滑板式調(diào)節(jié)閥在連鑄機(jī)二冷水調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥煉軋廠方坯連鑄機(jī)改造前二冷水使用的調(diào)節(jié)閥幾乎都是2006年左右生產(chǎn)出廠的設(shè)備，上線年限長，盡管在做定期的維護(hù)保養(yǎng)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(yán)重，特別是在小流量的控制過程中，前后壓差大，閥芯受介質(zhì)的長期沖蝕，磨損更為嚴(yán)重，大大縮短其使用壽命，還可能會(huì)造成內(nèi)漏。導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥控制穩(wěn)定性差，振蕩波動(dòng)，系統(tǒng)可控性差。二冷水足輥調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)，泄漏量高達(dá)3.3m3/h，超出正常要求值的3倍之多；二冷水一段調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)，泄漏量達(dá)到4.3m3/h，超出正常要求值的4倍之多；二冷水二段、三段調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)，泄漏量達(dá)到4.3m3/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(diào)節(jié)閥全開時(shí)，所達(dá)到的最大水量比正常生產(chǎn)要求的水量低2~3m3/h，難以滿足當(dāng)下生產(chǎn)工藝的需求，最終導(dǎo)致設(shè)備在每7個(gè)澆次就得定期更換調(diào)節(jié)閥，然后下線進(jìn)行清洗、研磨和更換密封環(huán)等檢修項(xiàng)目。連續(xù)查閱3年內(nèi)二冷水調(diào)節(jié)閥的故障記錄，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)故障的時(shí)間及故障次數(shù)如圖1所示。圖12015~2017年統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)故障的時(shí)間及故障次數(shù)煉軋廠方坯連鑄機(jī)既能生產(chǎn)普碳鋼又能生產(chǎn)高碳鋼這一特點(diǎn)對調(diào)節(jié)閥的要求更高，需要調(diào)節(jié)的范圍更大，控制的水量更加準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥在使用一兩個(gè)生產(chǎn)周期后就很難滿足要求，需要及時(shí)下線，更換新的調(diào)節(jié)閥。由于調(diào)節(jié)閥體積大，整體笨重，更換頻率高，故無形中增加了作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，也同時(shí)提高了生產(chǎn)運(yùn)行的設(shè)備故障率。特別是近幾年，隨著生產(chǎn)節(jié)奏的加快，生產(chǎn)設(shè)備老化嚴(yán)重，水質(zhì)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(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，更是不適合現(xiàn)在的工藝生產(chǎn)要求，閥籠常常出現(xiàn)堵塞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，增加作業(yè)強(qiáng)度。1#連鑄機(jī)自與酒鋼大線棒工程進(jìn)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(qiáng)度，二冷水新增加了三段冷卻水量控制，同時(shí)原1#連鑄機(jī)的供水系統(tǒng)由連鑄泵站改為大線棒水泵站供給，其泵組設(shè)計(jì)出口壓力為1.8MPa,流量為450m3/h。而1#連鑄機(jī)二冷水壓力控制及測量系統(tǒng)壓力的設(shè)計(jì)參數(shù)為1~1.2MPa。為滿足1#連鑄機(jī)正常生產(chǎn)，煉軋廠研究決定將1#連鑄機(jī)二冷水壓力提高到1.8MPa，才保證了二冷水冷卻效果。隨后工序反映1#連鑄機(jī)各段調(diào)節(jié)閥泄漏量大，影響方坯質(zhì)量，隨即儀控維護(hù)人員對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行解體檢查，檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥由于壓差過大致使閥芯磨損嚴(yán)重是造成各段泄漏量大的主要原因。隨即聯(lián)系調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠家對閥芯及密封墊進(jìn)行更換，但不到4個(gè)月又出現(xiàn)上述同樣問題。檢查中發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)閥最高工作壓力為1.6MPa，而1#連鑄機(jī)二冷水目前運(yùn)行壓力保持在1.6MPa以上，最高時(shí)達(dá)1.95MPa，二冷水流速過高、長期高壓力沖刷調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件，是導(dǎo)致調(diào)節(jié)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(chǎn)需求。一方面煉軋廠方坯連鑄機(jī)改造前二冷水使用的調(diào)節(jié)閥屬于單座閥，它作為典型的控制閥，其控制性能雖然優(yōu)于球閥，但仍然存在相當(dāng)范圍的“死區(qū)”，通常0~20%的開度時(shí)，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(shí)的精度要求。但如果選擇小一點(diǎn)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(jī)既要生產(chǎn)普碳鋼又要生產(chǎn)高碳鋼。由于普碳鋼和高碳鋼在二段時(shí)要求的水流量不同，閥門的控制精度也不同，普碳鋼生產(chǎn)時(shí)要求水量控制在35~120L，高碳鋼時(shí)水量控制在4.5~35L，所以要實(shí)現(xiàn)普碳鋼高碳鋼雙拉，必須要求調(diào)節(jié)閥控制水量在4.5~120L，但是調(diào)節(jié)閥精度不夠，當(dāng)水量低于10L時(shí)，調(diào)節(jié)閥無法穩(wěn)定調(diào)節(jié)，造成拉高碳鋼時(shí)二冷水調(diào)節(jié)始終不穩(wěn)定，以至于達(dá)不到最佳的冷卻效果，造成鋼坯變形、發(fā)黑、出現(xiàn)裂紋等，嚴(yán)重影響了鋼坯的質(zhì)量，生產(chǎn)了許多廢鋼，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。面對兩難的處境，必須提高調(diào)節(jié)閥精度，對整個(gè)二冷水系統(tǒng)進(jìn)行改造升級?