形成扇面( 图 3) ; 冷却水通过喷嘴排列形成的扇面均匀喷射至板带表面。

1． 2 上集管投用时产生的问题

在热轧线生产过程中，精轧机机架间上集管反复出现喷管根部开裂窜水( 图 4) ，操作侧喷嘴堵塞严重的现象。

在需要投用机架间冷却水的板带生产时，板带通过窜水严重的喷嘴时，有时会发生轧制方向上板带表面出现黑线或板带板形出现问题。板形问题的出现是因为板带表面冷却不均匀造成的板带变形，而喷管窜水会造成喷嘴形成的水型不正常，压力及流量达不到设定值，造成板带表面的二次氧化铁皮生成，严重的会造成氧化铁皮压入，直接影响板带质量，造成产品降级。经停机时检查发现喷嘴窜水的 原因是喷管根部与本体的焊口处开裂; 操作侧喷嘴堵塞经拆卸喷嘴清理后发现喷嘴集管内部已经被冷却水中的杂质堵死，这些杂质包括冷却水主管路焊接时产生的焊渣，氧化铁屑( 泥) 等杂质。喷嘴堵塞的故障可以通过检修时人工拆卸喷嘴清理喷管及拆除操作侧盲板冲洗来消除，但 1 组机架间冷却水集管有48个喷嘴，6 组集管上百个喷嘴清理起来工作量极大。喷管根部开裂的故障只能通过更换新集管 处理，但在更换新集管后 2 ～ 3 个月内，喷管根部开裂的情况就会反复出现。

1． 3 原因分析

造成机架间上冷却水水型不正常的故障有两种，一是喷嘴堵塞，二是喷管根部开裂窜水。通过对生产过程的观察统计与对上机架间冷却水集管的结构分析，找出了造成产生故障的根本原因。

1． 3． 1 上机架间冷却水集管喷嘴堵塞的原因

精轧机机架间使用的冷却水是取自热轧线冷却水中的 DC2 10 bar 循环水，其供水管路长，管路变径多，供水时造成的紊流使冷却水中夹杂大量杂质; 这些杂质在生产中会随水流带入上机架间冷却水集管中。

由图 2 可以看出，冷却水由传动侧流入集管，杂质被冲向操作侧; 在机架间冷却水关闭时，这些杂质无法回流，并在集管的操作侧沉淀下来，长期沉淀后，杂质便会堵塞操作侧喷嘴，造成喷嘴的大量堵塞。当喷管中积存的杂质过多时，再经生产中的板带热辐射烘烤，致使喷管中的杂质完全硬化堵死，无法疏通。

由图 3 可以看出，原西马克公司设计的集管，焊接喷管在集管内部与集管内腔底面齐平，造成杂质在停水后极易流入喷管中造成喷管堵塞。

1． 3． 2 上机架间冷却水集管喷管开裂的原因

造成喷管开裂的原因较为复杂，初期处理该故障通常将开裂的缝隙补焊。但生产时发现，焊接后的焊缝极易再次开裂，焊接效果并不理想。通过观察发现，最容易开裂的喷管往往集中在集管的中部位置( 图 4) 。

由机架间冷却水的工艺性能分析，机架间冷却水的作用是控制精轧机的终轧温度并防止二次氧化铁皮的生成。在生产时，二级控制会根据不同的板材及轧制工艺选择投用机架间冷却水。在未投用机架间冷却水的生产过程中，板带会对集管表面长时间烘烤，造成集管表面温度升高。

分析机架间冷却水集管结构( 图 3) : 集管由本体及喷管焊接组成，集管本体材质为Q235钢，而喷管材质为不锈钢。这两种材质力学性能不同，受热后的膨胀比也有差异。在集管经长时间烘烤后升温，此时若轧制计划发生改变，板带轧制工艺变化需要投用机架间冷却水时，突然注入的冷却水会造成集管温度急剧下降。本体与喷管的两种材质在这种温度变化下产生的收缩也会有所差异，而膨胀或收缩时两种材质不同的变化量会在焊口处产生应力集 中。在轧制钢种交替变化时，集管表面温度也会相应的变化，在长时间作用下会造成焊口开裂。而轧制过程中，板带的宽度也会因轧制的规格有所变化，这就造成集管中部在不开机架间冷却水时始终受到烘烤，而两侧的集管喷管会因为宽度的变化而使烘烤时间缩短，两侧温差低于中部温差，从而出现中部喷管根部往往会首先发生开裂的现象。

