超快速冷卻換熱機理與工藝模型的研究與應用

中厚板產品生產過程中的一個重要環節是冷卻，冷卻過程對中厚板的性能有很大的影響。在電視上常見的鑄劍過程中，鑄劍師總會將燒紅的劍插入水桶中，伴隨著呲呲的沸騰聲音和大量蒸汽，這個工序稱為淬火。淬火只是鋼鐵產品冷卻過程中的一個特殊環節，不同的冷卻路徑下，鋼的組織會有很大的不同。

圖1龍泉鑄劍大師胡小軍

龍泉鑄劍大師胡小軍說：淬火是製作刀劍的靈魂，因為淬火如果做不好，你前面所有的工作都等於0。而且淬火過程非常困難，基本上10次有9次都失敗。為什麼淬火這麼容易失敗呢？因為鋼鐵的冷卻過程非常複雜。

圖2層流冷卻裝置照片

在中厚板生產過程中傳統的冷卻裝置是這樣的，稱為層流冷卻裝置（圖2）。

圖3層流冷卻後鋼板板型

鋼板層流冷卻後的板型很難控制，經常出現圖3中所示的板型問題。為什麼層流冷卻效果這麼差？

圖4層流冷卻過程表面照片

鋼板表面，水在亂流，冷卻效果基本隨緣。較差的板型和不穩定的產品性能會造成巨大的浪費。為了解決上述問題，我們從兩方面攻關。第一是對高溫鋼板冷卻機理進行研究。第二是開發自動化控制系統實現精準的冷卻路徑控制。

圖5Leidenfrost效應照片

水在高溫表面會產生大量的沸騰氣泡，這個階段稱為膜沸騰，如圖5所示，在高溫的鍋底水滴會在表面滑來滑去，需要很長時間才全部蒸發，沸騰氣泡形成的蒸汽層阻礙了冷卻水換熱。

圖6手插入液氮中照片

同樣的道理，將手插入液氮中，也沒有那麼冷，因為手的表面也會形成蒸汽層。實現鋼板表面的高效冷卻需避免大範圍的膜沸騰。

圖7射流衝擊表面冷卻區域與換熱狀態分布

經過大量實驗，對冷卻機理盡在掌握，一束水衝到鋼板上，隨著表面溫度的變化，冷卻過程主要分為四種換熱機理：單相自然對流、核沸騰、瞬態沸騰、膜沸騰。在對冷卻機理深入研究的基礎上，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（RAL）採用縫隙噴嘴與高密度冷卻噴嘴，大幅提高了冷卻強度和冷卻均勻性。

圖8高密快冷噴嘴設備照片與流體狀態

在此基礎上，RAL開發了新型冷卻裝置，設備長度達24米，和藍鯨的長度接近，設備更加精密複雜，顯著優於傳統冷卻裝置。

圖9RAL軋後冷卻系統照片

在開發了良好的冷卻裝備後面臨的另一問題是：如何實現鋼板的冷卻路徑控制。每塊鋼板的冷卻速率和冷卻溫度要求都不盡相同，多少水？怎麼澆？這些都有複雜的公式來計算。

圖10冷卻過程溫度場計算示意圖

最終，基於有限元溫度場演算法，實現了從軋後高溫計至冷後高溫計的全流程鋼板溫度場計算。利用數據挖掘技術，給出了不同水溫下換熱係數修正公式和上下集管流量比計算公式。開發了具備空間檢索的自學習系統，保證了中厚板冷卻過程的精細控制。95%的鋼板冷卻溫度偏差小於±25℃。

圖11冷卻過程溫度曲線

圖12返紅溫度偏差分析

圖13南鋼 5000mm寬厚板廠冷後效果

鋼廠資深員工首次看到超快速冷卻系統的冷卻效果後感嘆：「超快冷的效果超出我們的想像！」。

目前，RAL開發的先進中厚板超快速冷卻系統（ADCOS-PM）已成功應用與推廣至南鋼、首鋼、沙鋼、鞍鋼以及韶鋼等12條中厚板產線，在保障熱軋中厚板良好冷卻板型的基礎上，實現了高精度冷卻路徑控制，為上述企業高質與高效化生產提供巨大幫助。

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