；迨秸{(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)組成滑板式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)組成如圖2、圖3所示，不得不說，滑板式調(diào)節(jié)閥最大的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)就是在閥體部分的設(shè)計(jì)上。圖4所示閥的調(diào)節(jié)過程就是動(dòng)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(shí)間的增加，密封會(huì)越來越嚴(yán)密。圖2滑板式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)組成圖3滑板式調(diào)節(jié)閥閥體部分結(jié)構(gòu)組成圖4滑板與定滑板在做自我研磨的調(diào)節(jié)過程滑板式調(diào)節(jié)閥與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥所相比具有的優(yōu)勢滑板式調(diào)節(jié)閥控制穩(wěn)定，振蕩波動(dòng)小，系統(tǒng)可控性提高；線性度高，有效調(diào)節(jié)范圍大，既能滿足大需水量的要求，又能在極小開度時(shí)精確控制小流量；滑板閥驅(qū)動(dòng)行程短，全行程耗時(shí)2.8s，傳統(tǒng)單座閥全行程耗時(shí)15~20s,相比之下滑板閥響應(yīng)速度快，全行程僅為一個(gè)窗口的高度，如DN200的滑板閥全行程僅為18mm，而同樣口徑的單座閥全行程至少有160mm。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(shí)現(xiàn)閥門的啟閉，所需的驅(qū)動(dòng)力小，能迅速達(dá)到給定的開度，能迅速達(dá)到系統(tǒng)計(jì)算的需水量，充分發(fā)揮PID控制系統(tǒng)的作用，使水量的給定達(dá)到最優(yōu)。再者，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥對水的控制，還可能受到水錘效應(yīng)對調(diào)節(jié)閥和管道的破壞。而滑板閥的多孔分渣，無水錘現(xiàn)象產(chǎn)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(guān)過程中滑板做相對運(yùn)動(dòng)，在介質(zhì)差壓的作用下，動(dòng)靜滑板自動(dòng)研磨使閥芯使用壽命延長，密封性能好?；迨秸{(diào)節(jié)閥對于日常的檢修維護(hù)人員來說，首先，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡單，閥芯受到的不平衡力是傳統(tǒng)單座調(diào)節(jié)閥的1/10,自重輕巧，省時(shí)省力，提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。平時(shí)只需要進(jìn)行定期維護(hù)，對其各連接件緊固，閥位校對。查閱1年多的設(shè)備臺帳，該調(diào)節(jié)閥對小開度控制得相當(dāng)精準(zhǔn)，僅有一臺有1t/h的漏量,對目前連鑄機(jī)的工藝要求來說完全可以滿足需要。其次，以往調(diào)節(jié)閥漏量大不能適應(yīng)現(xiàn)場需要時(shí)要對其進(jìn)行整體更換，現(xiàn)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(diào)節(jié)閥產(chǎn)品價(jià)格也只有同級別控制閥的50%~60%，更大程度上節(jié)約了設(shè)備費(fèi)用。應(yīng)用鋼水在結(jié)晶器內(nèi)冷卻只能凝固成10~20mm厚度的坯殼，只占到總冷卻量的20%，由于鋼坯熔點(diǎn)高，熱容量大而導(dǎo)致導(dǎo)熱性差，所以在鋼水靜壓力的作用下很容易會(huì)產(chǎn)生變形，甚至?xí)斐闪鸭y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(jìn)行二次冷卻。冷卻總水量與鑄坯斷面，拉速和鋼種有關(guān)，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0.5~2.0L/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(qiáng)度的關(guān)系根據(jù)熱傳遞理論，可以導(dǎo)出二冷水區(qū)鑄坯噴水量Q與凝固時(shí)間t的關(guān)系式式中H——鑄機(jī)液相穴長度，m；V——鑄機(jī)拉速，m/min。此式說明：當(dāng)拉速一定時(shí)，二冷水的噴水量沿主機(jī)高度從上到下逐級遞減，因二冷水分為4個(gè)冷卻段，則各段水量分配為而二冷水的總水量所以各段冷卻水量式中Q1~Q4——二冷水各段噴水量，L/min；H1~H4——分別為各段中點(diǎn)至結(jié)晶器液面的距離，m。二冷水水量控制系統(tǒng)采用拉速串級控制系統(tǒng)，將二冷水區(qū)分為4個(gè)冷卻段，每段都有1個(gè)目標(biāo)溫度值，澆鑄時(shí)根據(jù)鑄坯斷面尺寸和鋼種等工藝條件，確定各段二冷水量設(shè)定值，同時(shí)根據(jù)傳熱模型凝固計(jì)算及澆鑄經(jīng)驗(yàn)，確定修正二冷水量與拉速的關(guān)系及其常數(shù)，將設(shè)定值和拉速關(guān)系存入PLC，在使用時(shí)調(diào)出，拉速串級控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。圖5拉速串級控制系統(tǒng)框圖在整個(gè)冷卻水配水過程中，每個(gè)速度段的配水公式的系數(shù)不同，流量也不同。在自動(dòng)控制時(shí)，根據(jù)出鋼的實(shí)際速度計(jì)算每段的噴水量，再通過工程量換算成信號輸出給調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制調(diào)節(jié)閥開度，并通過閥位反饋信號輸入到PID。同時(shí)，流量計(jì)檢測到的實(shí)際水流量輸入到PID程序塊與理論噴水量進(jìn)行對比，計(jì)算出偏差，再輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行反復(fù)的PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)理論噴水量與實(shí)際流量一致。P、I、D控制參數(shù)不斷調(diào)整的過程，恰恰需要調(diào)節(jié)閥快速響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，使水量調(diào)節(jié)最大程度地接近理想曲線?；彘y采用了多槽分級控制的滑板結(jié)構(gòu)，有效減少湍流和流體對閥內(nèi)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(tǒng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力大，重復(fù)性好，具備穩(wěn)定的線性輸出，為方坯連