CN102260774A - 多参数控制的水冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多参数控制的水冷却系统。它具有对冷却水温度、压力和流量分别进行调节的三个控制单元，温度检测开关检测的水温信号传输给PLC可编程控制器，PLC可编程控制器通过控制蒸汽电动阀的开关调节保温水箱内冷却水的温度；压力检测器检测的信号传输给PLC可编程控制器，PLC可编程控制器通过调节变频电机频率控制泵的转速进而调节冷却水压力；电磁流量计检测各冷却管路的流量并将信号传输给PLC可编程控制器，PLC可编程控制器通过控制各调节阀调节各冷却管路的流量。它提高了冷却水的温度、压力、流量的调节范围和精度，且三个参数可独立调节，相关性小；改善了材料性能，确保材料的组织细化，提高了材料的洁净度和均匀度。

Description

多参数控制的水冷却系统

技术领域

本发明涉及一种对金属材料进行水冷却处理的水冷却系统，特别涉及一种可提高材料洁净度和均匀度的多参数控制的水冷却系统。

背景技术

目前，国家产业政策积极鼓励新型金属材料产业向高新技术产品方向发展，从而推动国内新型金属材料产业的迅速发展，产品产出持续扩张。国内企业对新型金属材料产业的关注也越来越密切，新增投资呈上涨趋势，“十二五”期间新型金属材料产业的重点领域将成为热点问题。新型金属材料主要应用在包括石油化工、机械电力、医疗卫生、建筑建材、家电通讯、国防建设、能源开发、交通运输以及高科技产业等各个方面。其重点的发展方向为提高材料性能、延长使用寿命，在质量上向组织细化和精确控制，以及提高材料的洁净度和高均匀度方面发展。

在整个材料的生产过程中，水冷却处理工艺对材料的组织细化和精确控制起到了决定性的作用。当前国产的水冷却系统中对冷却水的控制简单，多数不对温度作要求，有要求的也未对其调节精度和范围进行精确的控制，压力和流量控制的范围、精度及响应时间也不作严格要求，对材料的奥氏体相变及析出控制能力差、手段少，不能满足市场对新型材料的研发和生产日益提高的需求。

而国际上先进的技术，例如比利时的CRM，德国SMS和LOI的工艺，日本Kawasaki和NSC的工艺均对水冷却工艺中的温度、压力和流量进行了控制。但随着金属新材料的开发和研究进展，其各参数的调节能力和控制精度也接近极限，所以期待开发一种新的水冷却系统来适应材料研究和生产的应用。国内水冷却系统当前的压力调整范围一般为2～3倍，流量为2～5倍，而且其参数的相关性较强，改变其中一个参数时，另一个参数也会发生变化。新型金属材料要求其冷却速度快，冷却效果均匀。以钢铁为例，新型材料要求对钢材实现每秒几百度的超快速冷却，可以使材料在极短的时间内，迅速通过奥氏体相区，将硬化奥氏体“冻结”到动态相变点，为保持奥氏体的硬化状态和进一步进行相变控制提供了重要基础条件。此外，还要精确控制快速冷却的终止点，即在到达动态相变点时及时终止超快速冷却，通过控制冷却装置的细分，可以保证终止温度的精确控制。而国内现有的设备能力不能满足要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了对传统的水冷却系统进行改善和提高，以满足新型金属材料研发和生产的要求，确保新型材料在组织细化、洁净度和均匀度方面的质量稳定，提供了一种多参数控制的水冷却系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多参数控制的水冷却系统，具有一个对材料进行冷却的水系统循环回路，水系统循环回路中设有保温水箱，保温水箱上接有水系统进水管和水系统回水管，水系统循环回路中设有对冷却水的温度、压力、流量分别进行控制的三个控制单元，所述的三个控制单元分别是冷却水温度控制单元、冷却水压力控制单元和冷却水流量控制单元，所述的三个控制单元的控制器为PLC可编程控制器；

冷却水温度控制单元具有温度检测开关和蒸汽电动阀，温度检测开关设置在保温水箱内部，蒸汽电动阀连接在保温水箱外部的蒸汽管上，温度检测开关检测的水温信号传输给PLC可编程控制器，PLC可编程控制器通过控制蒸汽电动阀的开关进而调节保温水箱内冷却水的温度；

冷却水压力控制单元具有由变频电机驱动的泵，泵设置在水系统循环回路中，泵的出口处设置有压力检测器，压力检测器检测的压力信号传输给PLC可编程控制器，PLC可编程控制器通过调节变频电机的频率控制泵的转速进而调节冷却水的压力；

冷却水流量控制单元具有调节阀和电磁流量计，各冷却管上均安装调节阀和电磁流量计，电磁流量计检测各冷却管路的流量并将信号传输给PLC可编程控制器，PLC可编程控制器通过控制各调节阀调节各冷却管路的流量。

