冷軋酸液溫度參數(shù)控制分析及改進(jìn)

供稿|李耀強(qiáng)， 劉振杰 / LI Yao-qiang， LIU Zhen-jie

邯寶冷軋廠酸洗生產(chǎn)線采用先進(jìn)的淺槽紊流技術(shù)，縮短了酸液灌注或排空的時間，可有效防止過酸洗，酸溶液在酸洗槽內(nèi)形成紊流通道加速向帶鋼氧化鐵皮內(nèi)部滲透，促進(jìn)表面氧化鐵皮的剝落，提高了酸洗效率。酸液溫度的高低決定了帶鋼的酸洗速度，酸液溫度的提高有利于提高酸洗速度，減少酸洗時間，但隨著酸液溫度的上升，蒸發(fā)量和所需熱能量也隨之增加，板帶表面的空氣流動將加速酸液的蒸發(fā)，造成酸液的浪費(fèi)和板帶表面缺陷。

酸液溫度對酸洗板帶的影響

酸液溫度與酸洗時間的關(guān)系

酸液參數(shù)主要包括酸液溫度、酸液自由酸濃度、酸液Fe離子濃度。酸液參數(shù)設(shè)定的合理與否直接決定了帶鋼的酸洗速度和板帶表面的酸洗質(zhì)量。投產(chǎn)初期，由于自動化控制不完善，酸液參數(shù)的設(shè)定主要依靠經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致設(shè)定不合理，造成板帶酸洗表面缺陷，以及相關(guān)加熱設(shè)備的非正常損壞。

圖1 酸液溫度對酸洗時間的影響

酸液溫度與酸洗時間有著緊密的關(guān)系，見圖1。由圖1可知，當(dāng)酸液中Fe離子濃度一定時，隨著酸液溫度的升高在一定范圍內(nèi)酸洗時間有著明顯的縮短，當(dāng)溫度升高到一定范圍內(nèi)對酸洗時間的影響逐漸減弱。因?yàn)橐环矫嫠嵋簻囟鹊纳哂欣谔岣咚嵯此俣龋瑴p少酸洗時間；另一方面，隨著溫度的上升，酸液的蒸發(fā)量和所需熱能量也隨之增加，板帶表面的空氣流動將加速酸液的蒸發(fā)，容易使板帶表面產(chǎn)生缺陷。三級酸洗中Fe離子濃度分別為：一級酸洗的Fe離子濃度在100～125 g/L，二級酸洗的Fe離子濃度在60～100 g/L，三級酸洗的Fe離子濃度在20～60 g/L。

圖2 酸液溫度PID控制圖

現(xiàn)場酸洗溫度設(shè)定

三級酸洗中，一級酸洗的酸液溫度最高。因?yàn)閹т撨M(jìn)入一級酸洗時表面溫度比較低，在一級酸洗中酸液和帶鋼的熱交換比較快，同時儲酸罐酸液的初始溫度較低，經(jīng)過上酸管道上的一個換熱器很難達(dá)到設(shè)定溫度，所以在酸洗槽1有一套小循環(huán)系統(tǒng)，小循環(huán)系統(tǒng)將酸液加熱到接近酸洗溫度，這樣經(jīng)過上酸管道的換熱器換熱，就可以達(dá)到設(shè)定溫度，從而就能夠有效地進(jìn)行酸洗。

生產(chǎn)初期一級酸洗的酸液的溫度設(shè)定值高達(dá)95 ℃，二級酸洗溫度由于自由酸濃度為100～125 g/L，濃度比較高所以溫度設(shè)定值在90 ℃。三級酸洗酸液基本為新酸，所以酸液溫度最低設(shè)定值為85 ℃。由圖1和酸液溫度對酸洗板帶的影響中分析可知，酸洗酸液的最佳溫度在75～85 ℃之間，酸液溫度過低不利于酸洗，酸液溫度過高蒸發(fā)量和所需熱能量也隨之增加，板帶表面的空氣流動將加速蒸發(fā)，容易使板帶表面產(chǎn)生缺陷。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場酸液溫度設(shè)定值不合理，容易導(dǎo)致板帶缺陷和酸液的浪費(fèi)。

