控制高线轧机穿水冷却降低端部过渡长度
Reduction ofMetallurgical Property Transition for In-Line Heat Treatment for Long RollingProducts
控制高线轧机穿水冷却降低端部过渡长度
针对高速线材轧机冷却箱供水系统，提出了一种新的设计方案。变频水泵和一系列隔离阀显著减少了达到设定温度所需的滞后时间，快速响应最大限度地减少了每根铸坯头端的“过渡长度”，这对于在高速轧制速度下实现小直径产品所需的冶金性能很重要。在一个原型系统上的试验结果被提出，以证明该专利设计的能力。
在1980年之前，穿水冷却箱系统的温度控制是较为粗糙的，严重依赖于操作人员在需要改变温度设定值时进行调整，他们根据轧制工艺来确定固定的冷却水压力，但不会根据工艺条件的变化来调整冷却水压力，如铸坯离开加热炉的温度、产品规格尺寸和冷却水温等。目前的系统，自20世纪80年代中期以来不断努力研究，使用工艺确定的配方系统，通过从现场高温仪获取温度信息自动给出轧件冷却工艺参数，随着时间的推移和过程条件的改变，使用流量调节阀提供微小的增量变化来适应工艺的要求。
过程要求
典型的线棒材轧机的供水系统是固定转速的离心水泵，这些泵通常非常大，以便在相对较低的压力(~2bar)下为整个轧机设备提供需要的总体水流量。加热炉通常具有自己独立的供水系统，因为任何所需压力/流量的降低和减少都可能对加热炉高温区设备冷却都是有害的。根据设备设计，在大流量泵之后通常会采用一系列较小的增压泵来增加水压，典型的压力范围从6bar到14 bar，其中6 bar的水压用于棒材轧机的穿水冷却器箱体中、粗轧机轧辊冷却以及大多数其他设备的冷却。高压水用于冷却轧机部件，如轧辊的冷却和产品淬火和回火系统。系统水的压力要大些，需要考虑管道和阀后的压力损失。
冷却段设计参数
穿水冷却段是轧机的一个工艺设备部分，高温轧件通过另外的加工设备或精整设备之前，将轧件或成品冷却到所需的冶金设定温度值。每个水冷段出口都有高温计对温度进行监控，操作人员来规定其设定的温度范围。标准的棒材轧机冷却工艺有三个冷却段，在一个典型的奥钢联棒材轧机中，在摩根无扭轧机前有一个冷却段，在摩根无扭轧机之后有一个冷却段，在摩根减径/定径机组之后有一个冷却段。每个冷却段都有一个减压阀(PRV)，以平衡水冷段区域所需的供水压力。各段冷却水压力数值由操作人员确定，以确定在阀门的操作范围内(阀门全开位置的20-80%)实现水冷段设定目标。位于减压阀后的压力传输器，向PLC发送信号，压力回路程序通知阀门调整和保持所需的压力。轧件和成品温度控制示意见图1所示。
图1 三个区域温控系统
（图解：这个高线轧机主要是三段控制冷却，从预精轧PFM开始控制轧件温度，每个轧机后面跟随穿水冷却水箱WB，预精轧后具有两个较长的水箱，经过切头后进入到无扭精轧机组，机组后面跟随水冷箱；后面进入到减定径机组轧制为成品，后面有两组水冷箱，控制冷却后进入卧式吐丝机成圈散落在斯太尔摩冷却线上。1为加热炉出炉铸坯温度检测，2进入无扭精轧机组高温仪测温，3进入到减定径机组高温仪测温，4卧式吐丝机后高温仪测温，5远程I/O控制柜，6滑阀连接箱。）
水箱设计参数
每个水冷段通常由一到四个水箱组成，水箱的数量和长度由轧机生产最大规格和轧制速度和达到规定的冶金设定值所需的淬火时间和平衡量确定。设计变量包括：轧机单位时间吨钢产量、最大轧制速度、钢种要求的设定温度、铸坯离开加热炉温度和轧机的工艺布置形式。最为恶劣工况是，单一尺寸线棒材以最快的轧制速度加工，同时需要最长的冷却时间，其它所有情况则要求的较少的冷却水冷接触时间。当冷却喷嘴内的水压小于最小值时，在高温棒材穿水冷却时水无法穿透蒸汽膜(由莱顿弗罗斯特效应产生的)来进行冷却水与高温轧件表面进行热交换，当冷却水压力过高时，棒材产品表面会过冷，并可能形成一种不受欢迎的钢的同素异形体，称为马氏体组织。
过渡长度
