轧钢加热炉冷却系统的研究与应用
【摘 要】通过对轧钢加热炉冷却系统的研究分析，分析其结构、对黑印的作用等，并结合实际过程中的冷却系统进行应用。
【关键词】轧钢加热炉 冷却系统 应用
1. 前言
我国轧钢加热炉占整个钢铁工业能耗比重非常大，约为20%左右。随着轧机生产能力的提高和对轧制产品质量的严格要求，深入研究轧钢加热炉热过程，实现优化烧钢的控制，是钢铁工业生产过程中的重要内容，研究轧钢加热炉的冷却系统对当前轧钢生产过程中增效节支，节能降耗，提高优化烧钢的控制具有重要意义。
2. 加热炉的冷却系统
加热炉的冷却系统是由加热炉炉底的冷却水管和其他冷却构件组成。下面介绍炉底水冷结构：
2.1 炉底水管的布置
在两面加热的连续加热炉内，料坯在沿炉长敷设的炉底水管上向前滑动。炉底水管由厚壁无缝钢管组成，内径50~80mm，壁厚10~20mm。为了避免料坯在水冷管上直接滑动时将钢管壁磨损。在和坯料直接接触的纵水管上焊有圆钢或方钢，称为滑轨，磨损以后可以更换水管。
两根纵向水管间距不能太大以免料坯在高温下弯曲，最大不超过2m. 但也不宜过小，否则下面遮蔽太多，消弱了下加热效果，最小不少于0.6m 。为了使料坯不掉道，料坯两端应比水管宽出100~150mm。 炉底水管承受料坯的全部重量（静负荷），并经受料坯推移时所产生的动载荷。因此，纵水管下需要有支撑结构。炉底水管的支撑结构形式很多，一般在高温段用横水管支撑，横水管彼此间隔1~3.5m，横水管两端穿过炉墙靠钢架支持。支撑管的水冷却不与炉底纵水管的冷却连通，二十几个管子顺序连接起来，形成一个回路，这种结构只适用于跨度不大的炉子。当炉子很宽，上面料坯的负载很大时，需要采用双横水管，或回线形横支撑管的结构。管的垂直部分用耐用砖柱包围起来，这样下加热炉膛空间被占去不少。
2.2 炉底水管的绝热
炉底水冷滑管的支撑管加在一起的水冷表面积达到炉底面积的40%~50%，带走大量热量。又由于水管的冷却作用，使料坯与水管滑轨接触处的局部温度降低200~250ºC ，使料坯下面出现水冷“黑印”，在压力加工时对生产带来不利影响。例如，轧制带有黑印的板坯时，温度的不均匀可能导致钢板的薄厚不均匀。降低热损失和减小黑印影响的有效措施，是对炉底水管实行绝热包扎。实践证明，当炉温为1300ºC 时，绝热层外表面温度可达到1230ºC ，可见，炉底滑管对金属的冷却影响不大。水管绝热后，其热损失仅为绝热水管的1/4~1/5。
水冷管最好的包扎方式是复合（双层）绝热包扎。采用一层10~12 mm的陶瓷纤维，外面再加40~50mm厚的耐火可塑材料（10mm 厚的陶瓷纤维相当于50~60mm厚可塑材料的绝热效果）。这样的双层包扎绝热比单层绝热可减少热损失20%~30%。
3. 钢坯加热黑印
3.1 加热黑印的产生
连续式加热炉中普遍存在钢坯加热后的水管黑印问题。其实质是由于钢坯下面的冷却水带走了大量的热，而这部分热中包含了钢坯通过对滑轨间接地传给水管的导热，以及钢坯直接与水管的辐射传热，此外还有水管对钢坯加热的遮蔽作用，这都大大降低了钢坯与水管接触位置的温度，并使该处于钢坯其他部分有明显的温差，进而从外观上便看到了黑印现象。
3.2 加热黑印的危害
钢坯加热黑印的产生，使得表面温度不均从而加大了钢坯的轧制难度、能耗及设备损耗。此外，黑印
451
也直接影响了钢坯的机械强度与性能，严重时会使钢坯因性能达不到要求而报废。总之，减少钢坯加热黑印能提高钢材质量以及降低相关方面的损耗，从而提高生产的经济效益。
