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带钢冷轧乳化液状态稳定的数模控制

时间:2023-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:摘要 通过动态平衡原理,提出了带钢冷轧的冷却、润滑乳化液的一组状态方程及一套可操作的确定方程内系数的实验方法,从而提出了乳化液状态稳定的实时数模控制方案。带钢冷轧采用喷淋乳化液来冷却轧辊和所轧带钢,并润滑轧辊和所轧带钢之接触,以减轻轧辊和带钢表面的磨损及降低卷取阻力。因而,是无法及时校正乳化液浓度的。从而,提出了乳化液状态稳定的实时数模控制方案。

摘要 通过动态平衡原理,提出了带钢冷轧的冷却、润滑乳化液的一组状态方程及一套可操作的确定方程内系数的实验方法,从而提出了乳化液状态稳定的实时数模控制方案。

关键词 带钢冷轧 乳化液 状态稳定 数学模型 实时数模控制

前 言

带钢冷轧采用喷淋乳化液来冷却轧辊和所轧带钢,并润滑轧辊和所轧带钢之接触,以减轻轧辊和带钢表面的磨损及降低卷取阻力。虽然喷淋足量的乳化液,但由于乳化液浓度和温度的变化,轧辊与带钢间的润滑情况随之变化。过润滑时,发生堆钢;欠润滑时,发生拉钢。从而导致带钢轧机的震动,使带钢表面出现横向波纹。严重时还会发生断辊或断带事故,及带钢表面浪型判废。由于乳化液状态(浓度 、温度)的不稳定,生产工艺上无法探索最佳润滑条件,无法实现最佳润滑条件下的高速优质的连续轧制。为了减轻轧机的机震(这会加重轧钢噪声,并导致漏油和轴承等的损坏)和带钢的波纹,不得不降低带钢连续轧制的速度。

所以,如何稳定轧钢乳化液的状态,成为近年来冷轧工程技术的重要研究课题。

现系统中,乳化液加热蒸汽采用温度偏差极限控制(达到设定温度 T 时关闭加热蒸汽,液温降到设定极限 T0 +ΔT 时,打开加热蒸汽阀)。由于乳化液系统是个大惯性系统,乳化液槽内乳液温度变动范围约为 T0 + 2℃~T0 – 5℃。另外,在泵将乳液输往轧钢喷淋处的管道中段设置强制冷却装置。但此装置只能调控乳化液温度的上限,而不能调控乳化液温度的下限。而且,从强制冷却段到喷淋处,管道尚有相当长度。所以,强制冷却段的调控温度并不等于喷淋处乳化液温度(比喷淋温度高些)。并且,室温越低,温差就越大。乳化液的浓度,早先采用人工取样,化验室采用水浴法分析,需八小时左右才能得到比较正确的浓度分析结果(总的体积比含油率)。因而,是无法及时校正乳化液浓度的。近期采用在线的浓度分析(例如,采用超声波浓度分析仪),甚至根据实测浓度是否超过许可的上限(η1)或下限(η2),自动加水或加乳化母液(偏差极限控制)。即便如此,浓度的偏差仍在 + 0.1%~- 0.2% (浓度分析仪精度差的话,偏差范围还要大)之间。总之,乳化液状态的稳定控制仍不够理想。

由于轧钢乳化液系统是个开环系统,迄今工程技术界尚未有采用数模控制之方案。

笔者通过动态平衡原理,提出了乳化液槽内乳液的一组状态方程及一套可操作的确定方程内系数的实验方法。从而,提出了乳化液状态稳定的实时数模控制方案。

由于对乳液温度和浓度进行了在线实时测量和实时稳态调节及偏差调整,对加热蒸汽、添加水和加乳化母液实行数值调节而非开关调节,将使乳化液状态的稳定性极大地提高,并可除去效果不大的强迫冷却装置,直接以喷淋处乳化液温度之稳定来调控加热蒸汽。可以期望,乳液温度波动将在±1℃ 之内,浓度的波动将在±0.1%,甚至±0.05%之内(视测量精度)。从而,为工艺上探索最佳润滑条件准备好了基础。并且,必然改善轧机的机震和带钢的表面质量(特别是波纹),为进一步提高轧制速度提供了可能。

尽管系统配置费用较为昂贵,系数测定比较麻烦,但与提高带钢的表面质量和提高机组生产能力相比,其价值是十分明显的。

一、乳化液状态稳定控制的数学模型

1.状态方程组(五个微分方程,d —— 微分符号):

dT/dt=[K1q(T-T) - (C1Q+K2q)(T-T) -K2′q(T-T)-Kdq(T-T)] /(a+kQ) (1 • 1)

dQ /dt=dq-d1q+d′q- d1q乳蒸   (1 • 2)

dV/dt=q+q-q-q乳蒸   (1 • 3)

- dη1/dt=dη1水/dt=[(1-η1水)dq-d槽水q水蒸1水 dq乳蒸+(d返水η′-η1水d′)q]/Q  (1 • 4)

-dη/dt= dη/dt=[(q-q水蒸)-η(q-q乳蒸)+(η′-η)q]/V=[ηq+(q乳蒸-q水蒸)-ηq乳蒸 - (η′-η)q]/V  (1 • 5)

其中:

(1 • 1) 是槽内乳化液的热流方程。

T—— 槽内液体温度(℃);

T—— 加热槽液的蒸汽温度(℃);

T——乳化液槽所处室温(℃);

T——泵回乳化液槽的回收乳化液温度(℃);

T——注入乳化液槽的添加水温度(℃);

q——加热槽液的蒸汽秒流量(米3/秒);

q——泵出槽的乳化液秒流量(米3/秒);

q——泵回乳化液槽的回收乳化液秒流量(米3/秒);

q——注入乳化液槽的添加水秒流量(米3/秒);

K1——加热槽液的蒸汽的散热系数(焦耳/米 • ℃ );

K2——泵出槽的乳化液的流量比热(焦耳/米 • ℃ );

K2′——泵回液槽的回收乳化液的比热(焦耳/米 • ℃ );

