冷軋機組乳化液流量控制系統(tǒng)的改進

供稿|唐水清，陸兆剛，張棟梁

作者單位：廣西鋼鐵集團有限公司，廣西 防城港 538000

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乳化液系統(tǒng)是保證冷軋帶鋼表面質(zhì)量的重要設(shè)備。本文從乳化液系統(tǒng)運行過程中分析查找出現(xiàn)有的乳化液流量控制存在的問題，針對問題從熱平衡的角度推理出乳化液流量和軋機運行速度呈正比的關(guān)系，并設(shè)計開發(fā)了乳化液動態(tài)流量系統(tǒng)。改進后的乳化液流量控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于柳鋼1550 mm冷連軋機組，應(yīng)用效果顯著，這一系統(tǒng)對同類型機組也有較大的借鑒意義。

冷軋帶鋼是在常溫下生產(chǎn)的，變形量平均在70%左右，軋制速度在700 m/min以上。高變形量與高變形速率造成大量軋制熱的產(chǎn)生，且冷軋工作輥回火溫度在150～200 ℃之間。乳化液一方面要帶走這些軋制熱量，另一方面要避免帶鋼表面出現(xiàn)缺陷和軋輥產(chǎn)生回火。因此，乳化液噴射流量的精確至關(guān)重要。在柳鋼乳化液系統(tǒng)改造過程中，攻關(guān)組在這方面做足了功課，對乳化液的流量控制做了細致分析，實現(xiàn)了乳化液流量的動態(tài)調(diào)整。

乳化液流量系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

乳化液流量控制是乳化液控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。目前，較普遍的乳化液流量控制方式有兩種：一是泵轉(zhuǎn)速恒定，依靠調(diào)節(jié)旁通壓力調(diào)節(jié)閥開口度控制乳化液回流量，從而控制乳化液流量；二是恒壓力控制，通過主泵變頻電動機轉(zhuǎn)速可以控制乳化液輸出量，從而實現(xiàn)乳化液流量控制。

泵轉(zhuǎn)速恒定的旁通控制系統(tǒng)[1]，通過旁通管路上的壓力調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)壓力。當(dāng)供乳管路上的壓力超過或低于設(shè)定壓力時，PID控制器進行閉環(huán)控制，控制該比例壓力調(diào)節(jié)閥的閥芯打開或關(guān)閉，直到壓力逐漸和設(shè)置值相同。系統(tǒng)通過精確控制主閥芯的位置來控制流量，原理如圖1所示。

圖1 泵轉(zhuǎn)速恒定的流量旁通調(diào)節(jié)控制圖

恒壓力控制的變頻調(diào)壓系統(tǒng)，主泵變頻傳動使用無穩(wěn)態(tài)誤差的異步電機，當(dāng)管路壓力波動時，離心泵的輸出流量通過PID控制器調(diào)節(jié)供乳主泵的變頻電機的轉(zhuǎn)速來控制，最終保證系統(tǒng)壓力不變，原理如圖2所示。

圖2 恒壓力控制的流量變頻調(diào)節(jié)控制圖

基于以上控制原理，一般乳化液系統(tǒng)有恒壓變流、變流變壓和恒流變壓三種供乳泵工作類型。柳鋼冷軋廠的乳化液供乳系統(tǒng)原設(shè)計為恒壓變流系統(tǒng)，其主管路中無旁通調(diào)壓管路，主要依靠主管路中安裝的調(diào)節(jié)閥和變頻電機對流量和壓力進行控制，在實際生產(chǎn)運行中，存在以下問題：

(1) 調(diào)節(jié)閥維護困難，自投產(chǎn)以來，主管路上的調(diào)節(jié)閥一直被當(dāng)作開關(guān)閥使用，供乳系統(tǒng)一直以最大的流量供軋制使用。

(2) 5#機架存在乳化液流量過大現(xiàn)象，造成吹掃系統(tǒng)負荷大和吹掃用氣量較大，且一旦吹掃效果不好，退火后就會產(chǎn)生乳化液斑跡，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

(3) 乳化液過供，在軋機慢速和停機時候，乳化液大量外溢到排污溝，造成大量浪費，而且?guī)т擃^尾段處于慢速軋制階段，易產(chǎn)生乳化液斑缺陷，這些帶鋼要在后道工序被切除作為尾卷處理，降低了機組成材率。

(4) 高速軋制時，測厚儀受帶鋼上的乳化液干擾較大，影響測量的精準(zhǔn)性，對產(chǎn)品厚度的測量造成偏差。

為解決以上問題，必須對供乳系統(tǒng)工作類型進行改造完善，在查閱相關(guān)文獻資料和借鑒同行成功經(jīng)驗的前提下，決定將乳化液供乳系統(tǒng)由原設(shè)計的恒壓變流系統(tǒng)改造為變壓變流系統(tǒng)。

變流量控制系統(tǒng)設(shè)計的理論計算

變壓變流量控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)是熱平衡原理，通過理論計算分析出軋制過程中發(fā)熱量與所需乳化液流量間的關(guān)系[2]。乳化液一般用于潤滑軋輥、軋件表面和冷卻軋制過程中所消耗功率變成的熱能，但是通常后者才是乳化液耗損的主要因素。因此，本次變流量控制系統(tǒng)設(shè)計的理論計算只考慮消耗功率所產(chǎn)生的熱能。

