鋁板帶軋機(jī)測(cè)厚儀冷卻裝置替換方案研究

吳 俊，李文華，陳 輝，高立軍

(洛陽萬基鋁加工有限公司，河南 洛陽 471800 )

在鋁板帶箔的生產(chǎn)中，厚度精度是產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)，軋機(jī)必須配備高精度的在線測(cè)厚儀設(shè)備，并通過與軋機(jī)控制系統(tǒng)整合實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)厚度控制(AGC)功能。使用的測(cè)厚儀一般為非接觸式在線射線測(cè)厚儀，該測(cè)厚儀利用射線穿透被測(cè)材料時(shí)強(qiáng)度變化與材料厚度相關(guān)的特性，從而測(cè)定材料的厚度，其核心部件為產(chǎn)生射線的X射線管，它連續(xù)工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時(shí)傳遞出，將造成部件壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)損壞，影響測(cè)厚儀設(shè)備正常工作。

公司板帶軋機(jī)系統(tǒng)共配備德國IMS公司測(cè)厚儀設(shè)備12臺(tái)，用來保證設(shè)備生產(chǎn)出的產(chǎn)品厚度達(dá)到工藝要求，與該測(cè)厚儀配套的是12臺(tái)威圖公司的冷卻水冷柜系統(tǒng)。該系統(tǒng)已24h不停歇連續(xù)運(yùn)行8年左右，由于器件老化、可靠性降低，如核心部件壓縮機(jī)損壞、制冷系統(tǒng)缺氟或漏氟、干燥過濾器堵塞、膨脹閥故障等情況，目前已進(jìn)入故障高發(fā)期，工人維修工作量較大。由于測(cè)厚儀與軋機(jī)設(shè)備有連鎖報(bào)警，測(cè)厚儀設(shè)備報(bào)警就會(huì)造成冷軋機(jī)設(shè)備停機(jī)，故障率較高，對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性以及生產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)控制帶來極大的困擾?？紤]修理時(shí)往往需要放掉氟利昂會(huì)造成環(huán)境污染，同時(shí)由于元件維修、備件采購費(fèi)用高、周期較長(zhǎng)等原因，決定對(duì)測(cè)厚儀水冷柜設(shè)備進(jìn)行改造。

1 幾種常用冷卻方案分析和比較

由于X射線管工作產(chǎn)生大量熱量，其溫度波動(dòng)將引起射線能量的變化，造成測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。連續(xù)長(zhǎng)期高溫也將造成部件壽命縮短，所以測(cè)厚儀裝置要求正常工作時(shí)X射線管部件工作溫度為25℃～45℃，為此該射線測(cè)厚儀系統(tǒng)必須配備良好的冷卻裝置。下面分析幾種目前常用冷卻恒溫設(shè)備的原理與優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 壓縮機(jī)制冷-冷卻水循環(huán)冷卻方式

機(jī)械壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、過濾器、膨脹閥、電磁閥、儲(chǔ)液器、制冷劑部分等，它們通過管路連接起來，其結(jié)構(gòu)緊湊，制冷效率高，COP最高可以達(dá)到3.8。但長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行會(huì)造成壓縮機(jī)壽命降低，遇到元件損壞或管路問題維修時(shí)，需要放掉制冷劑，并且需使用火焊進(jìn)行作業(yè)，會(huì)造成一定的環(huán)境污染和浪費(fèi)。

1.2 公輔循環(huán)水-冷卻水循環(huán)冷卻方式

通過系統(tǒng)冷卻水與公司公輔循環(huán)水管網(wǎng)冷卻水進(jìn)行冷熱交換方式，通過使用通水熱交換器進(jìn)行熱量交換，具有使用部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，故障率低的優(yōu)點(diǎn)。但公輔系統(tǒng)水溫的高低直接影響換熱效率，由于循環(huán)水系統(tǒng)溫度隨氣溫變化，冬季和夏季有較大差別，對(duì)傳熱影響較大。冬季時(shí)，水溫較低換熱效率高；夏季時(shí)，水溫較高導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，一般冷卻溫度最低達(dá)到25℃，可以滿足一般冷卻需求，但對(duì)于溫度要求較低的場(chǎng)合不適用。