K——水的比热(焦耳/公斤 • ℃,理论值,可查);

d——水的比重,d= d槽水=1000 /[1+γ(T - 4℃)](公斤/米3) ;

γ——水的体积膨胀系数(理论值,可查);

C1——槽液的散热(蒸发、辐射、热传导)系数(焦耳/公斤 • ℃); a= KM,K为铁的比热(焦耳/公斤 • ℃,理论值,可查);M为槽内铁装置的总质量,故a是个常量(焦耳/℃)。kQ=KQ+KQ= Kη1 Q+ K(1-η1)Q,故 k= K-η1(K-K) ,K为乳化母液的比热,可在实验室内用绝热法测定。η1= Q/Q为乳化液的质量比浓度;Q= Q槽水+ Q= dηV+ d(1-η)V= d1V ,d1= d-η(d- d) 为槽内乳化液的比重,d为乳化液中母液(油)的比重,d= d0 /[1 +γT],γ为乳化母液的体积膨胀系数,d0为乳化母液在 0℃ 时的比重,d0 和γ可由供货商提供或在实验室中测定。Q 是槽内乳液总质量。

(1 • 2)是槽内乳化液的质量流方程;

(1 • 3)是槽内乳化液的体积变化方程。V为槽内乳化液的总体积(米3);

(1 • 4)是槽内乳化液含水率(重量比)变化方程;

(1 • 5)是槽内乳化液含水率(体积比)变化方程;

η1水= 1 -η1 是槽内乳化液含水率(重量比);

η= V /V为槽内乳化液的浓度(体积比),

η=1-η为槽内乳化液的含水率(体积比);

η1=ηd /d1 ;η1水= ηd /d1

η′= 1 -η′为泵回乳化液槽的回收乳化液(体积比)浓度,η′为泵回乳化液槽的回收乳化液含水率(体积比)。K2=kd1=Kd1- dη(K-K)=(1-η)Kd+ηKd,K2′=(1-η)Kd+ηKd;d1=(1-η)d+ηd,d′=(1 -η′)d+η′d

q水蒸= DS (T- T)为槽中净水的蒸发率(米3 /秒),D为单位温差下单位表面积水的蒸发率(米/度•秒);q乳蒸= DS (T - T)为槽中净水的蒸发率 (米3 /秒),D为单位温差下单位表面积乳化液的蒸发率(米3/度•秒);S 为槽液的蒸发表面积 。

2.乳化液在轧钢喷淋处的乳化液温度T (轧制工艺要求的温度) 与槽内乳化液温度T的关系:

T= T- [ Kdq(T-T)-K3Q(T-T3)-C2q(T-T)-C3(q+q)(T-T)] /(K2 q+ Kdq)(2 • 1)。

在实际系统中,乳化母液之添加不是直接注入槽中,而是注入输往轧机的乳化液管道中。q为注入母液之秒流量(米3/秒),T为注入母液的温度(℃),Q为强迫冷却系统内冷却水的秒流量(米3/秒),K3为强迫冷却系统的吸热系数(焦耳/米3•℃),C2是从液槽泵出的乳化液输送管道的散热系数(焦耳/米3•℃ );C3 是从强迫冷却系统到喷淋口的管道散热系数(焦耳/米3•℃);T是从冷却系统出来后乳化液的温度。显然,T > T > T

在实际轧制时,槽内乳化液的温度应定得比轧制温度高(T> T) ,由调节强迫冷却系统内冷却水的秒流量来稳定T ,以稳定 T。但当 T≤T时,强迫冷却系统的调控功能就失效了。

3.状态方程组中系数的实验测定:

在液槽泵出乳化液的管道内 (近槽处,在注入母液处的上游)安装流量计(超声波法)探头、浓度计(超声波法)探头和测温热电偶,以测出 q、η及T (测量将不受母液注入的影响);在泵回乳化液槽的乳化液回收管道内(近入槽处)也安装流量计(超声波法)探头、浓度计(超声波法)探头和测温热电偶,以测出q 、η′及T;在向液槽注水的水管内安装流量计 (可用超声型、涡街型或发讯涡轮转子型) 、温度探头,以及电子调节阀,以测量q、T及调节q;在蒸汽管道内安装涡街型流量计及测温探头(工作温度100~200℃) 及电子调节阀,以测量 q、T及调节q 。在乳化液槽底部安装压电效应的投入式液位计探头(采用不锈钢密封套,以耐腐蚀、耐 75℃以上高温),安装部位应远离蒸汽管道,它用以测量液槽内液位H。在液槽所处厂房内安装测室温的热电偶,以测T。在调节阀和探头安装段的前后,均应安装手动隔离阀,以便调节阀和探头的安装和更换。所有测量信息都通过模数转换器,再输入电脑;电脑输出通过数模转换器,去调控电子阀及开、停泵机。

(1) 在停产大修期间,清除乳化液槽内的乳化液及污垢,清洗干净后,注入净水。

注水过程中,槽内水的体积 Vi=∫0Ti qdt (3 • 1 • 1),由控制电脑算出,并记录之;对应的液位高度 H 由液位计给出,并由电脑记录;对应的槽液表面积Si=(Vi-Vi-1) /(Hi-Hi-1)(3 • 1 • 2),由电脑算出,并记录之。例如,每隔一分钟记录一次Hi,计算出对应的Vi和Si,直至液位高度高出生产时最高液位高度若干厘米即可。如此,在电脑硬盘中存储了一个采样值Hi和对应的Vi、Si的数据库文件。

对于任一采样液位高度H,Hi+1> H > Hi,对应的液面面积 S= Si +(Si+1-Si)(H-Hi) /(Hi+1-Hi) (a) ,对应的槽液体积V= Vi+(Vi+1-Vi)(H-Hi) /(Hi+1-Hi) (b) ,可由电脑算出(由于乳化液槽内装有搅拌机和除铁屑的磁过滤器等等,故槽内液体表面积 Si 不是恒量,V ≠ HS)。

