變頻器在高線冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：文章介紹了在鋼鐵行業(yè)高速線材生產(chǎn)線冷卻系統(tǒng)中變頻器的應(yīng)用，系統(tǒng)采用總線控制變頻器，根據(jù)產(chǎn)品類型對冷卻系統(tǒng)相對應(yīng)的要求，調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，既滿足工藝要求，又起到很好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；節(jié)能；風(fēng)機(jī)；線材

中圖分類號：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）12-0058-02

一般來說，線材是指直徑為5～16 mm 的熱軋圓鋼，成品即為盤卷，稱為盤條或線材。其產(chǎn)量在我國占鋼鐵總產(chǎn)量的20%以上。一般將軋制速度>40 m/s的線材稱為高速線材，高速線材的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)是高速、連續(xù)、控冷和無扭，高速線材產(chǎn)品特點(diǎn)有精度高、盤重大、性能優(yōu)。

高線盤條自然冷卻會使產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重惡化，線材的冷卻過程產(chǎn)生相當(dāng)?shù)难趸?，并影響線材從高溫奧氏體組織轉(zhuǎn)變成常溫金相組織，從而影響產(chǎn)品的機(jī)械性能（良好的高韌性、高強(qiáng)度和拉拔性能），因此如何進(jìn)行線材軋后的冷卻，是整個(gè)線材生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 高速線材的系統(tǒng)構(gòu)成

整條生產(chǎn)線分為加熱爐、粗軋、中軋、飛剪、預(yù)精軋、精軋、吐絲機(jī)、散卷運(yùn)輸機(jī)。加熱爐使鋼坯在整個(gè)加熱過程中得到均勻加熱至約1 100 ℃。鋼坯的尾部在出爐時(shí)與第一架軋機(jī)之間停留的時(shí)間較長，要求軋制時(shí)各點(diǎn)溫度相同，通常鋼坯兩端比中部溫度高20～40 ℃。

粗軋、中軋為平立交替式軋機(jī)，采用交流傳動系統(tǒng)，粗軋用較大的壓下量使鋼坯變形和延伸。經(jīng)預(yù)精軋、精軋軋制后軋件繼續(xù)延伸，得到表面尺寸和質(zhì)量精度良好的成品。精軋后經(jīng)水冷卻再由夾送輥夾持線材至吐絲機(jī)，吐絲機(jī)利用螺旋狀的吐絲管將線材以圓周運(yùn)動方式盤成線圈，吐在散卷冷卻運(yùn)輸機(jī)上。

2 高線冷卻控制

線材的軋后冷卻分為水冷段的強(qiáng)制冷卻和空冷段的相變冷卻兩個(gè)階段。線材經(jīng)水冷至一定的溫度后進(jìn)行吐絲，使直條線材形成圈狀分布在風(fēng)冷線上進(jìn)行冷卻?？刂频膮?shù)主要是吐絲溫度、終軋溫度、集卷溫度以及相變區(qū)冷卻速度等，這些參數(shù)決定了線材產(chǎn)品最終的質(zhì)量。

2.1 終軋溫度的設(shè)定

由于奧氏體晶粒度影響相變過程中的組織轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變產(chǎn)品的外形，因此可通過控制終軋溫度來控制奧氏體晶粒。

2.2 吐絲溫度設(shè)定

吐絲溫度是控制相變開始溫度的關(guān)鍵。最佳吐絲溫度的控制要考慮產(chǎn)品最終用途、過冷奧氏體分解溫度及鋼種成分等幾方面的因素。在斯太爾摩控制冷卻工藝中，一般根據(jù)用途和鋼種的不同將吐絲溫度控制在760～900 ℃。

2.3 相變區(qū)的冷卻速度控制

相變區(qū)的冷卻速度決定著奧氏體分解轉(zhuǎn)變的溫度和時(shí)間，也決定著線材最終組織形狀，運(yùn)輸機(jī)速度可以改變盤條在運(yùn)輸機(jī)上的布放密度。運(yùn)輸機(jī)速度的確定除了與性能、規(guī)格和鋼種要求有關(guān)之外，還與軋制的速度有關(guān)。高碳線材采用斯太爾摩標(biāo)準(zhǔn)型冷卻，冷卻速度控制主要是控制冷卻風(fēng)機(jī)和輥道速度。斯太爾摩輥道速度可由下式確定：