保温水箱上连接有溢流管，溢流管上安装有流量调节阀，通过流量调节阀调节溢流管路的流量，配合泵的转速，可在水冷系统中调节出不同压力。

本发明的有益效果是：改善了材料的性能，延长了其使用寿命，确保了材料的组织细化，提高了材料的洁净度和均匀度；

比传统水冷却系统，增加了温度控制单元，采用温度检测开关和PLC可编程控制器对水箱内的水温进行闭环控制，可使冷却水的温度在室温～95℃范围内可控，精度达到±3％，为金属材料的冷却速度控制创造了必要的条件；

采用变频控制系统提高了冷却水的压力调整范围，增加了泵出口的压力检测器，实现了冷却水压力的闭环控制，压力控制范围为2～20bar，是传统调整范围的3倍，调整精度达到P_设定值±2.5％，是传统调整精度的1/2，压力调整的响应时间(从启动到稳定)≤2.5s，是传统时间的1/2；

采用电磁流量计检测，调节阀控制各冷却点的流量，相同级的管路的流量比可达到1∶2.5，比传统的方法提高了50％，单级管路流量调节范围达到1∶10，是传统方法的3倍，动态响应速度为2s，比传统方法的时间少了50％；

三种参数均可独立调节，其相关性很小。

附图说明

图1是本发明中水冷却的温度控制原理图；

图2是本发明中水冷却的压力控制原理图；

图3是本发明中水冷却的流量控制原理图；

图4是本发明的水冷却处理技术流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～4所示，一种多参数控制的水冷却系统，具有一个对材料进行冷却的水系统循环回路，水系统循环回路中设有保温水箱1，保温水箱1上接有水系统进水管2和水系统回水管3，水系统循环回路中设有对冷却水的温度、压力、流量分别进行控制的三个控制单元，所述的三个控制单元分别是冷却水温度控制单元、冷却水压力控制单元和冷却水流量控制单元，所述的三个控制单元的控制器为PLC可编程控制器4。

如图1、4所示，冷却水温度控制单元具有温度检测开关5和蒸汽电动阀6，温度检测开关5设置在保温水箱1内部，蒸汽电动阀6连接在保温水箱1外部的蒸汽管9上，温度检测开关5检测的水温信号传输给PLC可编程控制器4，PLC可编程控制器4通过控制蒸汽电动阀6的开关进而调节保温水箱1内冷却水的温度；具体调整过程：由水位检测开关检测保温水箱1中的水位，在指定的工况下，PLC可编程控制器4打开电动阀进水，当水位检测开关检测到水位到达指定位置后，停止进水；由温度检测开关5检测水温与设定值的偏差，若温度低，则PLC可编程控制器4通过开启蒸汽电动阀6给水加温，当保温水箱中水温达到设定值后，关闭蒸汽电动阀6，停止加温。

如图2、4所示，冷却水压力控制单元具有由变频电机驱动的泵7，泵7设置在水系统循环回路中，泵7的出口处设置有压力检测器8，压力检测器8检测的压力信号传输给PLC可编程控制器4，PLC可编程控制器4通过调节变频电机的频率控制泵7的转速进而调节冷却水的压力；保温水箱1上连接有溢流管11，溢流管11上安装有流量调节阀12，流量调节阀12用于调节溢流管11路中的流量，配合泵7的转速，可在提高冷却水的压力调节范围；具体的调整过程：在工作前的准备时间内，变频电机以接近工作的频率工作，气动阀门10关闭，气动阀门14打开，此时，整个水系统进行内部循环；当材料22需进行水冷时，PLC可编程控制器4打开气动阀门10，关闭气动阀门14，同时将变频电机调到工作频率带动泵旋转，使系统压力迅速达到工作压力。

如图3、4所示，冷却水流量控制单元具有调节阀13、16、18、20和电磁流量计15、17、19，各调节阀13、16、18、20分别安装在各冷却管上，各电磁流量计15、17、19也分别安装在各冷却管上，各电磁流量计15、17、19检测各冷却管路的流量并将信号传输给PLC可编程控制器4，PLC可编程控制器4通过控制各调节阀13、16、18、20调节各冷却管路的流量；其中调节阀13、16是一对相关阀门，增大调节阀13的同时减小调节阀16的开度，可使系统的响应时间提高一倍。

冷却水的温度、压力和流量控制原理的具体分析如下。

冷却水温度控制单元是利用蒸汽对冷却水加热，并由温度检测开关检测后经变送器输入PLC可编程控制器，通过PLC可编程控制器控制蒸汽阀门的开闭，控制蒸汽量的多少，最终使冷却水达到要求的温度。它可以达到：控制冷却水的温度调节范围：室温～95℃；加热温度的误差在±3℃以内；热蒸汽直接同水混合，不会产生额外的冷却水。解决了现有传统水冷系统中不进行水温控制的缺点，对冷却水的温度控制可提高对材料的沸腾冷却阶段的准备时间(既冷却水温度到沸点的时间)，水温越高，准备时间越短。开始沸腾冷却后，此阶段材料与高温水直接接触，高温水在材料表面激烈沸腾，不断逸出的气泡带走了大量的热量，所以材料的冷却速度很大。由此便可控制材料从高温到水温区域的冷却速度，为高速冷却提供有利的条件。

