高壓水除鱗電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化措施

連瑞鋼

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原030002）

引言

隨著我國鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，中厚板市場競爭日趨激烈，客戶對鋼材表面質(zhì)量的要求也越來越高。由于鋼坯在加熱過程中會生成氧化鐵皮，在軋制過程中又容易出現(xiàn)二次氧化的現(xiàn)象，氧化鐵皮如果不能夠被及時清除，鋼材表面的氧化鐵皮就會在軋制過程中軋入鋼板中，不僅減小了鋼板表面質(zhì)量，還會導(dǎo)致軋輥加速磨損。高壓水除鱗技術(shù)的應(yīng)用影響著熱軋帶鋼、熱軋中厚板的質(zhì)量，是熱軋板帶生產(chǎn)企業(yè)工藝技術(shù)的核心。

1 氧化鐵皮的形成

鋼坯在高溫狀態(tài)下極易被氧化，從而在其表面形成一層致密的氧化鐵皮。在軋制前如果不能及時將這層氧化鐵皮去除，它們將會在軋制過程中被軋入到帶鋼或中厚板表面，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。在熱軋廠內(nèi)氧化鐵皮有兩種：一次鐵鱗（爐生氧化鐵皮）和二次鐵鱗（再生氧化鐵皮）。

2 除鱗電氣控制系統(tǒng)的工作原理

除鱗原理是將高壓水泵產(chǎn)生的高壓水通過除鱗噴嘴控制形成一個具有很大沖擊力的扇形水柱，噴射到鋼坯的表面。在高壓扇形水射流束的作用下，將氧化鐵皮局部急劇冷卻，從而產(chǎn)生很大收縮，使氧化鐵皮表面出現(xiàn)龜裂。再經(jīng)過高壓水流的沖擊，在裂紋中流體的靜壓力打入氧化鐵皮底部[1]，氧化鐵皮過切割和急冷收縮，進(jìn)而從鋼坯表面剝落，見圖1。

圖1 除鱗原理

3 某熱軋廠除鱗電氣控制系統(tǒng)概況

某熱軋廠高壓水除鱗系統(tǒng)由兩臺2 800 kW恒速運(yùn)行的交流異步電動機(jī)驅(qū)動多級自平衡離心式除鱗泵、蓄能器向除鱗箱供水。系統(tǒng)不需要除鱗泵供水時，通過液力偶合器調(diào)節(jié)除鱗泵的轉(zhuǎn)速，可降低除鱗泵的耗電量，同時也可以節(jié)約除鱗用水。熱軋廠高壓水除鱗電氣控制系統(tǒng)，通過磁浮子液位變送器（由480只干簧管與相應(yīng)的電阻器構(gòu)成4～20 mA模擬量采集器取得水位信號）來控制整個系統(tǒng)。任何一只干簧管的損壞都將造成水位信號錯誤，導(dǎo)致主軋線停車并產(chǎn)生廢鋼。為減少故障，每周定檢都需對模擬量采集器進(jìn)行干簧管的維護(hù)更換，但效果仍然不佳，投入運(yùn)行兩年來，年均故障時間18.5 h。電氣控制系統(tǒng)的核心部件磁浮子液位變送器故障率高，急需改進(jìn)。

除鱗系統(tǒng)由高壓管路、控制閥、除鱗箱、自清洗過濾器、空氣壓縮機(jī)、兩套高壓水泵組、高壓儲水罐、高壓儲氣罐、自清洗過濾器、各種高壓水閥門、電氣控制系統(tǒng)等部分組成，高壓水泵站的系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 高壓水泵站的系統(tǒng)原理

3.1 高壓儲能罐

高壓儲能罐包括高壓水罐及高壓氣罐。圖2所示的系統(tǒng)中采用了一只氣罐、一只水罐。高壓儲蓄罐的主要功能有三點(diǎn)：吸收噴射閥關(guān)閉時所產(chǎn)生的水錘力；調(diào)節(jié)高壓水的供水量；平衡高壓水除鱗系統(tǒng)的壓力[2]。