C=W·V/（π·d）

式中C為輥道速度m/s；V為軋制速度m/s；d為線環(huán)直徑mm；W為線環(huán)間距mm。

2.4 冷卻風(fēng)機(jī)選用

冷卻風(fēng)機(jī)的選用包括風(fēng)機(jī)臺數(shù)和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的確定。對大直徑高碳鋼，為了增加冷卻的速度，增加相變前奧氏體過冷度，風(fēng)機(jī)需要滿負(fù)荷。當(dāng)線材由吐絲機(jī)吐出散布在運(yùn)輸機(jī)上時(shí)，呈兩邊密、中間疏的狀態(tài)，導(dǎo)致邊緣與中部的冷卻速度不同，須用調(diào)整風(fēng)量裝置進(jìn)行風(fēng)量分配。風(fēng)機(jī)的啟用臺數(shù)應(yīng)考慮輥道速度和吐絲溫度的影響。

3 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)可通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板以調(diào)節(jié)通風(fēng)量的同時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)軸功率，風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)的性能關(guān)系如圖1所示。

H-Q為風(fēng)機(jī)在恒速下的風(fēng)壓-風(fēng)量特性曲線；

N-Q為恒速下的功率-風(fēng)量特性曲線；

η-Q為恒速下的風(fēng)機(jī)效率-風(fēng)量特性曲線。

某鋼廠早期高速線材生產(chǎn)線用風(fēng)機(jī)擋板調(diào)整風(fēng)量存在的問題：①風(fēng)機(jī)若全速運(yùn)行，用擋板來調(diào)節(jié)風(fēng)量，擋板會形成阻力，消耗很多能量；②采用擋風(fēng)板調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，風(fēng)量調(diào)節(jié)不連續(xù)，有局限性；③品種轉(zhuǎn)換時(shí)需人工調(diào)節(jié)擋板，要耗費(fèi)時(shí)間，降低作業(yè)率；④直接起動時(shí)對電網(wǎng)影響大，會造成機(jī)械振動，可能發(fā)生風(fēng)機(jī)設(shè)備事故。

如圖2所示，曲線1是恒速n1的H-Q特性曲線。曲線2為管網(wǎng)風(fēng)阻特性（風(fēng)門全開時(shí)）。風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)，風(fēng)壓為H1，風(fēng)量為Q1，軸功率PA∝Q1XH1。當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，例如風(fēng)量需要從Q1調(diào)至Q2，若用調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板的方法相當(dāng)于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變成曲線3，系統(tǒng)由原來工況點(diǎn)A變到新工況點(diǎn)B運(yùn)行。從圖中可看出，風(fēng)壓反而增加了，軸功率PB∝Q2XH2。顯然，軸功率下降不是很大。若采用變頻器調(diào)速方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速n2時(shí)風(fēng)量Q-H特性，如曲線4所示?？梢娫跐M足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度的降低，軸功率PC顯著減少，PC∝Q2XH3。節(jié)省功率▲P=（H2-H3）×Q2，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效果十分明顯。

由流體力學(xué)可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需要的風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率隨轉(zhuǎn)速的三次方下降。當(dāng)然，轉(zhuǎn)速降低時(shí)，效率也會有一定降低，同時(shí)還應(yīng)考慮控制系統(tǒng)的附加損耗等影響。即使如此，該方法的節(jié)電效果也是非常明顯的。

該高速線材生產(chǎn)線采用變頻器驅(qū)動13臺220 kW的離心式鼓風(fēng)機(jī)的參數(shù)為：流量154 700 m3/h，全壓3 000 Pa，主軸轉(zhuǎn)速：1 450 rpm。

軋制某種類型線材時(shí)，要求使用10臺風(fēng)機(jī)。通過風(fēng)機(jī)擋板控制，風(fēng)門共7擋，工藝要求開4擋，風(fēng)量與風(fēng)門開度近似成比例。由流體力學(xué)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，即風(fēng)量與頻率成比例。變頻器控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行在30 Hz與4檔風(fēng)門的風(fēng)量基本相同。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行在50 Hz，擋板開在4擋，實(shí)際輸出功率大約為178 kW，采用變頻器控制，電機(jī)運(yùn)行在30 Hz時(shí)，實(shí)際輸出功率大約為67 kW，按照90%的效率，兩系統(tǒng)相比單臺每天節(jié)能電能約（178-67） kWx24x0.9=2 397.6 kW·h。

4 結(jié) 語

高速線材生產(chǎn)線冷卻風(fēng)機(jī)采用了變頻調(diào)速技術(shù)來控制風(fēng)量與風(fēng)機(jī)擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量相比，能取得明顯的節(jié)能效果。起動電流平滑使系統(tǒng)對電網(wǎng)和變壓器的沖擊減小，對機(jī)械設(shè)備的沖擊也相應(yīng)減小，降低了風(fēng)機(jī)事故率，提高了工作效率。同時(shí)對產(chǎn)品的外部及內(nèi)部性能有很大提高，解決了內(nèi)層高速線材高溫下生成粗大晶粒的問題，減小內(nèi)外圈高速線材的力學(xué)性能差別，降低了線材軋件的氧化量，改善了產(chǎn)品物理化學(xué)性能，提高了產(chǎn)品合格率。

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