冷却水压力控制单元是在水系统中增加一路带有流量调节阀的溢流管路，通过流量调节阀门控制溢流管路中的流量，与此同时，配合泵的转速(由变频电机驱动)，在系统中建立不同压力。目的是要达到：控制冷却水的冷却压力调节范围2～20bar。解决了现有传统水冷系统中水系压力调节范围窄的缺陷。当冷却水喷射到材料表面的瞬间，会立即被加热而汽化，在材料表面上形成一层蒸气膜。由于膜的导热性能差，鼓被其包围隔绝的工件冷速是很慢的。初期，由于材料放出的热量大于介质从蒸气膜吸走的热量，所以膜不断增厚。冷却水压力的调节可依靠水的打击力破坏蒸气膜，从而使材料进入沸腾冷却阶段，从而实现快速冷却。压力调节范围的增大提高了冷却阶段破坏蒸气膜的能力，解决新型材料对冷却速度要求高的趋势。

冷却水流量控制单元是解决传统水系统中各冷却点的流量控制问题。冷却水各点的流量通过流量调阀和电磁流量计实现闭环控制。由于在同一新材料的试制或生产中要保证冷却的均匀性，所以系统中各个冷却点所需的水量不同，通过在每个冷却点增加相应的检测元件和调节元件来实现流量的调节。通过对流量进行控制，相同级的管路的流量比可达到1∶2.5，比传统的方法提高了50％；单级管路流量调节范围达到1∶10，是传统方法的3倍；动态响应速度为2s，比传统方法的时间少了50％。

为拓宽其适应范围，在增加前三项相应硬件的基础上，对PLC可编程控制器的控制软件作相应的修改，以保证压力、流量和温度这三个参数在90％的范围内可进行独立调节。由此，极大的丰富了水冷却系统的工作范围，提高了工艺的科学性和设备的性价比。

多参数控制的水冷却系统的实现可根据各单位现有的不同配置灵活变动，只需对现有的水系统进行一定的改进措施既可大满足新的要求。可投入较小的资金，便大幅度提高研发和生产能力。例如，可单独增加温度调节或压力调节，也可在系统中单加软件，对原有的系统进行优化。

多参数控制的水冷却系统适用范围：金属材料包括钢铁、铜、铝等金属的水冷却；材料宽度：200～450mm；材料厚度：5～80mm；材料最大冷却速度：100℃/s；表面冷却温度偏差：T±2.5％。

多参数控制的水冷却系统的应用范围很广，例如：热轧钢板的控轧控冷，冷轧板的表面清冼、集装箱罐体封头的固溶处理、轧钢工作辊的强制冷却、钢铁耐磨材料生产、铝铸轧工艺、再生铝的生产工艺及铜退火工艺中都需要水冷却环节。所以多参数控制的水冷却系统可推广到上述的工艺中，来研发和生产出更多的新材料。

Claims (2)

1.一种多参数控制的水冷却系统，具有一个对材料进行冷却的水系统循环回路，水系统循环回路中设有保温水箱(1)，保温水箱(1)上接有水系统进水管(2)和水系统回水管(3)，其特征在于：水系统循环回路中设有对冷却水的温度、压力、流量分别进行控制的三个控制单元，所述的三个控制单元分别是冷却水温度控制单元、冷却水压力控制单元和冷却水流量控制单元，所述的三个控制单元的控制器为PLC可编程控制器(4)；

所述的冷却水温度控制单元具有温度检测开关(5)和蒸汽电动阀(6)，温度检测开关(5)设置在保温水箱(1)内部，蒸汽电动阀(6)连接在保温水箱(1)外部的蒸汽管上，温度检测开关(5)检测的水温信号传输给PLC可编程控制器(4)，PLC可编程控制器(4)通过控制蒸汽电动阀(6)的开关进而调节保温水箱(1)内冷却水的温度；

所述的冷却水压力控制单元具有由变频电机驱动的泵(7)，泵(7)设置在水系统循环回路中，泵(7)的出口处设置有压力检测器(8)，压力检测器(8)检测的压力信号传输给PLC可编程控制器(4)，PLC可编程控制器(4)通过调节变频电机的频率控制泵(7)的转速进而调节冷却水的压力；

所述的冷却水流量控制单元具有调节阀(13、16、18、20)和电磁流量计(15、17、19)，各调节阀(13、16、18、20)分别安装在各冷却管上，各电磁流量计(15、17、19)也分别安装在各冷却管上，各电磁流量计(15、17、19)检测各冷却管路的流量并将信号传输给PLC可编程控制器(4)，PLC可编程控制器(4)通过控制各调节阀(13、16、18、20)调节各冷却管路的流量。

2.根据权利要求1所述的多参数控制的水冷却系统，其特征在于：所述的保温水箱(1)上连接有溢流管(11)，溢流管(11)上安装有流量调节阀(12)。

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