1.3 電子半導(dǎo)體直接冷卻的方式

電子半導(dǎo)體制冷即利用當(dāng)兩種不同導(dǎo)體A和B組成的電路中通入直流電時(shí)，在一端接頭處吸收熱量，而另一端接頭處釋放出熱量的原理工作的裝置，具有尺寸小，重量輕，無機(jī)械傳動(dòng)，工作中無噪音，控制簡(jiǎn)單，無液態(tài)、氣態(tài)工作介質(zhì)，不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率。但由于制作成本高，制冷效率低，COP最高可以到0.6，對(duì)于大發(fā)熱量工況不太適用。

由于測(cè)厚儀光源射線部件設(shè)計(jì)及安裝空間限制，采用電子半導(dǎo)體直接冷卻的方式需對(duì)測(cè)厚儀拆解進(jìn)行改造，并且光源射線部件只能采用通入液體方式進(jìn)行冷卻，在目前測(cè)厚儀C型架上實(shí)現(xiàn)較困難。IMS測(cè)厚儀光源射線組件如下圖1所示。因此僅對(duì)公輔循環(huán)水-冷卻水循環(huán)冷卻方案與壓縮機(jī)制冷-冷卻水循環(huán)冷卻方案方案進(jìn)行了對(duì)比，最后經(jīng)過成本、價(jià)值、穩(wěn)定性等方面綜合考慮，選擇采用公輔循環(huán)水-冷卻水循環(huán)冷卻方案對(duì)原冷卻裝置進(jìn)行改造嘗試。

圖1 IMS測(cè)厚儀光源射線管組件

2 具體改造方案及實(shí)施要點(diǎn)

基于嘗試和節(jié)約成本的考慮，在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行管路安裝改造工作。圖2為測(cè)厚儀配套的威圖公司水冷控制柜系統(tǒng)原理圖，它采用壓縮機(jī)制冷-水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩個(gè)循環(huán)回路。循環(huán)回路Ⅰ為制冷循環(huán)，在循環(huán)中壓縮機(jī)將制冷劑從低壓提升為高壓，并使制冷劑不斷循環(huán)流動(dòng)，最終完成制冷劑在蒸發(fā)器吸收熱量，在冷凝器放出熱量的循環(huán)過程，系統(tǒng)中流過為制冷劑。循環(huán)回路Ⅱ?yàn)槔鋮s循環(huán)，水流在射線管部件吸熱升溫，在蒸發(fā)器熱交換箱中與制冷劑進(jìn)行交換熱量實(shí)現(xiàn)降溫，通過不間斷循環(huán)，達(dá)到冷卻射線管部件的目的，循環(huán)系統(tǒng)中可以使用冷卻水或冷卻油進(jìn)行冷卻。

①冷凝器； ②蒸發(fā)器熱交換箱；③ 壓縮機(jī)；④制冷劑干燥過濾器；⑤膨脹閥感溫器；⑥測(cè)厚儀射線發(fā)生器；⑦水泵；⑧溫度測(cè)點(diǎn)；⑨閥門；⑩流量計(jì)；膨脹閥；Y型過濾器；止回閥；排水閥

圖3為改造后的公輔循環(huán)水-水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)也有兩個(gè)循環(huán)回路。循環(huán)回路Ⅰ為循環(huán)水系統(tǒng)，需分別接入公司公輔系統(tǒng)循環(huán)水進(jìn)水和回水管道。循環(huán)回路Ⅱ?yàn)槔鋮s水循環(huán)，應(yīng)用時(shí)可以使用冷卻水或冷卻油進(jìn)行冷卻。溫度高的冷卻液在通水熱交換器中與溫度低的循環(huán)水進(jìn)行冷熱交換達(dá)到降溫的目的。由于公輔系統(tǒng)循環(huán)水的水質(zhì)較差，長(zhǎng)期使用容易產(chǎn)生水垢，造成冷卻裝置效率降低，嚴(yán)重時(shí)引起管路堵塞，因此該系統(tǒng)使用了兩個(gè)獨(dú)立的水流動(dòng)循環(huán)，使用較少的潔凈水或冷卻油即可滿足冷卻需要。

①⑥⑨閥門；②通水熱交換器；③Y型過濾器；④溫度測(cè)點(diǎn)；⑤水流量開關(guān)；⑥測(cè)厚儀射線發(fā)生器；⑦水泵；⑧儲(chǔ)水箱；⑩流量計(jì)；止回閥；排水閥