图2 线棒材穿水冷却的“过渡长度”(仅供说明)
（图解：“热长度”10米，线材表面温度1050℃，对应的屈服强度是大于200MPa；“过渡长度”30米后成品线材表面温度为设定温度600℃，对应屈服强度为大于400MPa）
现有的系统组件
三通转换阀
为了最大限度地缩短棒材的“过渡长度”，开发了一种高速三通分流阀，该阀配有专用的、经过改进的执行机构，将冷却水及时进入水冷箱和排出水冷箱。该阀门设计的工作时间为300ms(0.3秒)，考虑到冷却水的水量和阀门的高循环速率，这就是一个挑战，大多数这种尺寸的阀门用于反应相当慢的系统。
水冷段减压阀
为了达到每个水冷段的目标供水压力，使用一个减压阀来设定冷却水的压力，稳定的冷却水供水压力对于阀门在其操作范围内调节至关重要。当工艺条件发生变化，要求水冷段随之响应，在某些情况下与其他设备一起，减压阀PRV能够将供水压力稳定在所需的设定值上。
背压阀
为了尽可能迅速和准确地达到目标压力，背压阀(BPV)维持供水系统的压力。当三通分流阀将水从水冷箱中分流出去来保持工艺条件时，背压阀有助于减少水压损失。背压阀由直接位于调节阀后的压力变送器控制，由于背压阀没有对冷却喷嘴具有限制作用，不同流量的冷却水(对于相同的压力)返回到水槽内。
调节阀
在每个水冷箱安装一个调节阀，在工艺条件变化时保持线棒材冷却的目标温度。高温计采集的温度数据发送到可编程逻辑控制器(PLC)内的温度程序回路中，该回路将当前温度与设定值进行比较，温度的差值就对应一个新的估计流量值，新的流量设定点驱动一个水流量回路，然后改变调节阀以获得新的流量，当工艺温度达到设定值时，温度回路和流量回路进行调节，达到稳定的目标值。
流量计
当前系统的调制阀和控制开口度和流量之间关系很大程度上依赖于在线流量计的精确，典型的是电磁流量计，能够记录在恶劣的轧机工艺条件下的精确流量，该设备需要一个外部通信器来设置流量范围。
二次阀
二次阀位于一组冷却喷嘴的前面，用来控制冷却长度。根据布置的不同，二次阀可以管理一到三个冷却喷嘴。一般来说，为了保持稳定性，在轧制过程中，二级阀不应开启和关闭。由于钢种规格对应的冷却方案配方数量不足、轧机参数变化(加热炉出口铸坯温度、冷却水温度/压力波动)或配方起始值太接近冷却喷嘴极限或调节阀的工艺限制边缘，二次阀可能在正常工艺条件下参与调节，在相同的压力下，较小的冷却喷嘴孔径需要更少的冷却水流量，因此二级阀可以关闭。
压力变送器
压力变送器的高精度和抗水锤效应，这些变送器还允许在将数据发送到PLC之前抑制压力波动。当前的系统的冷却段区域调压阀和背压阀依赖于该变送器的精度，该装置需要一个外部通信器来设置压力范围。
当前系统的改进
当前系统实现了高度精确的温度控制，同时处理生产过程中遇到的很大范围的过程变量，达到了现场职工操作输入量最小化。与其他在线余热处理系统相比，它给现场操作人员最为有效的控制来实现棒材的目标温度和最小的“过渡长度”。然而，实现这些属性需要大量的高精度设备和传感器，即便有了这些高性能的设备和传感器，对“过渡长度”的控制需求仍然有限，由于操作该系统需要大量的设备，因此该系统的占地面积相当大，且具有自阻性。这在许多情况下会导致三通分流阀位置不佳。提供增压泵增加冷却水压力，以克服管道和若干控制阀中的压力损失。
新iWater?系统
系统概述
正在申请专利的iWater系统通过移动隔离阀靠近操作水箱，提高工艺控制要求的冶金“过渡长度”。冷却水进入水冷箱方式由三通进水阀改为隔离阀，直接安装在冷却水箱上，大大缩短了管道长度和增加水压所需的时间，由于组件数量的减少，不需要阀门的阀芯滑动移位，因此安装空间更小，在新建设工地和现有场合改造安装更加容易实现。
通过减少阀门与工艺用水点之间的距离，阀门的响应时间得到了改善，也提高了水压的加速度，使冷却喷嘴迅速达到稳定状态，这个时间大约为1秒，在高的精轧速度下，对应了散卷线上较多的线材盘圆圈数。