3.3 减少加热黑印的途径
采用热滑轨
为解决水管黑印问题，60年代以来，研究并使用了“热滑轨”，热滑轨是相对与传统的加热炉在滑道水管上焊一条钢筋后方钢的“冷滑轨”而言，其特点是在钢坯与水管之间起一种“隔热作用”，以提高黑印温度，减少黑印温差，甚至基本上消除黑印。
强化下加热
由于下部冷却水管吸走大量的热量，而且水管离钢坯的下表面很近，其吸热与遮蔽作用直接影响到对钢坯的传热。此外，下面的炉气要上浮，也减少了下部的热量。因此，下加热不足时钢坯黑印现象更严重。
采用金属滑块
在推钢式连续加热炉纵水管上焊接或用其他方法固定具有一定高度的金属块，一则保护水管，一则消除钢坯加热时留下的水管黑印，是提高钢坯加热质量的有效措施。
采用蓄热式高温空气燃烧技术
在传热的燃烧方式下，空气和燃气在混合筒内进行较好的混合后通过烧嘴喷入炉膛。混合可燃气体在炉膛内形成火焰，这种火焰燃烧在距喷嘴一定距离内有温度最高点，在蓄热式燃烧中，空气经预热后的温度很高，煤气、空气经过各自通道喷入炉膛内部，这种特殊的燃烧方式将炉膛作为反应器，使得炉内温度分布均匀，消除了局部温差，经过加热后的钢坯在轧制过程中没有明显的黑印，从而使得产品质量得到保障。
用无水冷却滑轨
即使用特殊材质的滑轨，替代连续加热炉炉底有水冷却水管，减少了冷却水带走的热量。即消除了钢坯在冷却管壁上滑轨时产生的黑印，又节约了大量冷却水。
水管的布置方法
对于步进式加热炉采用加热段与预热段步进梁纵向水管滑道位置错开布置，可大大减少钢坯在加热段带来的黑印。
由以上说明可以看出，在加热炉中，钢坯温度的均匀性和钢坯温度的提高一直是加热过程中关心的问题，为此我们可以对加热炉进行优化，本文也是为了研究冷却水管包扎后对钢坯温度和均匀性的影响。
4. 在实际过程中的应用
4.1 在步进梁式加热炉中的应用
唐钢第一钢轧厂1700生产线加热炉是步进梁式加热炉。步进梁通过立柱穿过炉底炉底固定在平移框架上，固定梁通过立柱由炉底钢结构支撑和固定。纵向支撑梁采用厚壁无缝钢管制造。步进水平梁为Ф140×20双管，双立柱外管为Ф140×20，单力主外管为Ф168×20。支撑梁立柱采用套管结构，外管采用热轧厚壁无缝管（材质20g ），内管采用普通无缝管。立柱管与纵梁采用刚性焊接结构连接，立柱管在安装时考虑纵梁受热的的膨胀量，实施预弯安装，以使其在炉子工作状态下保持与纵梁的垂直受力。水梁立柱采用双层绝热包扎，加强绝热，为减轻梁黑印的影响，步进、固定梁均分二段，并错开200mm 。
为减少被加热坯雨水冷梁接触的低温黑印，在加热炉的板坯和梁之间，在不同的温度段设不同的高度、不同材质的耐热垫块，处于高温段的出料端一段为长200mm ，上宽60mm ，下宽40mm ，高100mmCo50，第二段起到二加热段开始为高75mm ，长200mmCo20，一加热段为长8400mm ，高75mm ，宽40mmCr25N120Si2ReTi 。垫块之间设有挡块，同时允许垫块有一定的膨胀，这种结构经过实际应用，效果非常好，能控制板坯黑印温差在理想的范围内。采用这种垫块和水梁结构的炉子是计策黑印温差小于15℃。
4.2 在辊底式加热炉中的应用
唐钢第一钢轧厂1810线加热炉是辊底式加热炉，加热炉分为A 线加热段、A 线横移段、A 线保温段、B 线加热段、B 线横移段。板坯在炉辊上运行，除A 线横移段外均采用水冷辊，其结构：在水冷辊辊体上452
