層流冷卻裝置冷卻能力的確定

張芳芳，李丙亮

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博256414）

1 前言

近年來(lái)，控軋控冷技術(shù)廣泛用于開(kāi)發(fā)不同組織結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)鋼［1］，且不同的冷卻速度對(duì)于所獲得的組織性能也有不同影響。試驗(yàn)軋機(jī)對(duì)鋼廠開(kāi)發(fā)新品種起到至關(guān)重要的作用，試驗(yàn)軋機(jī)的控制冷卻系統(tǒng)采用的冷卻方式為集管層流冷卻，開(kāi)發(fā)的主要產(chǎn)品是船板、工程機(jī)構(gòu)鋼、鍋爐板、容器板等。本研究以某試驗(yàn)軋機(jī)的控制冷卻設(shè)備為研究對(duì)象，以其層流冷卻系統(tǒng)為研究背景，介紹流量標(biāo)定的原理和方法，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，分析調(diào)節(jié)閥開(kāi)口度與流量曲線特性，綜合分析該設(shè)備的冷卻能力。

2 流量標(biāo)定

板帶冷卻過(guò)程中，在鋼種、板厚以及軋制規(guī)程都相同的情況下，冷卻速率的不同可引起組織性能的較大差別，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)相變產(chǎn)物和夾雜物存在形式及分布特征的影響來(lái)起作用。而冷卻速度受到很多因素的影響，如：冷卻水流量、開(kāi)冷溫度、終冷溫度、環(huán)境溫度、輥道速度、鋼板厚度、冷卻水壓力等等，而冷卻水流量控制是控制鋼板終冷溫度精度的重要手段，也便于調(diào)節(jié)。

2.1 開(kāi)口度-流量曲線繪制

水流量穩(wěn)定是控制終冷溫度精度的重要因素，因此流量計(jì)數(shù)值的準(zhǔn)確對(duì)于控制冷卻起到了至關(guān)重要的作用，在調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)口度之前，先要標(biāo)定電磁流量計(jì)。

首先，設(shè)定電磁調(diào)節(jié)閥的初始開(kāi)口度。為了保證流量的精度，采用開(kāi)口度偏移量為5%。流量標(biāo)定從0開(kāi)始，并按公式：

開(kāi)口度值=初始開(kāi)口度＋偏移量×系數(shù)，標(biāo)定不同開(kāi)口度對(duì)應(yīng)的流量值。其中系數(shù)是一個(gè)累加器，每次標(biāo)定完成后自動(dòng)加1。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)范圍在20%～90%之間，因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥開(kāi)口度＜20%時(shí)水流不穩(wěn)定，而在調(diào)節(jié)閥開(kāi)口度＞90%時(shí)，流量接近最大值100 m3/h。

其次，關(guān)閉氣動(dòng)隔膜閥使電磁調(diào)節(jié)閥開(kāi)口度設(shè)定值置為0。按規(guī)定偏移量增加電磁調(diào)節(jié)閥的開(kāi)口度，當(dāng)調(diào)節(jié)閥靜止后打開(kāi)氣動(dòng)隔膜閥噴水，若電磁流量計(jì)讀數(shù)1 s內(nèi)在一個(gè)允許范圍內(nèi)波動(dòng)，則認(rèn)為此時(shí)流量穩(wěn)定，記錄調(diào)節(jié)閥開(kāi)口度設(shè)定值和電磁流量計(jì)的讀數(shù)。具體標(biāo)定步驟如圖1所示［2］。

圖1 電磁流量計(jì)標(biāo)定步驟

流量控制主要是控制閥的開(kāi)口度，由于管路結(jié)構(gòu)和閥體本身的結(jié)構(gòu)特征，相同的開(kāi)口度流量并不一定相同。因此為了保證流量的準(zhǔn)確性，對(duì)每一組集管必須單獨(dú)標(biāo)定［2］。逐漸加大調(diào)節(jié)閥開(kāi)口度，開(kāi)口度每增加5%采集一個(gè)樣本，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制“開(kāi)口度—流量曲線”，如圖2所示，中間值采用線性插值計(jì)算。

以層流冷卻系統(tǒng)為背景，編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)流量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集并自動(dòng)建立開(kāi)口度—流量曲線，可顯著提高流量的控制精度。從圖2中可以看出，調(diào)節(jié)閥流量與開(kāi)口度的關(guān)系為單調(diào)遞增，據(jù)此關(guān)系可以直接采用線性插值或者曲線擬合的方法來(lái)計(jì)算出開(kāi)口度設(shè)定值［3］。由于調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致工作流量特性曲線隨時(shí)改變，因此，根據(jù)開(kāi)口度—流量曲線便可以實(shí)現(xiàn)前饋控制。為了進(jìn)一步提高控制精度，在前饋控制的基礎(chǔ)上可增加反饋控制。