若注入净水的最终高度为H0,水的总体积为V0,对应的液面面积S0,忽略注水过程中水的蒸发损失,则 Q0= V0 /[1 +γ(T0 - 4℃)] (吨) (3 • 1 • 3) ,T0= T为这时测得的槽液温度T

(2) 完成上述工作后,关闭注水阀门,除了输出槽液的管道阀门打开外(为了测T),关闭一切其它阀门及相应的泵。然后,打开蒸汽阀门,调节阀开到最大位置,使槽内水升温,至T= 50℃后,控制蒸汽流量q,使 T= 50℃保持恒定。搅拌机和除铁屑的磁过滤器、刮油器等都不开动。

此时,q=0=q= q,q乳蒸= q水蒸,η1水= 1,η=η11′= 0。而状态方程组为:

T/dt=0=[K1′q(T-50℃)-C1′Q(50℃-T)] /(a + KQ)  (3 • 2 • 1)

dV/dt= -q水蒸= - DS(50℃ - T)  (3 • 2 • 3)

由(3 • 2 • 1)式得:q=C1′V(50℃ - T) /K1′(T-50℃)(1+ 46γ)  (3 • 2 • 1 • 1)

显然,槽液减少时(V降低),所需的蒸汽流量q就减少。

K1′为槽液是净水时蒸汽的散热系数;C1′为槽液是净水时槽液(水)的散热(蒸发、辐射、热传导)系数。

以液面每降低1mm为一个测量时间间隔,可视该时间间隔内T不变。由于ΔH= 0.001米,液位变化很小,可视S也不变。从而,由 (3 • 2 • 3)式解出:

Vi - Vi-1= - DSi(50℃ - T)(ti-ti-1); (3 • 2 • 3 • 1)

于是,D= 0.001 /(50℃-T)(ti-ti-1)(米/度•秒)。(3 • 2 • 3 • 2)

测若干次ΔH= 0.001米,得一系列 (ti - ti-1)值,从而得若D值,再取算术平均,可定D值。

而蒸汽的控制为:q蒸i= q蒸i-1Vi /Vi-1。  (3 • 2 • 3 • 3)

(3) 关闭蒸汽,让槽内之水自然冷却。此时,q= 0,状态方程组为:

dT/dt= - C1′Q(T-T) /(a+KQ);  (3 • 3 • 1)

dQ/dt= - dq= - dDS(T-T);  (3 • 3 • 2)

合并上述二式得:KdDS dT/C1

= KQdQ /(a + KQ);

而 d= 1 /[1 +γ(T- 4℃)] (吨/米3),故(KDS/C1′)dT/[1+γ(T - 4℃)]= dQ- adQ/(a + KQ);(3 • 3 • 12)

在温度改变不太大,液位变化不大时,可视 S为常量,上式解得:(KDC1′)Siln(di-1/di)=diVi - di-1Vi-1-(a/K) ln[(Kdi Vi +a)/(Kdi-1Vi-1+a)];  (3 • 3 • 13)

Si+1ln(di /di+1)/Siln(di-1/di)={di+1Vi+1-diVi-(a/K)ln[(K di+1Vi+1+a)/(KdiVi+a)]}/{diVi -di-1Vi-1 -(a/K)ln[(KdiVi+a)/(Kdi-1Vi-1+a)]};  (3 • 3 •14)

其中 dj = 1/[1+γ(Tj - 4℃)] (吨/米3),Vj为槽液温度是Tj时的槽液体积(对应的液位高度为Hj),K为水的比热,γ为水的体积膨胀系数。故 (3 • 3 • 14) 式可算出a值。

(4) 在上述测试完成后,根据当时的液温Tn、液位高度Hn及对应的Vn,可知,对于要求的轧制浓度η=η0( 实验室水浴法分析的就是体积比浓度) ,所需配用的乳化母液的体积为:

V= Vnη0 (1 +γT) /(1 -η0)(1 +γT n) (c)(此时乳化母液的温度为室温) 。

将这些母液直接倒入槽中,开动搅拌机,使之成为浓度为η0( 体积比)的乳化液

(因为η0 << 1,这些母液倒入槽中搅拌时不计蒸发损耗,浓度计读数也应趋于η0)。阀门的控制如前,继续进行静态测量。此时状态方程组为:

显然,(3 • 4 • 15 • 1)~(3 • 4 • 15 • 4) 在静态条件下,无论是通蒸汽升温,还是保持恒温,还是关闭蒸汽自然降温,都是成立的。故测得液位高度 H(就得V)和对应的浓度η,D就可算出。

(A) 开蒸汽阀,升温至50℃,控制蒸汽的流q,使 T = 50℃保持恒定。在不太长的测量时间段内,可认为室温不变,液面下降不大,S 可视为常量,于是由 (3 • 4 • 3)式得:

V2-V1= - DS(50℃-T)(t2-t1),故D=(H1-H2) /(50℃-T)(t2-t1)。   (3 • 4 • 15 • 5)

H2是时刻t2时的液位高度,H1是时刻t1时的液位高度。测若干个时间段(ti+1-ti),使每次Hi-Hi+1= 0.001米,得若干 个D值,平均之。将此值与(3 • 4 • 15 • 3)的D值比较,由此可检验本理论的可信性。

由(3 • 4 • 1)式可得:

q=C1(50℃-T)Q/K1(T-50℃),  (A1)

K1/C1=(50℃-T)Qi/(T- 50℃)q,  (A2)

而 Qi=d1Vi=[d-ηi( d- d)]Vi,  (A3)

q蒸i+1= q蒸iQi+1/Qi。  (A4)

根据ti时刻的槽液体积Vi(对应于液位高度Hi),浓度ηi和蒸汽流量q就可求出(K1 /C1)值。

(B) 关闭蒸汽,让槽液自然冷却。此时状态方程组为:其中:Q=d1V,V=V00-1+D/D) /(η-1+ D/D ),d1= (1 -η)d+ηd (吨/米3),

k=K-dη(K- K) /d1, 而K2=kd1=(1-η)