装有4个耐热钢(Ni-Cr合金) 辊环，用以支承钢坯，使钢坯与炉辊接触面积最小，保证钢坯温度的均匀性。在辊环和辊体之间、辊环之间装有绝热材料。A 线横移段采用合金干辊，目的是简化横移段坦克链的结构。炉辊间距1.2m ，每个炉辊由一个电机单独驱动，辊速和方向由变频器控制，辊速范围2.0~60m/min，并有摆动功能。炉辊轴承座固定在两侧基础梁上，炉辊可以单独抽出，不带电机和减速机。
A 线加热段和保温段采用水冷辊 ，B 线全部用水冷辊。辊外侧有四个耐热Ni-Cr 合金辊环用于支承钢坯，辊本身通过中心冷却的轴冷却，辊环之间有绝热层。为使板坯加热更加均匀，辊环交替布置。冷却水采用软水，两个炉辊串联成一个闭环冷却回路。每个炉辊单独驱动。
辊底式加热炉采用炉辊进行板坯的支承和传输，同时炉辊采用水冷辊的形式进行冷却，对钢坯温度的均匀性起非常大的作用。
5. 结语
轧钢加热炉占钢铁企业中能耗比例非常大，对此，在我们国家节能降耗的方针政策下，我们应通过不断的研究，以不断降低加热炉的能耗。轧钢加热炉冷却系统是带走加热炉能耗的一个重要环节，通过不断的研究和现场应用，已总结了很多应用很好的实例，唐钢第一钢轧厂1700生产线的步进梁式加热炉和1810生产线辊底式加热炉冷却系统都非常好，在实际应用过程中，冷却系统的作用非常明显，对板坯的加热质量等都起了很好的作用。
参考文献
[1] 戚翠芬，加热炉. 北京：冶金工业出版社，2004。
[2] 杨世铭，陶文铨，传热学（第三版），北京：高等教育出版社，1998。
[3] 冯明杰、陈文仲、吴海霞，滑块温度分布的计算及分析，冶金能源，2003，2：30-32。
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轧钢加热炉冷却系统的研究与应用
【摘 要】通过对轧钢加热炉冷却系统的研究分析，分析其结构、对黑印的作用等，并结合实际过程中的冷却系统进行应用。
【关键词】轧钢加热炉 冷却系统 应用
1. 前言
我国轧钢加热炉占整个钢铁工业能耗比重非常大，约为20%左右。随着轧机生产能力的提高和对轧制产品质量的严格要求，深入研究轧钢加热炉热过程，实现优化烧钢的控制，是钢铁工业生产过程中的重要内容，研究轧钢加热炉的冷却系统对当前轧钢生产过程中增效节支，节能降耗，提高优化烧钢的控制具有重要意义。
2. 加热炉的冷却系统
加热炉的冷却系统是由加热炉炉底的冷却水管和其他冷却构件组成。下面介绍炉底水冷结构：
2.1 炉底水管的布置
在两面加热的连续加热炉内，料坯在沿炉长敷设的炉底水管上向前滑动。炉底水管由厚壁无缝钢管组成，内径50~80mm，壁厚10~20mm。为了避免料坯在水冷管上直接滑动时将钢管壁磨损。在和坯料直接接触的纵水管上焊有圆钢或方钢，称为滑轨，磨损以后可以更换水管。
两根纵向水管间距不能太大以免料坯在高温下弯曲，最大不超过2m. 但也不宜过小，否则下面遮蔽太多，消弱了下加热效果，最小不少于0.6m 。为了使料坯不掉道，料坯两端应比水管宽出100~150mm。 炉底水管承受料坯的全部重量（静负荷），并经受料坯推移时所产生的动载荷。因此，纵水管下需要有支撑结构。炉底水管的支撑结构形式很多，一般在高温段用横水管支撑，横水管彼此间隔1~3.5m，横水管两端穿过炉墙靠钢架支持。支撑管的水冷却不与炉底纵水管的冷却连通，二十几个管子顺序连接起来，形成一个回路，这种结构只适用于跨度不大的炉子。当炉子很宽，上面料坯的负载很大时，需要采用双横水管，或回线形横支撑管的结构。管的垂直部分用耐用砖柱包围起来，这样下加热炉膛空间被占去不少。