3.2 電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心是西門子SIMATIC S7-300 CPU317-2DP PLC，向上通過MPI連接1臺用于集中監(jiān)控的WinCC操作站，向下通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接1臺MP277操作員面板及5個ET200M站[3]。

操作站與S7-300之間通過DP光纖通訊網(wǎng)絡(luò)連接，保證了大批量數(shù)據(jù)的高速傳輸。遠(yuǎn)程I/O以及傳動設(shè)備通過ProfiBus現(xiàn)場總線接至PLC，實(shí)現(xiàn)控制過程對時間有苛刻要求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。這樣大大減少了現(xiàn)場電纜量和施工量，為現(xiàn)場施工和調(diào)試節(jié)約了大量時間，同時也減少了硬件故障的概率，降低了維護(hù)成本。

3.3 除鱗電氣控制系統(tǒng)

1）高壓電氣設(shè)備：高壓開關(guān)柜、微機(jī)綜保、2 800 kW異步電動機(jī)（電機(jī)型號為YKS2800-2/1180/2990rpm，1用1備）、星點(diǎn)柜和熱變電阻軟啟動柜。

2）低壓電氣設(shè)備：受電柜（PWS）、低壓控制柜（PWR）、PLC邏輯控制柜（PLC）、工控機(jī)和操作臺。

3）儀器儀表：電機(jī)、偶合器、泵、油箱溫度傳感器，泵進(jìn)出口、油路、蓄能器壓力變送器，液力偶合器、最小流量閥、最低液面閥接近開關(guān)，偶合器測速開關(guān)，高壓泵振動開關(guān)，除鱗箱位移變送器。

4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：泵進(jìn)出口、蓄能器出口電動閥，最小流量閥、最低液面閥電磁閥，預(yù)充水、噴射電磁閥，除鱗箱升降電磁閥。

系統(tǒng)的自控系統(tǒng)主要包括除鱗箱的自動控制和高壓泵站的自動控制。除鱗箱的控制是根據(jù)操作臺的指令，控制預(yù)充水閥、噴射電磁閥、除鱗箱升降電磁閥。高壓泵站的自動控制主要是由干簧管水位變送器來執(zhí)行。干簧管水位變送器與高壓水罐連接，除了顯示水罐中液位高低的變化外，更重要的是指揮高壓水泵的液力偶合器勺管的工作，從而達(dá)到控制自平衡多級除鱗泵轉(zhuǎn)速的目的，以及高水位、低水位的報警，高高水位、低低水位及故障狀態(tài)時出口閥門的關(guān)閉和高壓泵電機(jī)電源的切斷等；保證高壓泵站的可靠安全運(yùn)行。除鱗泵站由軋線除鱗點(diǎn)共三個，在加熱爐后二輥前中間輥道處設(shè)置兩個除鱗箱，兩組集管，一用一備，萬能軋機(jī)分為軋機(jī)前除鱗箱，見圖3。

圖3 鋼坯在二輥除鱗箱內(nèi)

4 高壓水除鱗系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題

該高壓水除鱗電氣控制系統(tǒng)，通過磁浮子液位變送器（由480只干簧管與相應(yīng)的電阻器構(gòu)成4～20 mA模擬量采集器）取得水位信號，來控制整個系統(tǒng)。由圖4的原理可知：任何一只干簧管的損壞（如管壁破裂后，接點(diǎn)粘住，或者接點(diǎn)磁化后打不開）都將造成水位信號錯誤，導(dǎo)致主軋線停車并產(chǎn)生廢鋼。為減少故障每周定檢都需對模擬量采集器進(jìn)行干簧管的維護(hù)更換，見圖5，但效果仍然不佳，投入運(yùn)行兩年來，年均故障時間18.5 h。