Kd+ηKd,d=1 /[1+γ(T- 4℃)],

d= d0 /(1+γT),d0是乳化母液在0℃时的比重(公斤/米3)。

由(3 • 4 • B • 1)和(3 • 4 • B • 5) 并考虑到上述关系式得:- dη/(η-1+D/D)2=ADS * dT/C1V020

1+D/D)2,(3 • 4 • B • 15 • 1)

其中:A={a(η-1+D/D)+V00-1+D/D)[(1-η) Kd+ηKd]}/[(1 -η)d+ηd1]

≈a(D- D)/Dd+ KV00 -1+ D/D)。

这是因为:η<< 1,1 -η≈1,K > K,所以:

ηd/(1 -η)<<d,ηd(K- K) /K <ηd<<d 。于是 (3 • 4 • B • 15 • 1)式可化为 (3 • 4 • B • 15 • 2) :

- C1d(η-1+ D/D)/S(η-1+ D/D)2=a(D-D(T-4℃)dT+[KD/V00-1+ D/D)+a(D- D )/V0

20-1+D/D)2]dT

当自然降温时间不太长时,液面下降不太多时,可视 S 为常量,从而有解:

C1 [1/Sii-1+ D/D)-1/Si-1i-1 -1+ D/D)]={a (Ti-Ti-1) (D-D)[γV020-1+D/D)2+1]+ KDV00 -1+ D/D)}/V020-1+D/D)2;  (B1)

C1={a(Ti-Ti-1)(D-D)[γV020-1+D/D )2+1]+KDV00-1+D/D)}*Sii-1+D/D)*Si-1i-1-1+D/D)/[ Si-1i-1-1+D/D)- Sii-1+D/D)] V0

20-1+D/D)2;  (B2)式中:Ti-1 > Ti ,ηi > ηi-1 ,D > D

测若干个温度变化段(Ti-1,Ti),则可得若干个C1值,最后取算术平均值作为C1之值。再根据(A2)、(A3)式求得K1之值。由此,乳化液状态方程组中的所有系数都已能确定( K2′= (1 -η′)Kd+η′Kd ,d′= (1 -η′)d+η′d,η′是泵回乳化液槽的回收乳化液的浓度)。

4.稳态控制和偏差控制 :

(1) 稳态条件为:T= T0 ,η=η0,dT/dt= 0 ,

dη/dt= 0。于是,有:

Q蒸t=q蒸0=[(C1Q+K2q)(T0-T)+K2′(T0- T)q+ Kd(T0-T)q水t]/K1(T- T0);  (4 • 1 • 1)

q水t=q水0=[D+(D-D)/η0 ]S(T0 -T)+(η′-η0)q0;  (4 • 1 • 2)

式中:Q= d1V={(1 -η0)/[1 +γ(T0-4℃)]+d0η0/(1+γT0)}V;  (4 • 1 • 3)

K2=kd1=K(1 -η0)/[1 +γ(T0 -4℃)]+Kd0η0 /(1+γT0);  (4 • 1 • 4)

K2′=K(1-η′)/[1+γ(T-4℃)] + Kd0η′/(1 +γT);  (4 • 1 • 5)

d= 1/[1+γ(T- 4℃)]。  (4 • 1 • 6)

K是水的比热,γ为水的体积膨胀系数,γ为乳化母液的体积膨胀系数,d0为母液在0℃时之比重,K为母液的比热。C1、K1、D、D即为前述实验测定值的各个平均值。

T0为轧制工艺要求稳定的槽液温度,η0为轧制工艺要求稳定的槽内乳化液的浓度;T、T、T、T分别是t时刻的液槽所在厂房的室温、回收乳化液的液温、蒸汽温度、添加水水温的实测值;q、q为轧制乳化液泵出及回收的实时秒流量;S、V为t时刻对应于液位实时高度 H 的槽液表面积和体积;η′为t时刻泵回液槽的回收乳化液的实时浓度,这些都由相关仪表实时测得。

于是,由 (4 • 1 • 1)和 (4 • 1 • 2)算出的q蒸t、q水t就是t时刻蒸汽流量和添加水流量的稳态控制值。

(2) 偏差控制:

A.方法之一为:

q蒸t′= q蒸0T0/T= {[(C1Q+K2q)(T0-T) +K2′(T0-T) q]+Kd(T0-T)q水t′}T0 /TK1 (T- T0); (4 • 2 • A • 1)

q水t′=q水0η/η0={[ D+(D- D)/η0]S(T0-T)+ (η′-η0)q0}η/η0。  (4 • 2 • A • 2)

B.方法之二为:

Q= d1V= {(1 -η)/[1+γ(T- 4℃)] +d0η/(1+γT)} V;  (4 • 2 • B • 1)

K2= kd1=K(1-η)/[1+γ(T- 4℃)] + Kd0η/(1+γT);  (4 • 2 • B • 2)

K2′=K(1-η′)/[1+γ(T-4℃)] + Kd0η′/(1+γT);  (4 • 2 • B • 3)

d=1/[1+γ(T-4℃)];  (4 • 2 • B • 4)

q水t′=[Dη/η0+(D-D)/η0]S(T-T) +(η′-η)q

0;  (4 • 2 • B • 5)

q蒸t′={[(C1Q+K2q)(T-T)+K2′(T-T)q] +Kd(T-T)q水t′}T0/K1T(T-T);  (4 • 2 • B • 6)

C.当η<η′<η0,且η0-η′≥[D+(D-D)/η0]S(T-T0/q时,q水t′=0;  (4 • 2 • C • 1)

而取>号时,还要添加乳化液:

当 (η0-η)V > q母Max *5秒时,q母t=q母Max; (4 • 2 • C • 2)

q母Max是添加乳化母液所能达到的最大秒流量,也即注油电子阀完全打开。

当 (η0 -η)V≤q母Max*5秒时,q母t=q母Max0-η)/η0

(4 • 2• C • 3)

5.动态修正:

上述稳态控制和偏差控制中,q水蒸、q乳蒸、C1、K1值都是在静态条件下测定的,即槽液表面是平静的(q= q= q= 0,且搅拌机和除铁屑的磁过滤器、刮油器等都不开动)。实际生产时,槽液表面是不平静的(q 、q 、q >0,且搅拌机和除铁屑的磁过滤器、刮油器等全都开动)。 故实际的蒸发和散热的表面积要大于静态表面积。为此,应寻求一个动态修正: α= S/S > 1 。

在稳态控制条件下,定 T= 50℃。由于室温只是昼夜缓慢地变化,在实验测定的时间段内,可视其为常量。在生产稳定时,可视 q 、q、q 也为稳定值 (常量) 。

由dV/dt= q+ q- q- DS(T0 - T) ,

可得:

Vi+1-Vi=(q+q-q)(ti+1-ti)-DS(T0 -T)(ti+1- ti);

(5 • 1)

从而,S=[(Vi+1-Vi)/(ti+1-ti)-(q+q-q)]/D(T0-T);(5 • 2)

于是,α=S/S=[(Hi+1-Hi)/(ti+1-ti) - ( q+ q- q)]/DSi(T0-T)。  (5 • 3)

测若干个时间段 (ti+1-ti) ,得若干个αi值,由算术平均得α值。

显然,C1、K1的动态修正值是原先的静态测量(平均)值乘以α。而式(4 • 1 • 2)和(4 • 2 • B • 5)中的S应以αS(S是对应于H的槽液静态表面积)替代之。

二、乳化液状态稳定之实施

1.系统设备配置:

一只液槽的系统配置图示如图1。

其中多通道智能化超声波流量、浓度分析仪本身是个微机系统。它具有超声波发生器,回波接收及分析电路,温度与超声波回波的声时曲线族存储器,流量、浓度、温度与超声波回波的声时曲线族存储器,分析软件存储器,CPU,流量、浓度、温度多路测量分配器,流量、浓度、温度数据串行输出信号电路,数据显示电路,稳压电源等部分。

温度的显示精度为±0.01℃,分析精度为±0.005℃,温度标定范围为 0~60℃;浓度的测试范围为 0~10%,分析精度为±0.1%,分辨率为±0.05% (含油率);浓度的分析值不受铁微粒、泡沫和流速的影响,并有温度自动补偿;流速的测定有温度与浓度的自动补偿,精度为±0.001米/秒,分辨率为±0.0005米/秒,信号的传输不受电磁干扰。

一只液槽使用一台12通道的智能化超声波流量、浓度分析仪,实际使用6个通道,另6个通道为备用。多个槽需配置多台这样的分析仪。并需要增加一个多路串行传输分配器。

蒸汽流量的测量采用压电式旋涡(涡街)流量计。因为超声波探头在高温环境寿命不长,故不用它。仪器对涡街流量分析进行自动温度补偿,并有流量和温度的显示和数据传输的发讯电路。一只液槽使用一台,多个槽需配置多台这样的流量计。多路脉冲转换板可供多路传输信号使用,并通过光电隔离转换而输入工业控制计算机(工控机)。

液位计采用压电型直接投入式液位计,不采用超声波或浮筒式液位计,是考虑到液面波动大,还是采用静压原理测量来得可靠。

电子伺服阀接收到20mA 输入信号时,打开到最大位置,并输出一个20mA 的全开位置信号;当接收到4mA输入信号时,关闭伺服阀,并输出一个4mA的全闭位置信号;当接收到一个4mA < I < 20mA 输入信号时,伺服阀开启到相应程度,并输出一个I值的位置信号电流。开启(或关闭)信号由工控机通过D/A板转换给出,而位置信号通过A/D板转换反馈给工控机。

液位信号H、喷淋温度T、室温T、也都经A/D板输入工控机。工控机将液位实时高度H、实时浓度η、η′、流量q、q、q、q、q及相关的温度T、T、T、T、T、T、T 显示在屏幕上。屏幕上甚至可显示出蒸汽、注水、注油电子伺服阀的开启和关闭,水泵、油泵的运转和停转。工控机通过计算算出相应的 S(静态值)、V及 q水t 和q蒸t,以进行实时调节。工控机每隔5分钟 (此值可随意设定)将采样 H、η、 η′、q、q、q、q、q、T、T、T、T、T、T、T的实时值存入硬盘,并存入此5分钟内已注入的水量、母液量。打印机可打印出所需查看的记录(每天三个班形成一个记录文件)及液位、槽温、浓度的波动曲线。当槽液的浓度或温度偏离出许可范围,液位超过最高警戒液位或低于最低警戒液位时,阀、泵系统故障时(需加水或加油时,工控机发出开泵和阀信号后 5秒钟,泵未开动或阀未打开;不需加水或加油,工控机发出关泵和阀信号后 5秒钟,泵仍开动或阀未关闭时),工控机发出警示信号,音响器发出报警声。工控机将超值或故障类型实时存入硬盘。

2.工控软件:

(1) 预置值:K、K、d0 、γ、γ、D、A、D、a 、C1 、K1、α之值。

(2) 热电偶I——T 曲线,以供温度测定使用。

(3) Hi、Si、Vi对照值表格文件;

(4) 预输入量:初加水体积总量 V0=∫qdt (米3) ,初加乳化母液体积总量R0=∫qdt(米3) ;

乳化液设定控制浓度η0(%),浓度偏差上限η1(例如,η10 + 0.1% 或η0 + 0.05%),

浓度偏差下限η2(例如,η20-0.1% 或η0- 0.05%) ;

轧钢喷淋乳化液控制温度T0,温度警戒上限T1(例如,T1= T0 + 1℃),

温度警戒下限T (例如,T2= T0- 1℃);

液位警戒上限H1 (米),液位警戒下限H2 (米),液位计探头安装高度h (0.×××米) ——探头离池底距离;液位计最大量程HM (最好 HM= 5米,因为池深小于 5米);