2.2 炉底水管的绝热
炉底水冷滑管的支撑管加在一起的水冷表面积达到炉底面积的40%~50%，带走大量热量。又由于水管的冷却作用，使料坯与水管滑轨接触处的局部温度降低200~250ºC ，使料坯下面出现水冷“黑印”，在压力加工时对生产带来不利影响。例如，轧制带有黑印的板坯时，温度的不均匀可能导致钢板的薄厚不均匀。降低热损失和减小黑印影响的有效措施，是对炉底水管实行绝热包扎。实践证明，当炉温为1300ºC 时，绝热层外表面温度可达到1230ºC ，可见，炉底滑管对金属的冷却影响不大。水管绝热后，其热损失仅为绝热水管的1/4~1/5。
水冷管最好的包扎方式是复合（双层）绝热包扎。采用一层10~12 mm的陶瓷纤维，外面再加40~50mm厚的耐火可塑材料（10mm 厚的陶瓷纤维相当于50~60mm厚可塑材料的绝热效果）。这样的双层包扎绝热比单层绝热可减少热损失20%~30%。
3. 钢坯加热黑印
3.1 加热黑印的产生
连续式加热炉中普遍存在钢坯加热后的水管黑印问题。其实质是由于钢坯下面的冷却水带走了大量的热，而这部分热中包含了钢坯通过对滑轨间接地传给水管的导热，以及钢坯直接与水管的辐射传热，此外还有水管对钢坯加热的遮蔽作用，这都大大降低了钢坯与水管接触位置的温度，并使该处于钢坯其他部分有明显的温差，进而从外观上便看到了黑印现象。
3.2 加热黑印的危害
钢坯加热黑印的产生，使得表面温度不均从而加大了钢坯的轧制难度、能耗及设备损耗。此外，黑印
451
也直接影响了钢坯的机械强度与性能，严重时会使钢坯因性能达不到要求而报废。总之，减少钢坯加热黑印能提高钢材质量以及降低相关方面的损耗，从而提高生产的经济效益。
3.3 减少加热黑印的途径
采用热滑轨
为解决水管黑印问题，60年代以来，研究并使用了“热滑轨”，热滑轨是相对与传统的加热炉在滑道水管上焊一条钢筋后方钢的“冷滑轨”而言，其特点是在钢坯与水管之间起一种“隔热作用”，以提高黑印温度，减少黑印温差，甚至基本上消除黑印。
强化下加热
由于下部冷却水管吸走大量的热量，而且水管离钢坯的下表面很近，其吸热与遮蔽作用直接影响到对钢坯的传热。此外，下面的炉气要上浮，也减少了下部的热量。因此，下加热不足时钢坯黑印现象更严重。
采用金属滑块
在推钢式连续加热炉纵水管上焊接或用其他方法固定具有一定高度的金属块，一则保护水管，一则消除钢坯加热时留下的水管黑印，是提高钢坯加热质量的有效措施。
采用蓄热式高温空气燃烧技术
在传热的燃烧方式下，空气和燃气在混合筒内进行较好的混合后通过烧嘴喷入炉膛。混合可燃气体在炉膛内形成火焰，这种火焰燃烧在距喷嘴一定距离内有温度最高点，在蓄热式燃烧中，空气经预热后的温度很高，煤气、空气经过各自通道喷入炉膛内部，这种特殊的燃烧方式将炉膛作为反应器，使得炉内温度分布均匀，消除了局部温差，经过加热后的钢坯在轧制过程中没有明显的黑印，从而使得产品质量得到保障。
用无水冷却滑轨
即使用特殊材质的滑轨，替代连续加热炉炉底有水冷却水管，减少了冷却水带走的热量。即消除了钢坯在冷却管壁上滑轨时产生的黑印，又节约了大量冷却水。
水管的布置方法
对于步进式加热炉采用加热段与预热段步进梁纵向水管滑道位置错开布置，可大大减少钢坯在加热段带来的黑印。
由以上说明可以看出，在加热炉中，钢坯温度的均匀性和钢坯温度的提高一直是加热过程中关心的问题，为此我们可以对加热炉进行优化，本文也是为了研究冷却水管包扎后对钢坯温度和均匀性的影响。
