供稿|唐水清，陸兆剛，張棟梁

作者單位：廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西 防城港 538000

內(nèi)容導(dǎo)讀

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(yùn)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(jī)運(yùn)行速度呈正比的關(guān)系，并設(shè)計(jì)開發(fā)了乳化液動態(tài)流量系統(tǒng)。改進(jìn)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(jī)組，應(yīng)用效果顯著，這一系統(tǒng)對同類型機(jī)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(xì)致分析，實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速可以控制乳化液輸出量，從而實(shí)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(shí)，PID控制器進(jìn)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(jī)，當(dāng)管路壓力波動時(shí)，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(jī)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(jì)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(jī)對流量和壓力進(jìn)行控制，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，存在以下問題：

(1) 調(diào)節(jié)閥維護(hù)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(jī)架存在乳化液流量過大現(xiàn)象，造成吹掃系統(tǒng)負(fù)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(jī)慢速和停機(jī)時(shí)候，乳化液大量外溢到排污溝，造成大量浪費(fèi)，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(jī)組成材率。

(4) 高速軋制時(shí)，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(jìn)行改造完善，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和借鑒同行成功經(jīng)驗(yàn)的前提下，決定將乳化液供乳系統(tǒng)由原設(shè)計(jì)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(jì)的理論計(jì)算

變壓變流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是熱平衡原理，通過理論計(jì)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(jì)的理論計(jì)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(jī)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(jì)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(yàn)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(jī)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(jī)功率主要被各種摩擦和軋制力消耗，其主要由電機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速決定，而電機(jī)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(jī)的力矩計(jì)算公式為：

式中，Mr為主電機(jī)力矩，kN·m；Mp為軋機(jī)力矩，kN·m，軋機(jī)力乘以力臂進(jìn)行計(jì)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(jī)功率的簡化計(jì)算式：

式中，n為主電機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)用

從上述推理可知，解決軋機(jī)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(jī)的運(yùn)行速度與乳化液的流量關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，即可達(dá)到節(jié)能減排的目的。

帶鋼的運(yùn)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(shí)，乳化液的需求量也就越大?？紤]到之后維護(hù)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(jī)來實(shí)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(gè)方面的考慮和設(shè)計(jì)：

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

(2) 系統(tǒng)在電機(jī)最大轉(zhuǎn)速時(shí)流量可以達(dá)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(shí)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(jìn)行變化。

(3) 2#機(jī)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(jī)架更低的流量。

(4) 5#機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)架動態(tài)流量系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思路如表1所示。2#、5#機(jī)架動態(tài)流量系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思路如表2所示。

表1 1#、3#、4#機(jī)架動態(tài)流量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

表2 2#、5#機(jī)架動態(tài)流量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

結(jié)束語

乳化液動態(tài)流量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了乳化液流量隨速度進(jìn)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(hù)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(jì)效益。