方坯連鑄機二冷水調節系統優化改造

文/武亮

隨著5G網絡的全面覆蓋，人工智能更是日益受到重視，在自動化程度越來越高的金屬冶煉領域,控制系統中調節閥的作用越發突出。為了提高調節閥的控制精度，實現對水量的高精度控制，取得鑄坯最佳冷卻效果，滿足生產需要的同時，降低故障率，提高生產效率有了更高的要求。

傳統調節閥

煉軋廠方坯連鑄機改造前二冷水使用的調節閥幾乎都是2006年左右生產出廠的設備，上線年限長，盡管在做定期的維護保養工作，但隨著使用年限的增長，水量長年累月的沖刷、汽蝕和腐蝕，閥芯磨損嚴重，特別是在小流量的控制過程中，前后壓差大，閥芯受介質的長期沖蝕，磨損更為嚴重，大大縮短其使用壽命，還可能會造成內漏。導致調節閥控制穩定性差，振蕩波動，系統可控性差。

二冷水足輥調節閥全關時，泄漏量高達3.3 m3/h，超出正常要求值的3倍之多；二冷水一段調節閥全關時，泄漏量達到4.3 m3/h，超出正常要求值的4倍之多；二冷水二段、三段調節閥全關時，泄漏量達到4.3 m3/h，超出正常水量要求值的2倍之多。二冷水足輥、一段、二段和三段調節閥全開時，所達到的最大水量比正常生產要求的水量低2~3 m3/h，難以滿足當下生產工藝的需求，最終導致設備在每7個澆次就得定期更換調節閥，然后下線進行清洗、研磨和更換密封環等檢修項目。連續查閱3年內二冷水調節閥的故障記錄，統計出現故障的時間及故障次數如圖1所示。

圖1 2015~2017年統計出現故障的時間及故障次數

煉軋廠方坯連鑄機既能生產普碳鋼又能生產高碳鋼這一特點對調節閥的要求更高，需要調節的范圍更大，控制的水量更加準確。傳統的調節閥在使用一兩個生產周期后就很難滿足要求，需要及時下線，更換新的調節閥。由于調節閥體積大，整體笨重，更換頻率高，故無形中增加了作業人員的工作強度，也同時提高了生產運行的設備故障率。特別是近幾年，隨著生產節奏的加快，生產設備老化嚴重，水質情況每況愈下，過濾效果不佳，所使用某品牌的流體控制閥由于設計的結構特點，更是不適合現在的工藝生產要求，閥籠常常出現堵塞，嚴重影響生產效率，增加作業強度。1#連鑄機自與酒鋼大線棒工程進行了配套改造，主要為線棒提供連鑄方坯材料。為了滿足高拉速下方坯的冷卻強度，二冷水新增加了三段冷卻水量控制，同時原1#連鑄機的供水系統由連鑄泵站改為大線棒水泵站供給，其泵組設計出口壓力為1.8 MPa,流量為450 m3/h。而1#連鑄機二冷水壓力控制及測量系統壓力的設計參數為1~1.2 MPa。為滿足1#連鑄機正常生產，煉軋廠研究決定將1#連鑄機二冷水壓力提高到1.8 MPa，才保證了二冷水冷卻效果。隨后工序反映1#連鑄機各段調節閥泄漏量大，影響方坯質量，隨即儀控維護人員對調節閥進行解體檢查，檢查發現調節閥由于壓差過大致使閥芯磨損嚴重是造成各段泄漏量大的主要原因。隨即聯系調節閥生產廠家對閥芯及密封墊進行更換，但不到4個月又出現上述同樣問題。檢查中發現，調節閥最高工作壓力為1.6 MPa，而1#連鑄機二冷水目前運行壓力保持在1.6 MPa以上，最高時達1.95 MPa，二冷水流速過高、長期高壓力沖刷調節閥閥內件，是導致調節閥閥芯磨損、泄漏量大的主要原因，造成二冷水控制不能滿足生產需求。

一方面煉軋廠方坯連鑄機改造前二冷水使用的調節閥屬于單座閥，它作為典型的控制閥，其控制性能雖然優于球閥，但仍然存在相當范圍的“死區”，通常0~20%的開度時，水量變化不明顯，在兼顧大水量選擇管徑的前提下，難以滿足小開度控制小水量時的精度要求。但如果選擇小一點的管徑，則很可能無法滿足大水量的要求。

另一方面，煉軋廠方坯連鑄機既要生產普碳鋼又要生產高碳鋼。由于普碳鋼和高碳鋼在二段時要求的水流量不同，閥門的控制精度也不同，普碳鋼生產時要求水量控制在35~120 L，高碳鋼時水量控制在4.5~35 L，所以要實現普碳鋼高碳鋼雙拉，必須要求調節閥控制水量在4.5~120 L，但是調節閥精度不夠，當水量低于10 L時，調節閥無法穩定調節，造成拉高碳鋼時二冷水調節始終不穩定，以至于達不到最佳的冷卻效果，造成鋼坯變形、發黑、出現裂紋等，嚴重影響了鋼坯的質量，生產了許多廢鋼，造成了巨大的經濟損失。面對兩難的處境，必須提高調節閥精度，對整個二冷水系統進行改造升級。

滑板式調節閥結構組成

滑板式調節閥結構組成如圖2、圖3所示，不得不說，滑板式調節閥最大的設計亮點就是在閥體部分的設計上。圖4所示閥的調節過程就是動滑板與定滑板在做自我研磨，因而使密封面的密封程度更為理想，隨著使用時間的增加，密封會越來越嚴密。