酸液溫度的控制過程及缺陷

酸洗溫度控制原理

酸液溫度的加熱是依靠塊孔式石墨換熱器來間接加熱的，換熱器中采用的介質(zhì)是飽和蒸汽，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)蒸汽量，采用單閉環(huán)控制，通過熱電阻在線監(jiān)測，并將監(jiān)測值顯示到HMI，使用PID控制理論進(jìn)行控制。溫度設(shè)定值設(shè)定來自二級數(shù)據(jù)庫和操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動設(shè)定，溫度控制圖見圖2。酸液溫度能否滿足設(shè)定值要求主要依靠：調(diào)節(jié)閥工作是否正常，塊孔式換熱能否正常實(shí)現(xiàn)換熱功能，在線監(jiān)測的測溫表是否正常工作。石墨換熱器的主要性能指標(biāo)：使用溫度≤160 ℃，使用壓力蒸汽≤0.6 MPa，酸液介質(zhì)的壓力≤0.96 MPa。且使用過程中換熱器的初始加熱過程要緩慢，避免換熱器石墨塊由于急速加熱或者急速冷卻導(dǎo)致石墨塊破裂。

圖3 調(diào)節(jié)閥運(yùn)行曲線

三級酸洗的石墨換熱器安裝在酸循環(huán)泵的出口，酸液溫度的監(jiān)測安裝在石墨換熱器的出口，當(dāng)工作的時候，手動給設(shè)定值或者從二級數(shù)據(jù)庫給予設(shè)定值，實(shí)際測得的酸液溫度與設(shè)定值之間進(jìn)行比較，當(dāng)溫度低于設(shè)定值T時調(diào)節(jié)閥打開，對酸液進(jìn)行加熱；當(dāng)溫度高于設(shè)定值T時調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，直至溫度接近于設(shè)定值。酸液溫度的高低直接由溫度調(diào)節(jié)閥開度來控制。控制閥初始控制過程曲線見圖3。啟動階段，首先啟動酸循環(huán)泵并且保持運(yùn)行時間約120 s(泵在全速運(yùn)轉(zhuǎn))，之后控制閥開始工作，泵運(yùn)轉(zhuǎn)120 s之后在X1時間內(nèi)調(diào)節(jié)開度變?yōu)?0%。當(dāng)閥開度變?yōu)?0%之后保持120 s，閥的開度經(jīng)過X2時間后變?yōu)?00%，保持閥的開度保持100%直到酸液溫度加熱到設(shè)定值。關(guān)閉階段，首先關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，酸循環(huán)泵全速運(yùn)行3～5 min，保證換熱器處在一個合適的溫度，避免換熱器的非正常損壞。

