層流冷卻裝置冷卻能力的確定

張芳芳，李丙亮

（山東工業職業學院，山東 淄博256414）

1 前言

近年來，控軋控冷技術廣泛用于開發不同組織結構的高強鋼［1］，且不同的冷卻速度對于所獲得的組織性能也有不同影響。試驗軋機對鋼廠開發新品種起到至關重要的作用，試驗軋機的控制冷卻系統采用的冷卻方式為集管層流冷卻，開發的主要產品是船板、工程機構鋼、鍋爐板、容器板等。本研究以某試驗軋機的控制冷卻設備為研究對象，以其層流冷卻系統為研究背景，介紹流量標定的原理和方法，并根據現場測量數據，分析調節閥開口度與流量曲線特性，綜合分析該設備的冷卻能力。

2 流量標定

板帶冷卻過程中，在鋼種、板厚以及軋制規程都相同的情況下，冷卻速率的不同可引起組織性能的較大差別，其實質是通過對相變產物和夾雜物存在形式及分布特征的影響來起作用。而冷卻速度受到很多因素的影響，如：冷卻水流量、開冷溫度、終冷溫度、環境溫度、輥道速度、鋼板厚度、冷卻水壓力等等，而冷卻水流量控制是控制鋼板終冷溫度精度的重要手段，也便于調節。

2.1 開口度-流量曲線繪制

水流量穩定是控制終冷溫度精度的重要因素，因此流量計數值的準確對于控制冷卻起到了至關重要的作用，在調節閥門開口度之前，先要標定電磁流量計。

首先，設定電磁調節閥的初始開口度。為了保證流量的精度，采用開口度偏移量為5%。流量標定從0開始，并按公式：

開口度值=初始開口度＋偏移量×系數，標定不同開口度對應的流量值。其中系數是一個累加器，每次標定完成后自動加1。根據經驗，調節閥的可調節范圍在20%～90%之間，因為調節閥開口度＜20%時水流不穩定，而在調節閥開口度＞90%時，流量接近最大值100 m3/h。

其次，關閉氣動隔膜閥使電磁調節閥開口度設定值置為0。按規定偏移量增加電磁調節閥的開口度，當調節閥靜止后打開氣動隔膜閥噴水，若電磁流量計讀數1 s內在一個允許范圍內波動，則認為此時流量穩定，記錄調節閥開口度設定值和電磁流量計的讀數。具體標定步驟如圖1所示［2］。

圖1 電磁流量計標定步驟

流量控制主要是控制閥的開口度，由于管路結構和閥體本身的結構特征，相同的開口度流量并不一定相同。因此為了保證流量的準確性，對每一組集管必須單獨標定［2］。逐漸加大調節閥開口度，開口度每增加5%采集一個樣本，根據采集的數據繪制“開口度—流量曲線”，如圖2所示，中間值采用線性插值計算。

以層流冷卻系統為背景，編制PLC程序實現流量數據的自動采集并自動建立開口度—流量曲線，可顯著提高流量的控制精度。從圖2中可以看出，調節閥流量與開口度的關系為單調遞增，據此關系可以直接采用線性插值或者曲線擬合的方法來計算出開口度設定值［3］。由于調節閥工作狀態的改變會導致工作流量特性曲線隨時改變，因此，根據開口度—流量曲線便可以實現前饋控制。為了進一步提高控制精度，在前饋控制的基礎上可增加反饋控制。

圖2 開口度—流量曲線

2.2 提高閥門開口度穩定性的方法

流量調節閥包括手動調節閥和氣動截止閥兩種。手動調節閥用于設備檢修和流量調整，氣動截止閥用于上下集管冷卻水的關閉，而上下集管的控制均是通過計算機自動控制完成，同時也可以人工手動干預開閉。

為了提高控冷溫度的精度，必須保證流量穩定，因此提高閥門開口度的穩定性是關鍵之一。

1）增加反饋控制。反饋控制抗外部干擾的能力強，能實現控制穩定。增加反饋系統控制，可提高閥門開口度的精度。

2）保證水箱的水位穩定。在控冷過程中，隨冷卻水的使用，若水箱內水的補足速度趕不上消耗速度，則會使水位降低，水的噴射壓力下降，最終導致開口度相同情況下的水流量不同。因此，必須保證水箱的水位穩定。

3）氣源穩定。層流冷卻系統中使用的調節閥是氣動閥，即在高壓空氣的推動下將閥門打開，若氣源壓力不穩定或降低，也會使閥門打開的動力降低，故氣源壓力的穩定對于閥門開口度的大小起著至關重要的作用。

4）集管單向打開。由于電磁調節閥具有磁滯性，在流量調節過程中調節閥的開口度從小變大和從大變小時的開口度-流量曲線并不重合，這將對流量調節產生很大的影響。為了消除磁滯特性對開口度的影響，可采用單調調節策略，即當流量減小需要閥門開度下調時，先把開口度減小到10%后再增加到目標值，以保證流量調節閥始終由小到大單向調節，這樣也能夠保證每一組閥門都有足夠的氣源推動閥門打開，保證閥門開口度的穩定。

5）將氣動調節閥改為電動調節閥。氣動調節閥雖然具有響應速度快、投資成本低等優點，但定位精度低，不利于流量前饋控制。電動調節閥定位精度高，可重復性好，雖具有磁滯性，但可通過單向調整的方式消除。

3 層流冷卻裝置的能力

層流冷卻裝置型式為無慣性管式層流冷卻，根據帶鋼厚度、鋼種及軋制速度，控制開啟的噴水組數和調節水量，將帶鋼由終軋溫度冷卻至所要求的卷取溫度［4］。

該試驗裝置的層流冷卻裝置由9組集管構成，每組集管間距離為0.68 m，集管寬度為0.5 m，集管等間距分布，每組集管上布滿密集的出水口，出水口直徑為Ф2～Ф3 mm，每組集管的流量在4～19 m3/h范圍內可調，整個層流冷卻裝置的瞬時最大用水量為360 m3/h。圖3為層流冷卻裝置上下集管的開口度-流量曲線，序號1～9為9組集管對應的開口度—流量曲線。

圖3 層流冷卻集管流量曲線

盡管集管采用的噴嘴結構相同，共用一個供水系統，從圖3a上集管的開口度-流量曲線可以看出，相同開口度對應的流量也不相同，但是在集管開口度30%～80%范圍內，開口度-流量曲線成線性變化。從圖3曲線可以看出，冷卻裝置的最大水流密度在1 200 L/（m2·min）以上，可以滿足不同冷卻速度的要求，可滿足鋼種獲得不同組織的需要。

4 結語

為了滿足終冷溫度的精度要求，提高閥門開口度的穩定性是重要手段。通過分析，調節閥流量與開口度為單調遞增的關系，可以直接采用線性插值或者曲線擬合的方法來計算出開口度設定值。

從開口度-流量曲線的變化趨勢可以看出，在集管開口度30%～80%范圍內，開口度-流量曲線成線性變化，在此范圍內可以根據開口度大小確定冷卻水流量的大小，而該設備冷卻裝置的最大水流密度在1 200 L/（m2·min）以上，可滿足不同冷卻速度的控制要求。