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浅谈冷轧机组清洗段循环系统控制

来源:宝钢工程技术集团有限公司作者:任明华发表时间:2019-05-29

 摘 要:清洗段是冷轧机组的重要组成部分,清洗段循环系统运行控制的精准程度对带钢清洗效果优劣影响巨大。本文对循环系统的温度控制、液位控制、碱液浓度控制进行了详细的说明,并结合工程实例介绍了一种液位、浓度控制方法,可有效减少碱液及纯水的消耗量。

 
在现有的冷轧机组中,清洗段是必不可少的一段工艺,其作用是去除带钢表面残留的油污和铁粉,为带钢进入后续工艺创造良好条件,清洗效果好坏将直接影响到产品带钢的表面质量。清洗段由带钢直接通过的在线工作槽和离线工作的循环系统共同组成,工作槽通过喷淋、浸洗、刷洗、电解等手段对带钢上下表面进行清洗,而循环系统则持续为工作槽提供满足要求的清洗液(碱液或热水)。可见,要得到良好的清洗效果,工作槽和循环系统必须共同发挥出应有的设计功能。而对于循环系统而言,要使其符合预期地发挥出设计功能,生产过程中的控制显得尤为重要。
 
1 清洗段循环系统的运行控制
所谓清洗段循环系统运行控制,就是要将循环系统关键的工艺参数精确而稳定地控制在设定值,使循环系统按设计要求,发挥出应有的清洗效果,保证带钢表面清洁度。对清洗段循环系统而言,温度、浓度及液位是最主要的几个控制因素。
 
1.1 温度控制
温度对碱液脱脂效果影响很大。根据碱液脱脂机理,带钢表面的油污主要是通过碱液的皂化作用和乳化作用得以去除,碱液温度升高,皂化反应的速率增加、乳化作用加强、清洗液的对流速度加快、油污的动力黏度降低更易于从带钢表面脱落、肥皂的溶解度增加使更多的油污能够溶解于清洗液中,综合这些有利因素,温度的升高能够显著提高带钢的清洗效果。而在漂洗段,温度对漂洗效果的影响主要体现在,温度升高,扩散及对流速度增加,使带钢表面残碱能更迅速地与漂洗水混合。控制要求:
 
一般而言,碱液温度控制在 70~85℃,从碱液喷淋到碱液刷洗再到电解清洗保持逐段递增的温度梯度,漂洗水温度控制在80℃左右,即可获得良好的清洗效果。继续提高碱液及漂洗水温度,带钢清洗效果提高不明显,却增加了大量能耗,且不利于循环系统的稳定控制。
 
控制方法:
碱清洗循环系统主循环管路上安装有蒸汽加热器,碱液在进入在线槽清洗带钢前先经过蒸汽加热器,与热侧的蒸汽进行热交换,得到热量,温度升高到设定值。加热器后管道上安装有温度传感器,进入加热器的蒸汽管道上安装有温度调节阀,温度调节阀与温度传感器连锁,温度传感器将实测出的碱液温度转换成 4-20mA 标准信号作为调节器的输入信号,调节器计算出测定值与设定值的偏差值并将这一偏差值通过一定规律的运算转换成 4-20mA 的电信号输出给调节阀,调节阀根据电信号对阀门开度进行调整。当实际测定温度比设定温度低时,调节器根据偏差进行运算后输出电流,适当增大阀门开度;增加蒸汽量,使碱液温度升高到设定温度;当实际测定温度比设定温度高时,调节器根据偏差大小运算后输出电流,适当减小阀门开度,减少蒸汽量,使碱液温度降低到设定温度。此外,在各循环罐上安装有就地显示的温度计,既可以检验温度传感器实测值的准确性,又可以在加热过程中实测出碱液经过换热器后的温升以检验换热器的换热效果。漂洗循环系统的温度控制方法与碱清洗循环系统基本类似,也是通过温度传感器与温度调节阀的连锁,控制调节阀的开度实现。非常好的的区别在于,碱清洗循环系统是通过蒸汽加热器间接换热,而漂洗循环系统是通过蒸汽直喷于漂洗循环罐内,加热的同时还能起到补水作用。
 
1.2 浓度控制
根据碱清洗原理,碱液通过皂化作用将动、植物性油脂分解成溶解于水的甘油和肥皂,使其脱离带钢表面得以去除。提高碱液浓度将加快皂化反应的速度,有利于油污的去除。但过高的 NaOH 浓度将降低肥皂的溶解度,不溶解的肥皂又将重新附着在带钢表面,反而影响了脱脂效率。
 
