鋁板帶軋機測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 )

在鋁板帶箔的生產中，厚度精度是產品的關鍵指標，軋機必須配備高精度的在線測厚儀設備，并通過與軋機控制系統整合實現對產品進行自動厚度控制(AGC)功能。使用的測厚儀一般為非接觸式在線射線測厚儀，該測厚儀利用射線穿透被測材料時強度變化與材料厚度相關的特性，從而測定材料的厚度，其核心部件為產生射線的X射線管，它連續工作時產生大量熱量，如果不能及時傳遞出，將造成部件壽命縮短，嚴重時損壞，影響測厚儀設備正常工作。

公司板帶軋機系統共配備德國IMS公司測厚儀設備12臺，用來保證設備生產出的產品厚度達到工藝要求，與該測厚儀配套的是12臺威圖公司的冷卻水冷柜系統。該系統已24h不停歇連續運行8年左右，由于器件老化、可靠性降低，如核心部件壓縮機損壞、制冷系統缺氟或漏氟、干燥過濾器堵塞、膨脹閥故障等情況，目前已進入故障高發期，工人維修工作量較大。由于測厚儀與軋機設備有連鎖報警，測厚儀設備報警就會造成冷軋機設備停機，故障率較高，對生產連續性以及生產質量指標控制帶來極大的困擾?？紤]修理時往往需要放掉氟利昂會造成環境污染，同時由于元件維修、備件采購費用高、周期較長等原因，決定對測厚儀水冷柜設備進行改造。

1 幾種常用冷卻方案分析和比較

由于X射線管工作產生大量熱量，其溫度波動將引起射線能量的變化，造成測量結果產生偏差。連續長期高溫也將造成部件壽命縮短，所以測厚儀裝置要求正常工作時X射線管部件工作溫度為25℃～45℃，為此該射線測厚儀系統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備的原理與優缺點。

1.1 壓縮機制冷-冷卻水循環冷卻方式

機械壓縮式制冷系統由壓縮機、冷凝器、蒸發器、過濾器、膨脹閥、電磁閥、儲液器、制冷劑部分等，它們通過管路連接起來，其結構緊湊，制冷效率高，COP最高可以達到3.8。但長期連續運行會造成壓縮機壽命降低，遇到元件損壞或管路問題維修時，需要放掉制冷劑，并且需使用火焊進行作業，會造成一定的環境污染和浪費。

1.2 公輔循環水-冷卻水循環冷卻方式

通過系統冷卻水與公司公輔循環水管網冷卻水進行冷熱交換方式，通過使用通水熱交換器進行熱量交換，具有使用部件少，結構簡單、成本低，故障率低的優點。但公輔系統水溫的高低直接影響換熱效率，由于循環水系統溫度隨氣溫變化，冬季和夏季有較大差別，對傳熱影響較大。冬季時，水溫較低換熱效率高；夏季時，水溫較高導致換熱效率降低，一般冷卻溫度最低達到25℃，可以滿足一般冷卻需求，但對于溫度要求較低的場合不適用。

1.3 電子半導體直接冷卻的方式

電子半導體制冷即利用當兩種不同導體A和B組成的電路中通入直流電時，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，無機械傳動，工作中無噪音，控制簡單，無液態、氣態工作介質，不污染環境的優點，通過調節工作電流的大小，可方便調節制冷速率。但由于制作成本高，制冷效率低，COP最高可以到0.6，對于大發熱量工況不太適用。

由于測厚儀光源射線部件設計及安裝空間限制，采用電子半導體直接冷卻的方式需對測厚儀拆解進行改造，并且光源射線部件只能采用通入液體方式進行冷卻，在目前測厚儀C型架上實現較困難。IMS測厚儀光源射線組件如下圖1所示。因此僅對公輔循環水-冷卻水循環冷卻方案與壓縮機制冷-冷卻水循環冷卻方案方案進行了對比，最后經過成本、價值、穩定性等方面綜合考慮，選擇采用公輔循環水-冷卻水循環冷卻方案對原冷卻裝置進行改造嘗試。