圖2 滑板式調節閥結構組成

圖3 滑板式調節閥閥體部分結構組成

圖4 滑板與定滑板在做自我研磨的調節過程

滑板式調節閥與傳統調節閥所相比具有的優勢

滑板式調節閥控制穩定，振蕩波動小，系統可控性提高；線性度高，有效調節范圍大，既能滿足大需水量的要求，又能在極小開度時精確控制小流量；滑板閥驅動行程短，全行程耗時2.8 s，傳統單座閥全行程耗時15~20 s,相比之下滑板閥響應速度快，全行程僅為一個窗口的高度，如DN200的滑板閥全行程僅為18 mm，而同樣口徑的單座閥全行程至少有160 mm。從力的角度來講，閥板受到的不平衡力小，且僅需克服兩塊閥板間的摩擦力即可實現閥門的啟閉，所需的驅動力小，能迅速達到給定的開度，能迅速達到系統計算的需水量，充分發揮PID控制系統的作用，使水量的給定達到最優。再者，傳統調節閥對水的控制，還可能受到水錘效應對調節閥和管道的破壞。而滑板閥的多孔分渣，無水錘現象產生，大大延長閥門及管道的使用壽命，保用8年以上。此為閥在開關過程中滑板做相對運動，在介質差壓的作用下，動靜滑板自動研磨使閥芯使用壽命延長，密封性能好。

滑板式調節閥對于日常的檢修維護人員來說，首先，調節閥結構簡單，閥芯受到的不平衡力是傳統單座調節閥的1/10,自重輕巧，省時省力，提高了工作效率，減輕了勞動強度。平時只需要進行定期維護，對其各連接件緊固，閥位校對。查閱1年多的設備臺帳，該調節閥對小開度控制得相當精準，僅有一臺有1 t/h的漏量,對目前連鑄機的工藝要求來說完全可以滿足需要。其次，以往調節閥漏量大不能適應現場需要時要對其進行整體更換，現在只需要將其閥芯更換即可，一方面減少了備件的成本，另一方面一臺滑板式調節閥產品價格也只有同級別控制閥的50%~60%，更大程度上節約了設備費用。

應用

鋼水在結晶器內冷卻只能凝固成10~20 mm厚度的坯殼，只占到總冷卻量的20%，由于鋼坯熔點高，熱容量大而導致導熱性差，所以在鋼水靜壓力的作用下很容易會產生變形，甚至會造成裂紋和漏鋼，不能保證鑄坯順利矯直和切割。為了能夠澆鑄合格的鑄坯，必須對鑄坯進行二次冷卻。冷卻總水量與鑄坯斷面，拉速和鋼種有關，冷卻總水量Q可以表示為

Q=αbνρδ

式中Q——冷卻總水量，L/min；αb—— 鑄坯斷面，m2；ν——鑄坯拉速，m/min；ρ——鋼種密度，kg/m3；δ——比水量，L/kg。

其中δ主要取決于鋼種，一般取0.5~2.0 L/kg，低碳鋼裂紋不敏感的鋼，δ值取高限，相反高碳鋼、合金鋼裂紋敏感性鋼種δ值取低限，具體見表1。

表1 裂紋敏感性與冷卻強度的關系

根據熱傳遞理論，可以導出二冷水區鑄坯噴水量Q與凝固時間t的關系式

式中H——鑄機液相穴長度，m；

V——鑄機拉速，m/min。

此式說明：當拉速一定時，二冷水的噴水量沿主機高度從上到下逐級遞減，因二冷水分為4個冷卻段，則各段水量分配為

式中Q1~Q4——二冷水各段噴水量，L/min；H1~H4——分別為各段中點至結晶器液面的距離，m。

二冷水水量控制系統采用拉速串級控制系統，將二冷水區分為4個冷卻段，每段都有1個目標溫度值，澆鑄時根據鑄坯斷面尺寸和鋼種等工藝條件，確定各段二冷水量設定值，同時根據傳熱模型凝固計算及澆鑄經驗，確定修正二冷水量與拉速的關系及其常數，將設定值和拉速關系存入PLC，在使用時調出，拉速串級控制系統框圖如圖5所示。

圖5 拉速串級控制系統框圖

在整個冷卻水配水過程中，每個速度段的配水公式的系數不同，流量也不同。在自動控制時，根據出鋼的實際速度計算每段的噴水量，再通過工程量換算成信號輸出給調節閥執行機構，控制調節閥開度，并通過閥位反饋信號輸入到PID。同時，流量計檢測到的實際水流量輸入到PID程序塊與理論噴水量進行對比，計算出偏差，再輸出給執行機構控制調節閥，進行反復的PID調節，實現理論噴水量與實際流量一致。P、I、D控制參數不斷調整的過程，恰恰需要調節閥快速響應來實現，使水量調節最大程度地接近理想曲線。滑板閥采用了多槽分級控制的滑板結構，有效減少湍流和流體對閥內件的沖刷，而且滑板組件選用沉淀硬化不銹鋼制造，能有效消除汽蝕和沖刷的影響，采用智能閥門定位器配備等百分比流量特性的滑板組件有效的解決了二冷水系統壓力和流量控制的需求，滑板閥配備的多彈簧全鋁合金氣動執行機構輸出力大，重復性好，具備穩定的線性輸出，為方坯連鑄機二冷水精確的控制提供了有力的保障。

結語

綜合以上，滑板閥能更好地滿足煉軋廠方坯連鑄機二冷水控制系統精準控制的要求，更大程度上彌補了傳統調節閥結構的局限性，有效減輕了儀表維護人員的工作量，盡可能降低了維護成本，從而滿足工藝生產過程控制的要求。滑板閥是調節閥技術領域的重大突破和質的飛躍，為煉軋廠方坯連鑄機二冷水調節閥的選型提供了目前最佳的解決方案，具有非常好的應用前景。