酸洗溫度控制缺陷

圖3所示的調(diào)節(jié)閥運(yùn)行曲線充分地避免了飽和蒸汽直接對換熱器的沖擊而引起的換熱器損壞，但是對換熱器的熱脹冷縮考慮不是很詳細(xì)。冬季廠區(qū)內(nèi)環(huán)境溫度為15 ℃左右，一般的定修時間在8～16 h之間，長時間的停車導(dǎo)致酸液溫度、換熱器及管線溫度接近于15 ℃，換熱器周圍的飽和蒸汽管線為DN80的不銹鋼管件，飽和蒸汽的溫度約170 ℃，壓力為70 kPa。生產(chǎn)線起線生產(chǎn)的時候，調(diào)節(jié)閥的開度在120 s中內(nèi)保持不變是為了避免蒸汽直接對換熱的沖擊，經(jīng)過短暫的開啟時間X1之后調(diào)節(jié)閥的開度變?yōu)?0%，但此時酸液的溫度和換熱器的溫度基本一致，再經(jīng)過120 s之后調(diào)節(jié)閥的開度變?yōu)?00%，調(diào)節(jié)閥的開度在短短的幾分鐘之內(nèi)由0變?yōu)?00%。換熱器上的石墨塊單側(cè)溫度在很短的時間內(nèi)由15 ℃升高到170 ℃，而另一側(cè)溫度基本沒有太大變化，導(dǎo)致?lián)Q熱器受到嚴(yán)重的熱沖擊，引起熱脹冷縮導(dǎo)致石墨塊破裂，酸液泄露，進(jìn)而腐蝕周圍管線及閥門元件。自2010年6月投產(chǎn)到2011年3月短短的9個月內(nèi)，已經(jīng)損壞換熱器4臺，疏水閥、止回閥、過濾器、截止閥各1臺，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。換熱器損壞之后冷凝水電導(dǎo)率值高，導(dǎo)致冷凝水直接排到污水坑內(nèi)，引起漂洗段冷凝水量不足影響漂洗效果。換熱器損壞之后酸液溫度無法保證，導(dǎo)致酸洗時間較長，且影響板帶質(zhì)量，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)線的運(yùn)行速度造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

改進(jìn)措施

合理設(shè)定酸液溫度

經(jīng)過長時間對現(xiàn)場溫度的摸索，對酸液溫度和酸洗時間曲線的分析，公司決定對三級酸洗溫度采用階梯控制，一級酸洗溫度為85 ℃，二級酸洗溫度為82 ℃，三級酸洗溫度為79 ℃。

優(yōu)化調(diào)節(jié)閥曲線

為了保證酸液的充分加熱，并且避免換熱器由于熱沖擊導(dǎo)致石墨塊的破裂，修改了調(diào)節(jié)閥的開度控制曲線，見圖4。由圖可知將調(diào)節(jié)閥的開度初始保持時間由120 s降低為60 s，因?yàn)楸棉D(zhuǎn)速和主噴壓力之間的連鎖條件時間為30 s，即當(dāng)主噴壓力在30 s內(nèi)無法達(dá)到壓力泵將調(diào)停，所以60 s的時間完全可以保證介質(zhì)充滿換熱器。調(diào)節(jié)閥的初始開度變?yōu)?0%，且保持600 s，為了充分的加熱酸液且避免瞬間大量蒸汽進(jìn)入換熱器，避免了熱沖擊。第二次閥的開度變?yōu)?0%，同樣保持360 s，保證了酸液溫度基本加熱到60 ℃。最后開度變?yōu)?00%進(jìn)行充分加熱，進(jìn)入自動控制過程。當(dāng)酸液溫度高于50 ℃時，起線生產(chǎn)的時候直接采用圖3所示的曲線，保證合理的加熱過程。

圖4 修改后的調(diào)節(jié)閥運(yùn)行曲線

效果

采取多種措施對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)后，一定程度上避免了酸洗板帶中出現(xiàn)的過酸洗、欠酸洗、酸脆、氫氣疤痕、酸斑、酸霧彌漫、表面黃褐色或暗綠色、黑條紋等質(zhì)量缺陷，取得了預(yù)期效果。

冷軋薄板酸洗表面質(zhì)量得到了很好的解決。2012年3月到9月酸洗板帶表面的欠酸洗由100 t降到10 t，過酸洗由58 t降到零缺陷，酸洗氣泡由40 t降到零缺陷，板帶銹斑由80 t降到3 t，表面發(fā)黑由41 t降到2 t。2012年3月份總的板帶缺陷品319 t，2012年9月份降到12 t，取得了良好的效果。

結(jié)語

針對酸軋薄板產(chǎn)生的缺陷，采取了合理設(shè)定酸液溫度和優(yōu)化調(diào)節(jié)閥等措施，酸洗板帶的表面質(zhì)量較投產(chǎn)之初得到了很大的提高，有效地控制了欠酸洗、過酸洗，以及板帶酸洗色澤等問題，并且創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。