圖1 IMS測厚儀光源射線管組件

2 具體改造方案及實施要點

基于嘗試和節約成本的考慮，在原系統基礎上進行管路安裝改造工作。圖2為測厚儀配套的威圖公司水冷控制柜系統原理圖，它采用壓縮機制冷-水循環冷卻系統，該系統有兩個循環回路。循環回路Ⅰ為制冷循環，在循環中壓縮機將制冷劑從低壓提升為高壓，并使制冷劑不斷循環流動，最終完成制冷劑在蒸發器吸收熱量，在冷凝器放出熱量的循環過程，系統中流過為制冷劑。循環回路Ⅱ為冷卻循環，水流在射線管部件吸熱升溫，在蒸發器熱交換箱中與制冷劑進行交換熱量實現降溫，通過不間斷循環，達到冷卻射線管部件的目的，循環系統中可以使用冷卻水或冷卻油進行冷卻。

①冷凝器； ②蒸發器熱交換箱；③ 壓縮機；④制冷劑干燥過濾器；⑤膨脹閥感溫器；⑥測厚儀射線發生器；⑦水泵；⑧溫度測點；⑨閥門；⑩流量計；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水-水循環冷卻系統，該系統也有兩個循環回路。循環回路Ⅰ為循環水系統，需分別接入公司公輔系統循環水進水和回水管道。循環回路Ⅱ為冷卻水循環，應用時可以使用冷卻水或冷卻油進行冷卻。溫度高的冷卻液在通水熱交換器中與溫度低的循環水進行冷熱交換達到降溫的目的。由于公輔系統循環水的水質較差，長期使用容易產生水垢，造成冷卻裝置效率降低，嚴重時引起管路堵塞，因此該系統使用了兩個獨立的水流動循環，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溫度測點；⑤水流量開關；⑥測厚儀射線發生器；⑦水泵；⑧儲水箱；⑩流量計；止回閥；排水閥

(1)與原壓縮機制冷-水循環冷卻系統(圖2)對比，相當于將壓縮機制冷循環中配套設備全部拆除，將原系統中蒸發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，其大小的選擇應滿足測厚儀熱量傳遞需要，使用時可通過調整熱交換器進水閥門開度大小，使進入熱交換器水流量達到要求的范圍。

(2)通過在通水熱交換器出入口設置溫度檢測點，溫度信號接入至 PLC 進行溫度監控，并設置所需的報警參數值，保證水溫在要求范圍以內。

(3)公輔循環水系統進水管道增加Y型過濾器，對進入換熱器公輔系統循環水進行過濾，減少換熱器堵塞，并在回路中增加水流量開關，根據實際需求設置水流量，水流量過小時將觸發報警，起到監控水流的目的，確保水流正常，保證了換熱效率。

(4)測厚儀冷卻水循環回路Ⅱ循環系統系統中設置獨立儲水箱，用于冷卻系統儲水、缺水補水或換水的需要，當系統使用冷卻油進行冷卻時，用于系統儲油，補油。其它部件使用原來部件，流量計、溫度測點不變。水泵啟?？刂撇捎镁哂袩岜Ｗo功能的水泵控制電路，用于控制水泵啟動和停止。

(5)將冷卻水循環系統中的水泵通上電源啟動運行，并將外部循環水管道水路進出口閥門開啟，設備即可投用正常運行。改造前后實物照片如圖4所示。

圖4 改造前后實物照片

經過夏季7、8兩個月份對測厚儀工作時的水溫記錄統計，測厚儀設備溫度數據正常，能夠保持在25℃～30℃，滿足系統對水溫的要求，測厚儀工作狀態效果良好，測量厚度數據穩定。證明改造后的公輔系統循環水-水循環冷卻方案可以滿足現場測厚儀使用需要，可作為軋機設備測厚儀冷卻裝置故障時替換改造方案。目前企業一般都具有公共循環水系統，冷卻水資源充足，因此該裝置可以在工廠企業中普遍適用。由于公輔系統循環水系統中水質較差，長期使用容易產生大量水垢，因此對冷卻水質要求較高的精密儀器設備，不宜使用循環水直接冷卻。該裝置通過核心元件換熱器將系統隔開，形成兩個循環回路，一側流過公輔循環水，一側流過水質較好的冷卻水或冷卻油，這樣減少了水垢的產生，滿足了使用需要，避免了長期使用水垢對系統換熱的不利影響。該方案應用時，系統中的部件可以根據用戶現場空間情況集中布置，也可以分散布置，使用時只需分別接入公輔系統循環水管網和需要冷卻的裝置設備冷卻管路即可使用，安裝靈活，操作方便。

3 結束語

通過采用公輔循環水-水循環冷卻系統后，相對于壓縮機制冷系統減少了多個容易故障的部件，使故障率大大降低，減少了工人維護工作，節約了維護成本，在行業中也具有較好的推廣性，同時也可用于印刷、機械、冶金等企業需要冷卻的設備中。