涡街流量计脉冲当量B= 0.××××米/脉冲;注水阀全开时最大水流量q水Max= 0.××××米/秒,加油阀全开时最大油流量q母Max= 0.××××米/秒,蒸汽阀全开时最大蒸汽流量q蒸Max= 0.××××米/秒 。

输入:操作者姓名,班次,开机日期、时间。

(5) 计算公式:

d1=(1 -η) /[1+γ)T-4℃)]+d0η /(+γT)(吨/米3),(1)

H=h0+ (I-4)HM/16d1(米),I为液位计探头电流值, (2)

S=Si+(Si+1-Si)(H-Hi) /(Hi+1 - Hi)(米2),

其中 Hi < H < Hi+1,  (3)

V=Vi+(Vi+1-Vi)(H -Hi ) /(Hi+1-H)(米3),  (4)

Q= d1V(吨),  (5)

K2= K(1-η0) /[1+γ(T0-3℃)]+Kd0η0/[1+γ(T0+ 1℃)](焦耳/米3•℃),  (6)

K2′=K(1-η′)/[1+γ(T-4℃)] +Kd0η′/[1+γT](焦耳/米3•℃ ),  (7)

d= 1/[1+γ(T-4℃)](吨/米3),  (8)

A=αK1(T-T0-1℃)(焦耳/米3),  (9)

q水t={[D+(D-D)/η0]αS(T0+1℃-T) + (η′-η0) q0}η/η0(米3/秒),  (10)q蒸t= [(αC1Q+K2 q)(T0+1℃-T)+K2′(T0+1℃-T)

q=T0/AT+Kd(T0+1℃ -T)q水tT0/AT(米3/秒),  (11)

这里将槽内乳化液的稳定温度定为 T0 + 1℃ (比要求稳定的轧钢喷淋温度高出 1℃) 。

I水t= 4 + 16 * q水t/q水Max(mA);  (12)I水t为注水电磁阀的输入控制电流。

I蒸t= 4 + 16 * q蒸t /q蒸Max(mA);  (13)I蒸t为蒸汽电磁阀的输入控制电流。

q=(I- 4)q水Max/16(米3/秒);  (14)I为注水电磁阀的位置信号电流。

q=(I- 4)q蒸Max/16(米3 /秒);  (15)I为蒸汽电磁阀的位置信号电流。

q= (I- 4)q母Max/16(米3 /秒);  (16)

I为加油电磁阀的位置信号电流。

(6) 屏显要求:

以棒状图显示:实时浓度η(0.××%)、η′(0.××%),η的浓度标尺上表明η0、η1、η2位置。实时温度T(××.××℃),T(××.××℃),T(××.××℃);T的温度标尺上表明 T0、T1、T2之位置;实时水温T(××.××℃),实时油温T(××.××℃)。

槽内液位的实时高度 H(×.××米),并标明警戒液位H1、H2 之位置。

加水、加油的实时流量q′(×.××××米3/秒)、q′(×.××××米3/秒);最大流量q水Max (×.××××米3/秒)、q母Max(×.××××米3/秒);蒸汽实时流量 q′(×.×××× 米/秒) 和最大流量 q蒸Max(×.××××米3/秒) 。

蒸汽阀、注水阀、加油阀开关的位置状态显示(I 、I 、I数值(×.××mA)显示);加水泵、加油泵开关状态显示(ON 或OFF)。

报警文字显示(乳化液浓度超上限或下限,杂油比例超限,液位超警戒液位(上或下限),电磁阀(加水、加油或蒸汽阀)故障,加水泵或加油泵故障)。 报警显示时不应遮盖其它显示画面。

日期、时间显示(年、月、日、时、分、秒),班次显示。

屏显每 5 秒钟更新一次。

(7) 加水控制:

H > H1-0.01(米)或η0 -η′≥[D+(D- D)/η0] αS(T- T0 /q时,  (17)

禁止加水:I水t= 4mA,注水阀和水泵(WP)关闭(OFF),q水t= 0。否则q水t按(10) 式,I水t 按(12)式计算,水泵开(ON)。当按(10) 式计算出的 q水t>q水Max时,I水t= 20mA,而取 q水t= q′= q水Max

(8) 加油控制:

H≤H1-0.01(米),且η0 -η′>[ D+ (D- D)/ η0 ]αS(T- T)η0 /q时,  (18)

要加注乳化母液,油泵(OP)开(ON);当 (η0 -η) V >q母Max*5秒时,I母t= 20mA,q母t= q母Max

当(η0-η)V ≤q母Max*5秒时,I母t= 4+16(η0-η) /η0 (mA),q母t= q母Max0 -η) /η0。  (19)

当 H>H1-0.01(米) 或η0-η′≤[D+(D- D) /η0]αS(T- T0 /q时,禁止加油:  (20)

I母t= 4 mA,加油阀和油泵(OP)关闭(OFF),q母t= 0。

(9) 蒸汽控制:当按 (11) 式算出的q蒸t ≥q蒸Max 时,取I蒸t= 20 mA,q蒸t= q蒸Max;否则 q蒸t 按 (11)式算,I蒸t 按 (13)式算。

(10) 报警:

槽液液位过高(H≥H1时) ; 槽液液位过低(H≤H2 时); 槽液浓度过高(η≥η1 时) ; 槽液浓度过低(η≤η2 时); 槽液温度过高(T≥T1 时) ;槽液温度过低(T≤T2 时) ;

η>η1,但实测 q= 0,水泵(WP)开(ON),而I=4mA,则是:注水阀故障;I水t>4mA,

而水泵(WP)关闭(OFF),则是:水泵故障;若水泵(WP)关闭(OFF),I=4mA,是:加水控制故障;若水泵(WP)开(ON),I水t> 4mA,液位上升而实测q= 0,则水管中的测流量的探头或对应的流量分析通道存在故障(报警:加水流量测量故障 1);

η<η2,但实测 q水t>0,H>H2时,水泵(WP)开(ON),I > 4mA,为:加水系统故障(从输出接口、D/A转换板到水泵(WP)、注水阀的系统内存在故障);