(1)與原壓縮機(jī)制冷-水循環(huán)冷卻系統(tǒng)(圖2)對(duì)比，相當(dāng)于將壓縮機(jī)制冷循環(huán)中配套設(shè)備全部拆除，將原系統(tǒng)中蒸發(fā)器熱交換箱替換為通水熱交換器，更換的通水熱交換器采用不銹鋼釬焊換熱器，其大小的選擇應(yīng)滿足測(cè)厚儀熱量傳遞需要，使用時(shí)可通過調(diào)整熱交換器進(jìn)水閥門開度大小，使進(jìn)入熱交換器水流量達(dá)到要求的范圍。

(2)通過在通水熱交換器出入口設(shè)置溫度檢測(cè)點(diǎn)，溫度信號(hào)接入至 PLC 進(jìn)行溫度監(jiān)控，并設(shè)置所需的報(bào)警參數(shù)值，保證水溫在要求范圍以內(nèi)。

(3)公輔循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)水管道增加Y型過濾器，對(duì)進(jìn)入換熱器公輔系統(tǒng)循環(huán)水進(jìn)行過濾，減少換熱器堵塞，并在回路中增加水流量開關(guān)，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置水流量，水流量過小時(shí)將觸發(fā)報(bào)警，起到監(jiān)控水流的目的，確保水流正常，保證了換熱效率。

(4)測(cè)厚儀冷卻水循環(huán)回路Ⅱ循環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)中設(shè)置獨(dú)立儲(chǔ)水箱，用于冷卻系統(tǒng)儲(chǔ)水、缺水補(bǔ)水或換水的需要，當(dāng)系統(tǒng)使用冷卻油進(jìn)行冷卻時(shí)，用于系統(tǒng)儲(chǔ)油，補(bǔ)油。其它部件使用原來部件，流量計(jì)、溫度測(cè)點(diǎn)不變。水泵啟?？刂撇捎镁哂袩岜Ｗo(hù)功能的水泵控制電路，用于控制水泵啟動(dòng)和停止。

(5)將冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的水泵通上電源啟動(dòng)運(yùn)行，并將外部循環(huán)水管道水路進(jìn)出口閥門開啟，設(shè)備即可投用正常運(yùn)行。改造前后實(shí)物照片如圖4所示。

圖4 改造前后實(shí)物照片

經(jīng)過夏季7、8兩個(gè)月份對(duì)測(cè)厚儀工作時(shí)的水溫記錄統(tǒng)計(jì)，測(cè)厚儀設(shè)備溫度數(shù)據(jù)正常，能夠保持在25℃～30℃，滿足系統(tǒng)對(duì)水溫的要求，測(cè)厚儀工作狀態(tài)效果良好，測(cè)量厚度數(shù)據(jù)穩(wěn)定。證明改造后的公輔系統(tǒng)循環(huán)水-水循環(huán)冷卻方案可以滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚儀使用需要，可作為軋機(jī)設(shè)備測(cè)厚儀冷卻裝置故障時(shí)替換改造方案。目前企業(yè)一般都具有公共循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻水資源充足，因此該裝置可以在工廠企業(yè)中普遍適用。由于公輔系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)中水質(zhì)較差，長(zhǎng)期使用容易產(chǎn)生大量水垢，因此對(duì)冷卻水質(zhì)要求較高的精密儀器設(shè)備，不宜使用循環(huán)水直接冷卻。該裝置通過核心元件換熱器將系統(tǒng)隔開，形成兩個(gè)循環(huán)回路，一側(cè)流過公輔循環(huán)水，一側(cè)流過水質(zhì)較好的冷卻水或冷卻油，這樣減少了水垢的產(chǎn)生，滿足了使用需要，避免了長(zhǎng)期使用水垢對(duì)系統(tǒng)換熱的不利影響。該方案應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)中的部件可以根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)空間情況集中布置，也可以分散布置，使用時(shí)只需分別接入公輔系統(tǒng)循環(huán)水管網(wǎng)和需要冷卻的裝置設(shè)備冷卻管路即可使用，安裝靈活，操作方便。

3 結(jié)束語

通過采用公輔循環(huán)水-水循環(huán)冷卻系統(tǒng)后，相對(duì)于壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)減少了多個(gè)容易故障的部件，使故障率大大降低，減少了工人維護(hù)工作，節(jié)約了維護(hù)成本，在行業(yè)中也具有較好的推廣性，同時(shí)也可用于印刷、機(jī)械、冶金等企業(yè)需要冷卻的設(shè)備中。