控制要求:碱液浓度的取值与带钢运行速度、带钢宽度、带钢表面清洁程度等有关。根据工程实践,清洗段循环系统碱液浓度控制在3~5%,即可取得良好的清洗效果,继续提高碱液浓度,对带钢清洗效果影响不大,反而增加药剂成本,意义不大。
 
控制方法:
碱液浓度(NaOH 溶液浓度)可通过实验室检测方法获得,但在实际生产中,一方面实验室检测结果必然滞后于循环系统实际浓度,另一方面通过实验室检测结果再去配液不利于实现自动化控制,因此,实际操作中,在循环管路上安装电导率计,以实测出的电导率值经换算得到碱液浓度。电导率值可通过查表的方法直接得到相应的浓度值,但此方法只适用于标准溶液和标准温度,实际生产中的碱液由于存在干扰离子且温度也是变化的,因此需要通过检化验多次取样检测,并将测定结果和取样时的电导率值记录成表,通过线性回归的方法拟合出适用于特定机组的电导率-浓度函数曲线。将此函数关系输入 PLC,再通过在线电导率计和液位计的实时监测,通过浓度配比公式计算出需要加入的浓碱液和纯水的量,实现自动配液。此外,即使已经拟合出了电导率-浓度函数曲线,也需要经常性的检化验,一是检验曲线的适用性,二是根据温度变化得到温度修正系数。
 
实际配液分两种情况,一是由于清洗过程中碱度的消耗导致电导率下降至某一设定值,此时需要配液,二是由于维持清洗液清洁度的需要,碱清洗段往往需要定期排放一部分清洗液,当液位下降至某一设定值时,也需要配液。
 
1.3 液位控制
循环系统的液位控制指的是各循环罐的液位。各循环罐的液位控制虽与带钢清洗效果并无直接关系,但却关系到整个循环系统乃至整个清洗段的运行稳定。如果液位控制不当,可能造成以下几种不良状况:a. 低低液位设定不当导致循环泵吸空停泵;b.高高液位设定不当导致清洗液溢流造成浪费;c.高低液位设定不当导致频繁补液补水;d. 高低液位设定不当导致循环罐有效利用率过低。
 
控制要求:
以碱洗循环罐为例,其有效高度为 h(即罐底到溢流口中心的高度),从上到下,其液位一般可分为 6 个控制点,即:HHH 液位,HHH=h,即溢流液位;HH 液位,初次填充时的补液补水中止液位,到达这一液位,循环罐的补液补水自动阀门必须关闭,不然可能出现超高液位溢流,HH 液位一般距离溢流口至少 200-300mm;H 液位,机组运行时的补液补水中止液位,HH 液位与 H液位的差值对应的水量即为循环系统运行时循环管路及在线槽内水量的总合;L 液位,机组运行时的补液补水起始液位,即循环系统运行过程中,一旦液位下降至此高度,立即启动配液补水程序;LL 液位,循环泵启动液位;LLL 液位,停泵报警液位,此液位设定值应高于循环泵吸口至少 300mm,一旦液位下降至此液位,必须停泵以防泵吸空。在实际控制中需要注意的两点是,一方面,H 与 L 液位的设定应仔细斟酌,其差值既不能过小也不能过大,差值过小,则循环罐补水补液频繁,有效利用率低,差值过大,则浓度变化范围较大,不利于浓度的稳定控制;另一方面,H 液位与溢流液位之间应有足够的高差,这是基于消泡的考虑,根据工程经验,循环罐顶部应留有适当空间以利于泡沫在涌泡过程中自然破裂,减少泡沫溢流量。
 
2 一种减少清洗段循环系统碱耗水耗的液位、浓度控制方法
 
某钢厂连退机组清洗段采用如下工艺:一级碱喷淋→一级碱刷洗→二级碱喷淋→二级碱刷洗→电解清洗→热水刷洗→热水漂洗→烘干,一级碱喷淋和一级碱刷洗共用一个循环罐,即 1# 碱洗循环罐,二级碱喷淋和二级碱刷洗共用一个循环罐,即 2# 碱洗循环罐,电解清洗、热水刷洗、热水漂洗各有一个独立的循环罐,各循环罐与在线槽之间通过管道、设备等构成各自的循环系统。
 