η<η2,η0-η′> [D+ (D- D)/η0 ]αS(T-T)η0/q返,但 q= 0,油泵(OP)开(ON),I= 4mA,则是:加油阀故障;I> 4mA,而油泵(OP)关闭(OFF),则是:油泵故障;若油泵(OP)关闭(OFF), I= 4mA,则是:加油控制故障;若油泵(OP)开(ON),I> 4mA,但 q母t= 0,则油管中的测流量的探头或对应的流量分析通道存在故障(报警:加油流量测量故障 1);

η>η1,但实测 q > 0 ,油泵(OP)开(ON),

I母t> 4mA,为:加油系统故障(从输出接口、D/A转换板到油泵(OP)、加油阀的系统内存在故障);若 ΔH= Σn

i=1 q水t′×5秒/diSi ≥0.002米(n 为每隔5秒的测量次数),但液位计读数无变化,则是:液位计故障(液位计精度优于 ± 0.001米);

正常情况下,q水t ≥q≈q水t′,q母t ≥q≈q母t′,q蒸t ≥q≈q蒸t′(计算值≥实测值≈控制值),q水t≥q水Max时,q= q′= q水Max,若q≠q水Max而 q′= q水Max,则是:注水流量测量故障 2;若q′≠q水Max,而 q= q水Max,则是:注水阀位置测量故障;

若q=q′< q水Max,则是:注水阀位置控制故障。q水t<q水Max 时,若q= q′=q水Max,则是:注水阀控制故障;若q水t ≈q,q≠q′,则是:注水流量测量故障3;q水t≈q,q≠q′,则是:注水阀控制或位置故障。

q母t≥q母Max 时,q= q′=q母Max,若q≠q母Max,而q′=q 母Max,则是:加油流量测量故障 2;

若q′≠q母Max 而 q= q母Max,则是:加油阀位置测量故障;

若q= q′< q母Max ,则是:加油阀位置控制故障。

qt<q母Max时,若q=q′=q母Max,则是:加油阀控制故障;若q母t≈q′,q≠q′,则是:加油流量测量故障3;q母t≈q,q≠q′,则是:加油阀控制或位置故障。

qt≥q蒸Max时,q= q′= q蒸Max,若q≠q蒸Max而q′= q蒸Max,则是:蒸汽流量测量故障1;

若q′≠q蒸Max而q= q蒸Max,则是:蒸汽阀位置测量故障;

若q= q′< q蒸Max,则是:蒸汽阀位置控制故障。

qt < q蒸Max 时,若 q= q′= q蒸Max,则是:蒸汽阀控制故障;若 qt ≈q′,q≠q′,则是:蒸汽流量测量故障2; qt ≈q,q≠q′,则是:蒸汽阀控制或位置故障。

正常情况下,T> T> T> T≥T≥T,故 T>T是:测T热电偶通道故障 1;T>T≥T2,是:测T热电偶通道故障1; T>T但 T>T>T,是:测T热电偶通道故障2;T2>T但 T<T,是:测T热电偶通道故障2;T>T2,是:测T热电偶通道故障1;T>T,是:测T热电偶通道故障1;T>T,是:测T热电偶通道故障1;T为 0.000℃ 或99.999℃,是:测T热电偶通道故障1;T为 0.000℃ 或99.999℃,是:测T热电偶通道故障3;T为 0.000℃或99.999℃,是:测T热电偶通道故障 3;T为 0.000℃或99.999℃,是:测T热电偶通道故障2;T为0.000℃或99.999℃,是:测 T热电偶通道故障2;T为0.000℃或99.999℃,是:测T热电偶通道故障2;T<100℃是:测T热电偶通道故障 1;T>150℃是:测 T热电偶通道故障2。

加水时η≤η′,若η>η′,是:测η的超声波浓度分析通道故障 1;若η为 0.00% 或99.99% ,是:测η的超声波浓度分析通道故障 2;

加油时η≤η′,若η>η′,是:测η′的超声波浓度分析通道故障 1;若η′为0.00% 或99.99% ,是:测η′的超声波浓度分析通道故障 2。

(11) 存盘要求:

每隔 5分钟将实时时间 (年、月、日、时、分),温度T、T、T、T、T、T、T,浓度η和η′,液位高度H, 5分钟内加水量

ΔQ= Σ60

i=1q水t′×5秒,  (21) 5分钟内加油量ΔR= Σ60

i=1q母t′×5秒  (22)

存盘;故障报警实时存盘(报警内容和时间);停机停产实时存盘。

(12) 修改预输入,需停止程序运行,也即需停机停产。再键入所修改的预输入量,并打入作此修改的操作者的姓名、修改的日期和时间。电脑将修改内容、作此修改的操作者的姓名、修改的日期和时间存盘,并在交接班时打印。修改公式和软件也如此。

(13) 停机:

修改预输入、修改公式和软件,工控机将自动停止工作程序运行,转入保温程序运行,关闭加水泵、阀,关闭加油泵、阀,关闭槽液输出泵、阀,停止轧机运行;完成这些后,关闭乳化液回收泵、阀。故障报警时,采用人工停止工作程序运行,转入保温程序运行,停机停产。轧钢机组发生故障而停机停产时,采用人工停止工作程序运行,转入保温程序运行,关闭加水泵、阀,关闭加油泵、阀,关闭槽液输出泵、阀,关闭乳化液回收泵、阀。故障排除后,轧钢机组要恢复生产,先检查注水、加油、槽液输出管道和回收液管道的人工截止阀是否打开,它们均应处完全打开状态;人工启动乳化液控制程序运行,开启槽液输出泵、阀,开启乳化液回收泵、阀;加水泵、阀,加油泵、阀,蒸汽阀的启闭由工控机程序控制。待T、η达到设定值后,启动轧钢机组,恢复生产。保温时,q蒸t=C1Q(T0-T+1℃)T0/AT(23) ,联合(1) 、(2) 和 (4) ,(13)和(15)就是保温程序。