圖4 干簧管液位變送器電流信號采集原理圖

圖5 干簧管液位變送器結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用高壓水罐、高壓氣罐各一支，同時由于原程序設(shè)計(jì)工作水位區(qū)間介于2.2～3.3 m，工作水位區(qū)間?。贿\(yùn)行壓力介于20～23.5 MPa，運(yùn)行壓力大；造成液力耦合器升降速頻繁。升速時，電動機(jī)電流均值185 A；降速后，電動機(jī)電流均值65 A。如同電動機(jī)頻繁啟停，導(dǎo)致除鱗泵電能消耗大。

在檢查控制程序時發(fā)現(xiàn)：壓力信號僅用于控制空壓機(jī)的補(bǔ)氣及低壓力情況下的報警，整個控制系統(tǒng)對系統(tǒng)漏氣的情況沒有采取檢測和預(yù)警措施，存在很大風(fēng)險；如果液位信號在工作水位區(qū)間內(nèi)卡住，將可能導(dǎo)致空氣進(jìn)入高壓管路引發(fā)嚴(yán)重故障。

為了滿足生產(chǎn)工藝要求、降低高壓水除鱗系統(tǒng)故障率、降低能耗、消除重大事故隱患，急需對液位信號采集變送器進(jìn)行改造、對系統(tǒng)控制程序進(jìn)行完善。

5 該熱軋廠除鱗電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化措施

1）通過采用6個帶記憶的干簧繼電器將水位信號以數(shù)字量的形式輸入PLC。理論依據(jù)：高壓水除鱗系統(tǒng)具有蓄能器（又稱緩沖器），可以有效吸收壓力脈動，防止水錘對設(shè)備的損害；電動機(jī)恒速運(yùn)行，離心泵的調(diào)速依靠液力偶合器，液位信號以區(qū)間的形式參與控制，見下頁圖6。

圖6 帶記憶干簧繼電器

2）將整個水位分為7個區(qū)間，擴(kuò)大工作水位區(qū)間，擴(kuò)大運(yùn)行壓力范圍，降低運(yùn)行壓力。理論依據(jù)：依據(jù)試運(yùn)行18～22.5 MPa的壓力完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求；高水位有3.8 m和4.2 m，低水位有1.0 m和1.3 m各兩組控制信號做保證，同時數(shù)字量可靠性高于模擬量?？梢约皶r關(guān)閉噴射閥、出口閥，有效防止空氣進(jìn)入高壓管路，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

3）將高壓水的壓力信號編入控制程序參與系統(tǒng)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性。理論依據(jù)：在水位信號無變化而且離心式水泵低速運(yùn)行時，如果系統(tǒng)壓力出現(xiàn)大于0.1 MPa的變化，則可以說明：水位信號采集出現(xiàn)故障，系統(tǒng)出現(xiàn)空氣泄漏事故。此時采取措施：程序自動切換水位信號至備用側(cè)，并作出初步判斷，如果是在用水位信號采集出現(xiàn)故障，則發(fā)出報警提示；如果不是在用水位信號采集出現(xiàn)故障，則立即關(guān)閉噴射閥、出口閥，杜絕空氣進(jìn)入高壓管路的嚴(yán)重故障，同時發(fā)出報警提示。

4）保留原有的模擬量液位信號選擇性參與控制，實(shí)現(xiàn)L水位信號采集的一用一備，提高了系統(tǒng)可靠性。液位信號的切換：系統(tǒng)故障狀態(tài)下，程序自動切換；通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊WinCC HMI畫面中的按鈕手動切換，見圖7。

圖7 液位信號的切換

6 實(shí)施效果

改進(jìn)完成后，經(jīng)過兩年多的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。優(yōu)化后的系統(tǒng)杜絕了因高壓水除鱗電氣控制系統(tǒng)所造成的故障廢鋼和故障時間。改進(jìn)實(shí)施前，除搶修外，每周定檢都需要對磁浮子液位變送器進(jìn)行維護(hù)。實(shí)施后，設(shè)備運(yùn)行可靠，定檢周期延長至每季一次。優(yōu)化后的系統(tǒng)帶來了較好的運(yùn)行效果和一定的經(jīng)濟(jì)效益，對擁有同類高壓水除鱗裝置的企業(yè)有一定的借鑒價值。