專利名稱：多參數控制的水冷卻系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對金屬材料進行水冷卻處理的水冷卻系統，特別涉及一種可提高材料潔凈度和均勻度的多參數控制的水冷卻系統。
背景技術：
目前，國家產業政策積極鼓勵新型金屬材料產業向高新技術產品方向發展，從而推動國內新型金屬材料產業的迅速發展，產品產出持續擴張。國內企業對新型金屬材料產業的關注也越來越密切，新增投資呈上漲趨勢，“十二五”期間新型金屬材料產業的重點領域將成為熱點問題。新型金屬材料主要應用在包括石油化工、機械電力、醫療衛生、建筑建材、家電通訊、國防建設、能源開發、交通運輸以及高科技產業等各個方面。其重點的發展方向為提高材料性能、延長使用壽命，在質量上向組織細化和精確控制，以及提高材料的潔凈度和高均勻度方面發展。在整個材料的生產過程中，水冷卻處理工藝對材料的組織細化和精確控制起到了決定性的作用。當前國產的水冷卻系統中對冷卻水的控制簡單，多數不對溫度作要求，有要求的也未對其調節精度和范圍進行精確的控制，壓力和流量控制的范圍、精度及響應時間也不作嚴格要求，對材料的奧氏體相變及析出控制能力差、手段少，不能滿足市場對新型材料的研發和生產日益提高的需求。而國際上先進的技術，例如比利時的CRM，德國SMS和LOI的工藝，日本Kawasaki 和NSC的工藝均對水冷卻工藝中的溫度、壓力和流量進行了控制。但隨著金屬新材料的開發和研究進展，其各參數的調節能力和控制精度也接近極限，所以期待開發一種新的水冷卻系統來適應材料研究和生產的應用。國內水冷卻系統當前的壓力調整范圍一般為2 3 倍，流量為2 5倍，而且其參數的相關性較強，改變其中一個參數時，另一個參數也會發生變化。新型金屬材料要求其冷卻速度快，冷卻效果均勻。以鋼鐵為例，新型材料要求對鋼材實現每秒幾百度的超快速冷卻，可以使材料在極短的時間內，迅速通過奧氏體相區，將硬化奧氏體“凍結”到動態相變點，為保持奧氏體的硬化狀態和進一步進行相變控制提供了重要基礎條件。此外，還要精確控制快速冷卻的終止點，即在到達動態相變點時及時終止超快速冷卻，通過控制冷卻裝置的細分，可以保證終止溫度的精確控制。而國內現有的設備能力不能滿足要求。
發明內容
本發明解決的技術問題是為了對傳統的水冷卻系統進行改善和提高，以滿足新型金屬材料研發和生產的要求，確保新型材料在組織細化、潔凈度和均勻度方面的質量穩定，提供了一種多參數控制的水冷卻系統。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種多參數控制的水冷卻系統，具有一個對材料進行冷卻的水系統循環回路，水系統循環回路中設有保溫水箱，保溫水箱上接有水系統進水管和水系統回水管，水系統循環回路中設有對冷卻水的溫度、壓力、流量分別進行控制的三個控制單元，所述的三個控制單元分別是冷卻水溫度控制單元、冷卻水壓力控制單元和冷卻水流量控制單元，所述的三個控制單元的控制器為PLC可編程控制器；冷卻水溫度控制單元具有溫度檢測開關和蒸汽電動閥，溫度檢測開關設置在保溫水箱內部，蒸汽電動閥連接在保溫水箱外部的蒸汽管上，溫度檢測開關檢測的水溫信號傳輸給PLC可編程控制器，PLC可編程控制器通過控制蒸汽電動閥的開關進而調節保溫水箱內冷卻水的溫度；冷卻水壓力控制單元具有由變頻電機驅動的泵，泵設置在水系統循環回路中，泵的出口處設置有壓力檢測器，壓力檢測器檢測的壓力信號傳輸給PLC可編程控制器，PLC可編程控制器通過調節變頻電機的頻率控制泵的轉速進而調節冷卻水的壓力；冷卻水流量控制單元具有調節閥和電磁流量計，各冷卻管上均安裝調節閥和電磁流量計，電磁流量計檢測各冷卻管路的流量并將信號傳輸給PLC可編程控制器，PLC可編程控制器通過控制各調節閥調節各冷卻管路的流量。保溫水箱上連接有溢流管，溢流管上安裝有流量調節閥，通過流量調節閥調節溢流管路的流量，配合泵的轉速，可在水冷系統中調節出不同壓力。本發明的有益效果是改善了材料的性能，延長了其使用壽命，確保了材料的組織細化，提高了材料的潔凈度和均勻度；比傳統水冷卻系統，增加了溫度控制單元，采用溫度檢測開關和PLC可編程控制器對水箱內的水溫進行閉環控制，可使冷卻水的溫度在室溫 95°C范圍內可控，精度達到士3%，為金屬材料的冷卻速度控制創造了必要的條件；采用變頻控制系統提高了冷卻水的壓力調整范圍，增加了泵出口的壓力檢測器， 實現了冷卻水壓力的閉環控制，壓力控制范圍為2 20bar，是傳統調整范圍的3倍，調整精度達到？^^士2.5%，是傳統調整精度的1/2，壓力調整的響應時間(從啟動到穩定)彡2. 5s，是傳統時間的1/2;采用電磁流量計檢測，調節閥控制各冷卻點的流量，相同級的管路的流量比可達到1 2. 5，比傳統的方法提高了 50%，單級管路流量調節范圍達到1 10，是傳統方法的 3倍，動態響應速度為2s，比傳統方法的時間少了 50% ；三種參數均可獨立調節，其相關性很小。