停产更换槽液时,工控机不仅停止工作程序运行,也停止保温程序运行,工控机停机;关闭加水泵、阀,关闭加油泵、阀,关闭乳化液回收泵、阀,关闭槽液输出泵、阀,关闭加油、槽液输出管道和回收液管道的人工截止阀;人工开启槽液排放阀,放完后再用清水冲刷槽壁、磁过滤器、搅拌机、刮油器、投入式液位计和槽底;完成清洁后,关闭槽液排放阀。在这过程中完成工控机、智能化超声波流量、浓度分析仪,超声波流量、浓度分析探头,测温探头, 涡街流量计、电子伺服阀、投入式液位计的检测、校正,损坏件更换。排净回收液管道和中间储槽中的乳化液,并清洗这些设备。设备、器件、系统正常后,重放净水,加水泵、阀全开,q水t= q水Max;开放蒸汽加温,q蒸t= q蒸Max;液位达H2;关闭加水泵、阀;Q= q水Max(t-t0) (23),t0是开加水泵、阀的时刻,t 是关加水泵、阀的时刻; T达T0+1℃后,蒸汽阀控制按保温程序运行。加油管道、槽液输出管道和回收液管道的人工截止阀全开;加油泵、阀全开,加乳化母液,q母t= q母Max;开动搅拌机,η达η0后,关闭加油泵、阀;R0= q母Max(t-t0) (24) ,t0是开加油泵、阀的时刻,t是关加油泵、阀的时刻;工控机转入工作程序运行。η达η0,T达 T0+1℃后,开动乳化液输出电动阀与泵和回收液电动阀与泵,开动轧钢机组,恢复生产。

(14) 查询记录及打印拷贝时,不影响采样和控制程序的运行。可以打印η—— t、η′—— t 、T—— t 、H—— t、T—— t 、T—— t 曲线。

三、杂油的影响

1.如果轧钢机组经常漏油(主要是油膜轴承油),则回收的乳化液中混有“杂油”。于是,乳化液槽中杂油浓度越来越高。测出的乳化液浓度:

η=η,  (25)

η′=η′+η′。  (26)

状态方程的形式及解均如前,但计算公式中应有所修正:

d1=(1-η)/[1+γ(T-4℃)]+d0η/(1+γT)+dη/(1+γT)(吨/米3),  (1a)

K2=K(1-η′)/[1+γ(T- 4℃)]+Kd0η′/[1+γT]+Kdη′/[1+γT](焦耳/米3 •℃), (7a)

qt={[D+(D- D)/η0]αS( T0 + 1℃-T)+ (η′-η0)q00(米3 /秒),  (10a)

其余各计算公式如前。

D、D、a 、C1、K1等均为静态测试值,与杂油的混入无关;动态修正值α与杂油的混入也无关。

2.针对漏油的油品,实验室测定其 d( 0℃时的比重)、K(比热)、γ(体积膨胀系数) 。并在系统中安装高精度在线酸度计(测量精度至少为 0.01 PH) ;其探头就安装于超声浓度计探头安装处附近。酸度计的温度校正曲线由产品生产厂家测定,并存储在此酸度计内,自动进行温度补偿。在实验室测定不同浓度(η)的乳化液中含不同百分比浓度(β)的杂油时的酸度(pH)——温度(T) 曲线族。

根据我做的实验,

(1) 软水呈微酸性(6.2~6.3 PH),随温度升高PH值升高(70℃ 时接近 6.5 PH );

(2) 乳化液也呈微酸性,但低温时 PH 值却较软水高(η= 1% ,20℃时PH 值高于6.5),随温度升高PH 值则下降(酸度增加),在50℃左右后,酸度超过软水;

(3) 杂油含量越高,酸性越强,但在同η、同温度下,PH值的差异在小数点后第二、三位,故精度低的探头不可能用于在线分析;

在45~58℃范围内,杂油含量对PH 值的影响较明显,故高精度的探头可用于在线分析。

3.由于轧制是在特定的乳化液浓度η下进行的,根据该浓度η下不同百分比浓度(β)的杂油时的酸度(PH)——温度(T) 曲线族,作出 PH 的Δη和ΔT插补公式;在这浓度η的上下的不同浓度的乳化液中含不同百分比浓度(β)的杂油时的酸度(PH)——温度(T) 曲线族,分别作出 PH 的Δη 和ΔT插补公式,存入电脑。电脑根据此文件,根据测得的η值、T值和PH值,经插补运算,定出杂油的百分比浓度(β) ,η= βη,η=η(1 - β) ,η′=β′η′,η=η′(1 - β′) 。

于是,(1a)、(7a)、(10 a) 可算。

4.设定一个杂油的百分比浓度 N ,当 β≥ N 时,电脑发出报警讯号。操作者可以考虑停止轧制,更换乳化液;并修理设备,以减少轧机的漏油。

附注

注1:这是个技术发明专利,

国际专利号 :B21B 37/00 - 99100836,现已过保护期。

专利权人:宝山钢铁(集团)公司;

专利发明人:吕锦华。

注2:与此专利相关联的专利有:

(1) 带钢冷轧乳化液状态偏差极限自动控制系统

国内专利号:CN98111775.9,此专利现已过保护期。

专利权人:宝山钢铁(集团)公司;

专利发明人:吕锦华,徐耀寰,王康健,董宏伟。

(2) 带钢冷轧乳化液内杂油含量的在线实时自动分析

国内专利号:CN98111776.7,此专利现已过保护期。

专利权人:宝山钢铁(集团)公司;

专利发明人:吕锦华,徐耀寰,王康健。

(3) 超声波乳化液在线浓度计,这是个实用新型的技术专利, 国内专利号:ZL 97 2 02740.8

专利权人:宝山钢铁(集团)公司;同济大学

设计人:王康健,朱士明,徐耀寰,卢杰,吕锦华,梁军汀,董宏伟。

附注:该仪器的发明、设计、制作人是同济大学物理系声学专业朱士明教授,卢杰,梁军汀当时是其助手。其余人是宝钢冷轧厂项目实施者。

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