中小型棒材车间步进式冷床长度的计算

摘 要:介绍了年产100万t的某棒材中小型轧钢车间冷床的工艺尺寸计算和冷却能力的校核(www.26669.net)。对棒材在冷床上的冷却主要考虑热辐射,采用波尔茨曼公式计算棒材冷却所需时间,求出冷床长度,并将该时间与棒材在冷床上实际通过的时间进行比较,校核了冷床长度。

冷床是中小型棒材车间不可或缺的关键设备之一,通过自然冷却或外加强制冷却(风冷或喷水),它可将轧件 由900 ℃ 左右冷却到100~ 300 ℃。其常见型式主要有步进式齿条型冷床、 复合多爪式冷床、链式冷床、摇摆式冷床等[1],随着市场对棒材产品质量要求越来越高,步进式冷床因为对轧件划伤小、冷却均匀并且可使之矫直, 得到了越来越广泛的应用。

本文主要对步进式齿条型冷床的尺寸计算和 冷却能力的校核进行介绍。

1 冷床的工艺尺寸

1.1 冷床的宽度

冷床宽度(平行于轧制线方向上的长度)根据棒材成品长度和最大倍尺长度而定,通常情况下:

式中:B为冷床宽度,m;L为最大倍尺长度, m;l为成品定尺长度,m。

或者采用经验公式:B=(1.05~1.1)L。

如某厂年产100万t棒材车间的成品定尺为 12m,根据生产节奏,选取的最大倍尺长度为108 m,则根据(1)式,冷床宽度为120m。

冷床设计过宽,会使设备重量增加,厂房增长,投资 增大。冷床设计过窄,会使冷床长度增加,厂房跨度增大,同时还使倍尺剪操作周期缩短和冷床动作频率加快,加大机电设备的控制难度。

1.2 冷床的长度

冷床长度(垂直于轧制线方向上的长度)是在保证轧机产量的情况下,根据棒材冷却所需要的时间来定。一般按下式确定:

式中:A 为冷床长度,m;Q 为轧机小时产量, t/h,根据轧制表,取Q=145t/h;G 为轧件倍尺长 度质量,kg;b为步进式冷床齿距,m,取b=0.08 m;t为钢材冷却时间,s。

可见,冷却时间的正确选择是决定冷床长度的关键。而棒材在齿条式冷床上的冷却过程中, 主要有2种散热方式:热辐射散热和空气对流散热。在无外加强制冷却的条件下,空气对流散热 所引起的棒材温降仅为辐射散热的 1 %,可以忽略不计。在此,针对主要的热辐射散热方式,结合 玻尔茨曼定律可以得出:

式中:t为钢材冷却时间,s;C 为钢材的比热, J/(kg·℃),取 C=460J/(kg·℃);r为 钢 材 的 密 度,kg/m3;R 为棒材的 半 径,m;ε为 钢 的 热 辐 射 系数,取ε=0.8;σ 为 玻 尔 茨 曼 常 数,W/(m2· K4))取σ=5.67×10-8;t2 为冷却后的温度,℃;t1 为冷却前的温度,℃。

以某厂年产100万t棒材车间 Φ20mm 的钢 材成 品 为 例,冷 却 前 温 度 950 ℃,冷 却 后 温 度 250 ℃,则冷却所需的时间按(3)式计算为:

t=855s=0.2375h。

根据(2)式,冷床长度A≈11.0m。

因为冷却时间无法准确地计算出,以 上 估 算 存在一定的误差。所以如果主轧跨的跨度可以满 足冷床长度的适当增加,增大冷床的冷却能力,投 资不会增加很多,这是合算的。

在目前的实际设计工作中,主轧跨一 般选择27m,本工程中的轧机选用短应力线轧机,轧制中心线即冷 床 输 入辊道中心线距厂房柱轴线11 m,冷床输出辊道中心线距该主轧跨的另一条厂 房轴线3.5m。因此,该棒材厂冷床长度实际取值 A=(27-11-3.5)m=12.5m。

2 冷床能力的校核

在冷却能力的校核中,如果棒材在冷 床 上 实 际通过的时间(ts)大于计算所需的冷却时间(t), 则冷床冷却能力足够,反之则不足。

式中:A 为 冷 床 长 度,m;b 为步进式冷床齿 距,m,取b=0.08m;T 为轧件对应冷床的工作周 期,h;n为钢材上冷床的根数,根/h。

同样以 Φ20mm 的圆钢为例,棒材小时产量 145t/h,每小时 需 要 上 冷 床 棒 材 根 数 为:n=145 ×103/(π·0.022/4×108r),其 中r 为 钢 材 的 密 度,kg/m3。经计算n=544根/h。

根据式(3),ts=0.2872h,大于t=0.2375h, 表明冷却能力足够。对几种主要规格棒材产品冷 却能力的校核见表1。

该棒材厂于2010年7月投产,目前平均月产 8.7 万t左 右,已 经 达 产。经过现场实际生产检 验,此冷床冷却能力完全满足各钢种、各规格产品 的冷却需要,其尺寸设计合理。

3 结 语

随着市场形势的变化,中小型棒材项目因为投资小,见效快,近年来在国内市场上的建设蓬勃兴起,而冷床作为其中重量最重、投资额最大的设备,如何计算其尺寸,在满足工艺生产的前提下又 能节省投资,是棒材项目设计过程中的1个重要环节。

棒材在冷床上的冷却是1个复杂的过程,和很多因素如产品品种、规格、轧机小时产量、轧件长度、终轧温度、下冷床温度、冷却条件、冷床齿距 等都有关系,也没有很准确的计算公式,以往的设计中常通过经验或查表来确定冷床尺寸,这里以热辐射为棒材在冷床上主要的散热温降方式来计 算所需的冷却时间,从而算出冷床长度,并将该时 间与棒材在冷床上实际通过的时间进行比较来校核冷床长度。本文希望通过计算、量化的方式来为棒材冷床的设计和生产提供参考。

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