按照常规控制法,一级碱洗、二级碱洗、电解清洗循环系统各自独立,相互隔绝,即 1# 碱洗循环罐的碱液仅用于一级碱喷淋和一级碱刷洗,2# 碱洗循环罐的碱液仅用于二级碱喷淋和二级碱刷洗,电解清洗循环罐的碱液仅用于电解清洗,其配液也是根据各自循环罐的液位,低液位开始补水补液,高液位停止配液。液位之所以持续降低,是因为在各在线槽底部有一个小流量的常排放,排放掉污染程度相对较高的一部分碱液以保持碱液清洁度。而在热水漂洗和刷洗循环系统,新鲜的冷凝水持续补充在漂洗槽最后一级,多余的漂洗水则通过溢流管持续流向刷洗循环罐,最后从刷洗循环罐溢流。这样的控制方法,脉络清晰,控制简单,操作性强,但其弊端也很明显:碱清洗循环系统的清洗液独立配液独立排放,完全没有重复利用;漂洗水复用于刷洗段,仅一级复用,重复利用率低。
 
现介绍一种改进的液位、浓度控制方法,采用该方法后,可明显减少清洗段循环系统的补碱补水量,具体方法如下:冷凝水泵以 5m3/h 的流量向漂洗槽最顶上两排喷梁供给新鲜的冷凝水,这部分冷凝水回流至漂洗水循环罐。漂洗水循环罐接收 5m3/h 的干净冷凝水的补给,为保持液位平衡,这部分冷凝水量须向前面几级串流:a.通过漂洗水泵后向电解清洗循环罐的串流管道向电解清洗循环罐供水;b. 通过与3# 刷洗循环罐的连通管向 3# 刷洗循环罐供水。调试时,通过调节漂洗循环泵后通向电解循环罐的串流管路上的截止阀的开度大小控制向电解清洗循环罐的补水流量为 2.5m3/h 左右,则另外 2.5m3/h 的流量溢流到 3# 刷洗循环罐。3# 刷洗循环罐持续接收 2.5m3/h 的漂洗水补给,液位持续升高,最终通过溢流管排出。
 
电解清洗循环罐持续接收 2.5m3/h 的漂洗水补给,碱液浓度持续下降,当浓度降低到一定程度(电导率计低限),打开原碱液补液阀,补充原碱液,碱液浓度随之上升,当浓度升高到一定程度(电导率计高限),关闭原碱液补液阀。为保持电解清洗循环罐液位平衡,须向 2# 碱洗循环罐串流,通过电解清洗循环泵向2# 碱洗循环罐串流管路向 2# 碱洗循环罐补液。调试时,通过调节串流管路上的截止阀的开度大小控制向 2# 碱洗循环罐的补水流量为 2.5m3/h 左右。2# 碱洗循环罐持续接收来自电解清洗循环罐的 2.5m3/h 的碱液补给,液位持续上升,最终通过与 1# 碱洗循环罐的连通管溢流至 1# 碱洗循环罐。1# 碱洗循环罐持续接收来自 2# 碱洗循环罐的 2.5m3/h 的碱液补给,多余的污染碱液通过 1# 碱洗槽的底部排放阀排放。
 
总的控制思路:仅向热水漂洗循环罐补充干净的冷凝水,仅从电解清洗循环罐补充原碱液,污染碱液仅从 1# 碱洗系统排放。
相对于原控制方法,该改进的液位、浓度控制方法具有以下优势:a. 新配制的碱液在最终排放前必然经过电解清洗、2# 碱洗、1# 碱洗,重复利用率高,整个清洗段碱耗大幅度降低;b.漂洗水一部分复用于刷洗段,一部分作为碱清洗系统的补水,节约了水耗,漂洗水中的残碱和热量也得到了利用;c.整个循环系统中各循环罐液位处于平衡状态,有利于清洗段稳定运行;d.原控制方法下,各循环罐上的补水补液自动阀、冷凝水泵频繁启闭,而该方法仅向热水漂洗循环罐补充冷凝水,仅从电解清洗循环罐补充原碱液,控制更为简单,设备故障率也得以降低。
 
3 结论
冷轧机组清洗工艺经过数十年的发展,已经具有十分成熟的工艺体系,而如何在生产过程中稳定、高效地对其进行控制,使得机组能够在获得高表面质量带钢产品的同时,节水节能,减少药剂消耗,尚有深入研究的空间,这也将是未来一段时间设计工作的重点攻关方向。
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