圖2 開(kāi)口度—流量曲線

2.2 提高閥門(mén)開(kāi)口度穩(wěn)定性的方法

流量調(diào)節(jié)閥包括手動(dòng)調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)截止閥兩種。手動(dòng)調(diào)節(jié)閥用于設(shè)備檢修和流量調(diào)整，氣動(dòng)截止閥用于上下集管冷卻水的關(guān)閉，而上下集管的控制均是通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成，同時(shí)也可以人工手動(dòng)干預(yù)開(kāi)閉。

為了提高控冷溫度的精度，必須保證流量穩(wěn)定，因此提高閥門(mén)開(kāi)口度的穩(wěn)定性是關(guān)鍵之一。

1）增加反饋控制。反饋控制抗外部干擾的能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)控制穩(wěn)定。增加反饋系統(tǒng)控制，可提高閥門(mén)開(kāi)口度的精度。

2）保證水箱的水位穩(wěn)定。在控冷過(guò)程中，隨冷卻水的使用，若水箱內(nèi)水的補(bǔ)足速度趕不上消耗速度，則會(huì)使水位降低，水的噴射壓力下降，最終導(dǎo)致開(kāi)口度相同情況下的水流量不同。因此，必須保證水箱的水位穩(wěn)定。

3）氣源穩(wěn)定。層流冷卻系統(tǒng)中使用的調(diào)節(jié)閥是氣動(dòng)閥，即在高壓空氣的推動(dòng)下將閥門(mén)打開(kāi)，若氣源壓力不穩(wěn)定或降低，也會(huì)使閥門(mén)打開(kāi)的動(dòng)力降低，故氣源壓力的穩(wěn)定對(duì)于閥門(mén)開(kāi)口度的大小起著至關(guān)重要的作用。

4）集管單向打開(kāi)。由于電磁調(diào)節(jié)閥具有磁滯性，在流量調(diào)節(jié)過(guò)程中調(diào)節(jié)閥的開(kāi)口度從小變大和從大變小時(shí)的開(kāi)口度-流量曲線并不重合，這將對(duì)流量調(diào)節(jié)產(chǎn)生很大的影響。為了消除磁滯特性對(duì)開(kāi)口度的影響，可采用單調(diào)調(diào)節(jié)策略，即當(dāng)流量減小需要閥門(mén)開(kāi)度下調(diào)時(shí)，先把開(kāi)口度減小到10%后再增加到目標(biāo)值，以保證流量調(diào)節(jié)閥始終由小到大單向調(diào)節(jié)，這樣也能夠保證每一組閥門(mén)都有足夠的氣源推動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)，保證閥門(mén)開(kāi)口度的穩(wěn)定。

5）將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥改為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥雖然具有響應(yīng)速度快、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，但定位精度低，不利于流量前饋控制。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位精度高，可重復(fù)性好，雖具有磁滯性，但可通過(guò)單向調(diào)整的方式消除。

3 層流冷卻裝置的能力

層流冷卻裝置型式為無(wú)慣性管式層流冷卻，根據(jù)帶鋼厚度、鋼種及軋制速度，控制開(kāi)啟的噴水組數(shù)和調(diào)節(jié)水量，將帶鋼由終軋溫度冷卻至所要求的卷取溫度［4］。

該試驗(yàn)裝置的層流冷卻裝置由9組集管構(gòu)成，每組集管間距離為0.68 m，集管寬度為0.5 m，集管等間距分布，每組集管上布滿密集的出水口，出水口直徑為Ф2～Ф3 mm，每組集管的流量在4～19 m3/h范圍內(nèi)可調(diào)，整個(gè)層流冷卻裝置的瞬時(shí)最大用水量為360 m3/h。圖3為層流冷卻裝置上下集管的開(kāi)口度-流量曲線，序號(hào)1～9為9組集管對(duì)應(yīng)的開(kāi)口度—流量曲線。

圖3 層流冷卻集管流量曲線

盡管集管采用的噴嘴結(jié)構(gòu)相同，共用一個(gè)供水系統(tǒng)，從圖3a上集管的開(kāi)口度-流量曲線可以看出，相同開(kāi)口度對(duì)應(yīng)的流量也不相同，但是在集管開(kāi)口度30%～80%范圍內(nèi)，開(kāi)口度-流量曲線成線性變化。從圖3曲線可以看出，冷卻裝置的最大水流密度在1 200 L/（m2·min）以上，可以滿足不同冷卻速度的要求，可滿足鋼種獲得不同組織的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

為了滿足終冷溫度的精度要求，提高閥門(mén)開(kāi)口度的穩(wěn)定性是重要手段。通過(guò)分析，調(diào)節(jié)閥流量與開(kāi)口度為單調(diào)遞增的關(guān)系，可以直接采用線性插值或者曲線擬合的方法來(lái)計(jì)算出開(kāi)口度設(shè)定值。

從開(kāi)口度-流量曲線的變化趨勢(shì)可以看出，在集管開(kāi)口度30%～80%范圍內(nèi)，開(kāi)口度-流量曲線成線性變化，在此范圍內(nèi)可以根據(jù)開(kāi)口度大小確定冷卻水流量的大小，而該設(shè)備冷卻裝置的最大水流密度在1 200 L/（m2·min）以上，可滿足不同冷卻速度的控制要求。