軋制生產(chǎn)過程中，帶鋼塑性變形會產(chǎn)生大量熱量，軋輥軸承與軋機傳動系統(tǒng)以及工作輥與帶鋼間的摩擦也會產(chǎn)生大量熱量。這些熱量消耗的功率包括張力消耗的功率、摩擦消耗的功率和軋制力消耗的功率。產(chǎn)生的熱量被乳化液冷卻吸收的熱量約有60%～70%，其余的一部分被帶鋼帶走，一部分散失在周圍的空氣中。因此，系統(tǒng)所需的乳化液流量可以通過式(1)計算[3]：

式中，f為乳化液的流量，L/min；Δt為乳化液的溫升，根據(jù)經(jīng)驗一般取4～5 ℃；Cs為鋼的比熱容，J/(kg·℃)；rs為鋼的容重，kg/m3；Q為消耗功率所產(chǎn)生的熱量，kJ/min；N為軋制過程中消耗的功率，kW。

生產(chǎn)過程中耗損的功率主要有張力消耗、摩擦消耗以及軋制力消耗：

式中，Nr為主電機消耗的功率，kW；NT為張力消耗功率，kW。

式中，Tb、Tf為帶鋼的后張力、前張力，kN；V為帶鋼的出口速度，m/s。

主電機功率主要被各種摩擦和軋制力消耗，其主要由電機的力矩和轉(zhuǎn)速決定，而電機的力矩主要由軋制力矩、動力矩和摩擦力矩等因素決定，因此，主電機的力矩計算公式為：

式中，Mr為主電機力矩，kN·m；Mp為軋機力矩，kN·m，軋機力乘以力臂進行計算；Mu為摩擦力矩，kN·m；Md為動力力矩，kN·m；Mx為空轉(zhuǎn)力矩，kN·m；i為主傳動比。

摩擦力矩主要有兩種：帶鋼和軋輥之間的摩擦力矩，各轉(zhuǎn)動部件之間的摩擦力矩。第一種摩擦力矩由前滑區(qū)摩擦力矩、后滑區(qū)摩擦力矩和中性面附近的粘著區(qū)摩擦力矩組成。第二種摩擦力矩也要考慮。

因此，主電機功率的簡化計算式：

式中，n為主電機的轉(zhuǎn)速，r/min。

因此，將式(2)～式(5)代入式(1)中，可以推算出電機轉(zhuǎn)速和乳化液流量之間的匹配關(guān)系：

由前述推斷可知，對于鋼種、規(guī)格已定的某一卷帶鋼來說，主電機的轉(zhuǎn)速、軋制產(chǎn)生的熱量、所需乳化液流量這三者之間呈正比關(guān)系。

乳化液動態(tài)流量系統(tǒng)的開發(fā)和運用

從上述推理可知，解決軋機乳化液系統(tǒng)目前存在的與流量有關(guān)的問題，只要將軋機的運行速度與乳化液的流量關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，即可達到節(jié)能減排的目的。

帶鋼的運行速度與乳化液的所需流量呈正比線性關(guān)系，當(dāng)帶鋼速度越快時，乳化液的需求量也就越大。考慮到之后維護的難易程度，管路中的調(diào)節(jié)閥仍然作為開關(guān)閥使用，采用變頻電機來實現(xiàn)流量的動態(tài)控制。該動態(tài)流量系統(tǒng)的開發(fā)做以下幾個方面的考慮和設(shè)計：

(1) 將軋機速度分為4個區(qū)間，不同的區(qū)間由程序計算給出對應(yīng)的乳化液流量。為方便調(diào)整，每個區(qū)間各機架的流量操作人員還有一個調(diào)整系數(shù)可以操作。

(2) 系統(tǒng)在電機最大轉(zhuǎn)速時流量可以達到7000 L/min，綜合考慮設(shè)備的長期穩(wěn)定使用及軋制現(xiàn)場的使用情況，乳化液實際流量按最大6000 L/min控制，在6000 L/min基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)定系數(shù)隨速度進行變化。

(3) 2#機架低速區(qū)間為避免乳化液回流影響測厚精度，要設(shè)置比1#、3#、4#機架更低的流量。

(4) 5#機架低速區(qū)間為避免乳化液過多而影響表面質(zhì)量，要設(shè)置比1#、3#、4#機架更低的流量。

(5) 程序界面注意整合原乳化液流量設(shè)定界面，避免界面復(fù)雜，同時注明操作人員的調(diào)整系數(shù)。

(6) 設(shè)置提醒：選擇穿帶按鈕后為避免操作人員忘記取消按鈕，在軋制畫面顯示當(dāng)前所用的流量設(shè)定狀態(tài)，即軋制流量或穿帶流量。

1#、3#、4#機架動態(tài)流量系統(tǒng)的具體設(shè)計思路如表1所示。2#、5#機架動態(tài)流量系統(tǒng)的具體設(shè)計思路如表2所示。

表1 1#、3#、4#機架動態(tài)流量系統(tǒng)的設(shè)計思路

表2 2#、5#機架動態(tài)流量系統(tǒng)的設(shè)計思路

結(jié)束語

乳化液動態(tài)流量系統(tǒng)實現(xiàn)了乳化液流量隨速度進行動態(tài)調(diào)整，較好地解決了原系統(tǒng)存在的乳化液溢出和測厚儀測量不準(zhǔn)的問題，減輕了操作人員的乳化液系統(tǒng)維護量，工序消耗明顯降低，成材率和產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的提升，為冷軋生產(chǎn)經(jīng)營帶來了良好的經(jīng)濟效益。