2 改进的新型上机架间冷却水集管

2． 1 消除设计缺陷的方法及经济效益分析

首先，消除喷嘴堵塞的方法可以从杂质产生的源头或改变集管结构入手，清除杂质可以通过改善 DC2 冷却水的供水质量来降低杂质数量。但考虑到本地水质及多部门协调的关系，这项工作难以在短时间内完成。降低杂质也可以通过在机架间冷却水的供水支管路中增设水滤器，这种方法在精轧机工作辊冷却水的改造工作中曾使用过，可以明显降低管路中的杂质。但增设过滤器所需工时较长，并且要对供水管路进行重新铺设，成本较高。在原有上机架间冷却水集管的结构基础上进行重新设计，可以在短时间内达到预期效果，显著降低成本。

同理，解决喷管根部开裂的方法就是降低或者消除集管在轧制生产时产生的温差变化，一是可以通过优化轧钢计划安排，降低机架间集管的温差变化来延长集管寿命，但这种方法实际上可操作性极低，也不能从根本上消除集管的温差变化; 二是通过将两种材质整合为一种，减少喷管焊接处在温差变化时产生的应力集中，但是会出现成本过高( 使用不锈钢) 或喷管寿命降低( 使用碳钢) 的情况; 三是通过冷却水冷却，使集管温度不会产生较大变化，而这种思路的实现就需要对集管结构进行重新设计。

通过在上机架间冷却水集管原有基础上进行重新设计，解决以上两种问题是解决机架间冷却水形问题的最有效方法。

2． 2 上机架间冷却水集管的设计思路

解决喷管堵塞，需要避免杂质流入喷管。上机架间冷却水集管中的冷却水不投用时会在重力作用下从喷嘴流出，而杂质会沉淀在集管腔体内，再次开水时杂质会被冲积到操作侧从而堵塞喷管。延长腔体内喷管长度，使喷管口部高于腔体底面，可以有效阻止沉淀下来的杂质流入喷管内部，沉淀的杂质可以通过拆除操作侧盲板冲洗消除。

解决喷管根部开裂的方法可以将冷却水通入腔体内，使冷却水始终对腔体底部直接受板带烘烤的部位进行冷却，将集管温差控制在一定范围内，消除板带对集管产生的温度影响。

2． 3 新型的上机架间冷却水集管

重新设计的上机架间冷却水集管增设了一层分隔板将集管分成上下两腔( 图 5) ，上腔连通机架间冷却水，下腔引入温度较低的工作辊冷却水对腔体下表面进行冷却。

工作辊冷却水从轧机传动侧的主管路中引入下腔体，一个球阀控制冷却水流量，水从操作侧通过软管排入地沟( 图 6) 。因工作辊冷却水在正常生产时处于常开状态，因此无论轧制何种规格的钢种，集管下腔内总有冷却水通过，可使集管底部保持较低的恒温，避免了喷管底部因热胀冷缩造成的焊缝开裂。

从图 5 可以看出，新型的集管加大了腔体内喷管长度，喷管接入上腔体并高于分隔板上表面，使氧化铁皮、焊渣沉淀在分隔板表面上，而不会进入喷管。新型的上机架间冷却水集管，其喷管部分穿过分隔板，喷头与分隔板满焊，将上腔的机架间冷却水与下腔的工作辊冷却水隔开、互不干涉，喷管加长的部分挡住了焊渣、氧化铁皮的进入，从而避免了喷头堵塞。

3 结语

改进后新型上机架间冷却水集管的使用寿命大幅延长，由原来的 3 个月提高到 1 年以上，全部改造完后每年可节省备件费用 60 万元，彻底解决了集管底部开焊漏水的问题，也使喷嘴堵塞现象大为改善， 大幅提高了终轧温度的命中率，显著降低了投用机架间冷却水时产生的板带质量问题。但喷嘴堵塞的现象仍未完全消除，在集管内部结构改善上仍需深入研究，以达到继续减少或消除喷嘴堵塞的目的。

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