4. 在实际过程中的应用
4.1 在步进梁式加热炉中的应用
唐钢第一钢轧厂1700生产线加热炉是步进梁式加热炉。步进梁通过立柱穿过炉底炉底固定在平移框架上，固定梁通过立柱由炉底钢结构支撑和固定。纵向支撑梁采用厚壁无缝钢管制造。步进水平梁为Ф140×20双管，双立柱外管为Ф140×20，单力主外管为Ф168×20。支撑梁立柱采用套管结构，外管采用热轧厚壁无缝管（材质20g ），内管采用普通无缝管。立柱管与纵梁采用刚性焊接结构连接，立柱管在安装时考虑纵梁受热的的膨胀量，实施预弯安装，以使其在炉子工作状态下保持与纵梁的垂直受力。水梁立柱采用双层绝热包扎，加强绝热，为减轻梁黑印的影响，步进、固定梁均分二段，并错开200mm 。
为减少被加热坯雨水冷梁接触的低温黑印，在加热炉的板坯和梁之间，在不同的温度段设不同的高度、不同材质的耐热垫块，处于高温段的出料端一段为长200mm ，上宽60mm ，下宽40mm ，高100mmCo50，第二段起到二加热段开始为高75mm ，长200mmCo20，一加热段为长8400mm ，高75mm ，宽40mmCr25N120Si2ReTi 。垫块之间设有挡块，同时允许垫块有一定的膨胀，这种结构经过实际应用，效果非常好，能控制板坯黑印温差在理想的范围内。采用这种垫块和水梁结构的炉子是计策黑印温差小于15℃。
4.2 在辊底式加热炉中的应用
唐钢第一钢轧厂1810线加热炉是辊底式加热炉，加热炉分为A 线加热段、A 线横移段、A 线保温段、B 线加热段、B 线横移段。板坯在炉辊上运行，除A 线横移段外均采用水冷辊，其结构：在水冷辊辊体上452
装有4个耐热钢(Ni-Cr合金) 辊环，用以支承钢坯，使钢坯与炉辊接触面积最小，保证钢坯温度的均匀性。在辊环和辊体之间、辊环之间装有绝热材料。A 线横移段采用合金干辊，目的是简化横移段坦克链的结构。炉辊间距1.2m ，每个炉辊由一个电机单独驱动，辊速和方向由变频器控制，辊速范围2.0~60m/min，并有摆动功能。炉辊轴承座固定在两侧基础梁上，炉辊可以单独抽出，不带电机和减速机。
A 线加热段和保温段采用水冷辊 ，B 线全部用水冷辊。辊外侧有四个耐热Ni-Cr 合金辊环用于支承钢坯，辊本身通过中心冷却的轴冷却，辊环之间有绝热层。为使板坯加热更加均匀，辊环交替布置。冷却水采用软水，两个炉辊串联成一个闭环冷却回路。每个炉辊单独驱动。
辊底式加热炉采用炉辊进行板坯的支承和传输，同时炉辊采用水冷辊的形式进行冷却，对钢坯温度的均匀性起非常大的作用。
5. 结语
轧钢加热炉占钢铁企业中能耗比例非常大，对此，在我们国家节能降耗的方针政策下，我们应通过不断的研究，以不断降低加热炉的能耗。轧钢加热炉冷却系统是带走加热炉能耗的一个重要环节，通过不断的研究和现场应用，已总结了很多应用很好的实例，唐钢第一钢轧厂1700生产线的步进梁式加热炉和1810生产线辊底式加热炉冷却系统都非常好，在实际应用过程中，冷却系统的作用非常明显，对板坯的加热质量等都起了很好的作用。
参考文献
[1] 戚翠芬，加热炉. 北京：冶金工业出版社，2004。
[2] 杨世铭，陶文铨，传热学（第三版），北京：高等教育出版社，1998。
[3] 冯明杰、陈文仲、吴海霞，滑块温度分布的计算及分析，冶金能源，2003，2：30-32。
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