隔离阀的响应与三通分流阀的性能紧密匹配，对每个冷却喷嘴只使用一个二次阀，增加了工艺过程的控制，能够均匀预测阀门运行时冷却水压力和流量的变化。
如果水箱穿水冷却停止穿水冷却作业不需要水，工艺要求马上停止冷却水在管内流动，而不是转向流动。当下游阀门关闭或提供更大的阻力时，泵后的压力就会增加。使用固定转速的水泵，在达到关闭压力之前，压力只能增加到钢厂设定的最高上限(见图3中的例子)。一旦系统达到这个上限，水泵必须关闭或分流一些流量，以防止损坏水泵。一个自动再循环控制阀保持过程的运行。
图3 定速离心泵流量压力曲线
（图解：纵坐标水泵压力bar，横坐标为水泵输出流量，水比重为1，钢厂设定关闭压力为4.1bar，在3bar压力下对应的流量为23.5m3/min。）
使用变频电机驱动水泵，在系统失灵的情况下，该过程可以持续短时间运行，以保护水泵免受电气和机械过载。利用变频器控制水泵运行减少节能，只提供所需的冷却水压力，而不向使用固定转速的水泵继续增加水压来达到设计规定的最恶劣状态下需要的的水压和流量。变频电机驱动水泵为轧机提供了更高的能源效率，减少了需要过滤和冷却循环水的消耗，变频器驱动水泵还提供了最佳的水压稳定性，与减压阀相比，在工艺参数变化的情况下，变频电机器驱动水泵可以更好地控制冷却水压力，如图4和图5所示，这些数字显示由于阀门位置变化(蓝线)而导致的水的压力变化(红线)。在调制阀试验的情况下，系统噪声大于压力值的变化。
图4 调节阀精度试验
图5 变频电机驱动水泵精度测试
典型的每一流线棒材轧机系统只需一个变频电机传动控制的水泵，单独配置的水泵供水可以使单线轧机系统独立运行，不受其它加工条件的影响。为了保持生产能力，建议安装备用泵。使用变频电机传动的水泵更换三通分流阀，就不需要背压阀(BPV)及其控制回路，这样就降低了系统的复杂性，无需额外的控制就能提供所需的设定压力值，变频传动的水泵设计也可以用于单个区域甚至单个水箱上。
将整个区域作为一个水箱考虑，只需要一个压力设定值。每个水箱不再需要调节阀及其相应的流量变送器和流量回路。整个工艺水冷方案和控制系统只需要冷却区域的压力设定值和轧制线上的压力设定值的信息。
随着轧制条件和参数的变化，区域减压阀可以根据冷却区域轧件入口温度和终轧温度来调节压力，冷却区域入口温度这个参数可以帮助预测区域出口的轧件温度，而冷却区域出口高温计检测到的温度参数进入程序来微调冷却强度，最终达到所需的成品温度。由于该工艺需要将冷却水压力保持在一定范围内，所以每个冷却区域都需要一个压力变送器。如果水压低于该区域所需的最低水压，隔离阀将关闭，以巩固该区域轧件的终点冷却效果。
新的iWater系统组件
区域减压阀
区域减压阀设置每个区域的冷却水压，使冷却区域根据工艺条件有不同的设定值，因此，保持每个冷却区域的供水压力至关重要，以便为每个区域冷却段按照工艺要求设定正确的冷却水压力。
压力变送器
新一代变送器响应时间比以前的型号需要的时间更短，不再需要外部通信器来设置设备。基于压力基准的温度调制控制将系统的成本降低到最低水平上。
隔离阀
为了找到最适合应用的阀门，在现场对几种类型的阀门进行了测试。图6显示了现有三通转向阀与两个备选阀的响应速率对比。总共评估了6个阀门。对数据点进行平均，以显示相对响应速度，因为实际数据显示在达到稳态压力之前出现过冲和恢复。响应时间的一个关键区别是阀的位置，在这个测试中，阀门B和C位于工艺使用点附近，而阀门A是一个三通分流阀，位于使用点在8米开外，当阀门更接近使用点时，响应性能就能得到改善。
图6 阀门激活响应时间的比较
阀门A三通分流阀(目前的解决方案)
阀门A制造商声称该阀需要0.300秒的动作时间，通过测试，发现该阀在0.300秒内执行动作，然而，达到稳态冷却水压力的响应速度明显比最初预期的要长。管道长度和标高引起的阻力显著地延迟了响应速度，在测试设置中，需要1.3秒才能达到设计压力
阀门B
阀门B制造商声称他们的阀只有0.014秒的响应时间，虽然一些试验证明了这一点是正确的，但只有当压缩空气空气高于该阀的工作压力时，阀门才能打开运行。因此，对于典型的轧机冷却水操作条件，标准的轧钢车间的压缩空气压力供应是足够的。然而，随着条件的变化，需要更高的冷却水压力时，轧钢车间压缩空气压力不足以连贯地关闭阀门。经过半年(~25万次)循环测试后，响应率降低了，需要更换密封件。图7显示了引入阀后下游阻力对阀门压力的影响，最初，阀后管路连接一个全开的截止阀，当阀门打开时，阀门进口压力下降~3.5 bar，当阀门关闭时，进口压力增加，出口压力不会完全下降到0bar。在标准压缩空气压力状态下，是没有足够的空气压力来关闭阀门。
图7 阀门B的响应特性
阀门C (iWater解决方案)
这是一种用于造纸厂处理浓浆的工业阀门，它有一个活塞，在关闭时产生很好的密封。这种阀门可以处于故障开启或故障关闭的默认位置，并且需要外部安装执行机构。该阀具有响应速度快、流量大的特点。执行器由24伏直流电源和标准仪表压缩空气供应操作，这是典型的轧钢车间对压缩空气的要求。阀门数据表声称该阀的相应时间为0.290秒，在整个测试中，即使在50万次循环后(对应轧钢车间一年的生产时间)指标还是如此，据信，这种阀门能够运行100万次而无需维护。轧钢车间标准设计压缩空气压力足以使阀门调节到设计的进水压力。即使在较高的冷却水压力下，阀门仍能按照设计要求正常工作。在图8中，阀后下游管路连接到冷却喷嘴，阀门开启时，阀后压力达到设计压力后，阀前进口压力下降了~1.5 bar；当阀门关闭时，阀前压力增加，阀后压力下降到0bar，在标准的车间压缩空气压力下，先导阀能够正常工作，阀门能够完全关闭。
图8 带先导阀的阀门C冷却水压力和冷却喷嘴下游阻力的关系
变频单机驱动水泵
对于定速水泵，当下游控制阀开始关闭以降低产品冷却时，随着总需水量的减少，冷却水水压开始增加。在图9中，随着需要的水量减少，从操作点1 (Op. 1)开始的压力增加到操作点(Op. 2)。电机功率保持相对恒定，流量减少。
图9 定速水泵流量和扬程关系曲线1
相比之下，变频电机驱动水泵在需要流量变化时控制扭矩，同时保持稳定的供水压力，这里讨论的水泵选择只考虑了可变扬程，当静压头速度降低到流量为零的点时，系统压力等于静压头压力，静压头压力随管道和标高的不同而变化。
选择的变频电机驱动水泵允许在不增加压力的情况下，在短时间内(<30秒)实现堵水。当系统必须停止供水30秒以上时，水泵可以关闭。图10中的水泵曲线显示了从1点到2点，流量随速度的变化而减小。由于亲和定律，电机转速与电机功率的立方根成正比。因此，功率消耗随着流量需求的减少而降低。
图10 无级调速驱动水泵特性曲线
图11 线棒材轧机冷却系统典型水泵特性曲线
通过在泵后下游安装压力变送器，并将信息传递回驱动装置，即使在流量下降时也能保持恒定的压力。
对冷却喷嘴的流量特性进行了广泛的测试，确定了不同孔径下压力与流量的关系，利用这些数据，水泵系统可以绘制出满足工艺设定值所需的速度或扭矩曲线。
为了优化水泵的选择，采用了最佳效率点(BEP)。BEP是水泵特性曲线上效率最高的一点。此时叶轮所受径向力最小，运行平稳，振动和噪声低。当流动条件发生变化时，该泵的效率就会降低。双蜗壳泵与VFD的选择，以增加工艺能力，随着流量要求的变化。见图12。
图12 相对于径向力的最佳效率点
结论
一种新型的正在申请专利的水箱供应和控制阀配置已经被开发出来，以提高水压的加速，达到稳定状态的条件，并将达到最终产品所需的冶金性能所需的“过渡长度”最小化。通过用几个小的隔离阀替换相对较大的三通分流阀，并尽可能靠近使用点，实现所需设定轧件温度的滞后时间显著降低。此外，使用变频驱动水泵消除了短时堵水问题，并以更高的精度保持压力设定值。在一个钢厂线材轧机上进行了广泛的测试，确定了高速线材轧机冷却水箱系统所需的阀门和泵参数。
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