圖1是本發明中水冷卻的溫度控制原理圖；圖2是本發明中水冷卻的壓力控制原理圖；圖3是本發明中水冷卻的流量控制原理圖；圖4是本發明的水冷卻處理技術流程圖。
具體實施例方式現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。如圖1 4所示，一種多參數控制的水冷卻系統，具有一個對材料進行冷卻的水系統循環回路，水系統循環回路中設有保溫水箱1，保溫水箱1上接有水系統進水管2和水系統回水管3，水系統循環回路中設有對冷卻水的溫度、壓力、流量分別進行控制的三個控制單元，所述的三個控制單元分別是冷卻水溫度控制單元、冷卻水壓力控制單元和冷卻水流量控制單元，所述的三個控制單元的控制器為PLC可編程控制器4。如圖1、4所示，冷卻水溫度控制單元具有溫度檢測開關5和蒸汽電動閥6，溫度檢測開關5設置在保溫水箱1內部，蒸汽電動閥6連接在保溫水箱1外部的蒸汽管9上，溫度檢測開關5檢測的水溫信號傳輸給PLC可編程控制器4，PLC可編程控制器4通過控制蒸汽電動閥6的開關進而調節保溫水箱1內冷卻水的溫度；具體調整過程由水位檢測開關檢測保溫水箱1中的水位，在指定的工況下，PLC可編程控制器4打開電動閥進水，當水位檢測開關檢測到水位到達指定位置后，停止進水；由溫度檢測開關5檢測水溫與設定值的偏差， 若溫度低，則PLC可編程控制器4通過開啟蒸汽電動閥6給水加溫，當保溫水箱中水溫達到設定值后，關閉蒸汽電動閥6，停止加溫。如圖2、4所示，冷卻水壓力控制單元具有由變頻電機驅動的泵7，泵7設置在水系統循環回路中，泵7的出口處設置有壓力檢測器8，壓力檢測器8檢測的壓力信號傳輸給 PLC可編程控制器4，PLC可編程控制器4通過調節變頻電機的頻率控制泵7的轉速進而調節冷卻水的壓力；保溫水箱1上連接有溢流管11，溢流管11上安裝有流量調節閥12，流量調節閥12用于調節溢流管11路中的流量，配合泵7的轉速，可在提高冷卻水的壓力調節范圍；具體的調整過程在工作前的準備時間內，變頻電機以接近工作的頻率工作，氣動閥門 10關閉，氣動閥門14打開，此時，整個水系統進行內部循環；當材料22需進行水冷時，PLC 可編程控制器4打開氣動閥門10，關閉氣動閥門14，同時將變頻電機調到工作頻率帶動泵旋轉，使系統壓力迅速達到工作壓力。如圖3、4所示，冷卻水流量控制單元具有調節閥13、16、18、20和電磁流量計15、 17、19，各調節閥13、16、18、20分別安裝在各冷卻管上，各電磁流量計15、17、19也分別安裝在各冷卻管上，各電磁流量計15、17、19檢測各冷卻管路的流量并將信號傳輸給PLC可編程控制器4，PLC可編程控制器4通過控制各調節閥13、16、18、20調節各冷卻管路的流量；其中調節閥13、16是一對相關閥門，增大調節閥13的同時減小調節閥16的開度，可使系統的響應時間提高一倍。冷卻水的溫度、壓力和流量控制原理的具體分析如下。冷卻水溫度控制單元是利用蒸汽對冷卻水加熱，并由溫度檢測開關檢測后經變送器輸入PLC可編程控制器，通過PLC可編程控制器控制蒸汽閥門的開閉，控制蒸汽量的多少，最終使冷卻水達到要求的溫度。它可以達到控制冷卻水的溫度調節范圍室溫 95°C; 加熱溫度的誤差在士3°C以內；熱蒸汽直接同水混合，不會產生額外的冷卻水。解決了現有傳統水冷系統中不進行水溫控制的缺點，對冷卻水的溫度控制可提高對材料的沸騰冷卻階段的準備時間(既冷卻水溫度到沸點的時間)，水溫越高，準備時間越短。開始沸騰冷卻后， 此階段材料與高溫水直接接觸，高溫水在材料表面激烈沸騰，不斷逸出的氣泡帶走了大量的熱量，所以材料的冷卻速度很大。由此便可控制材料從高溫到水溫區域的冷卻速度，為高速冷卻提供有利的條件。冷卻水壓力控制單元是在水系統中增加一路帶有流量調節閥的溢流管路，通過流量調節閥門控制溢流管路中的流量，與此同時，配合泵的轉速(由變頻電機驅動)，在系統中建立不同壓力。目的是要達到控制冷卻水的冷卻壓力調節范圍2 20bar。解決了現有傳統水冷系統中水系壓力調節范圍窄的缺陷。當冷卻水噴射到材料表面的瞬間，會立即被加熱而汽化，在材料表面上形成一層蒸氣膜。由于膜的導熱性能差，鼓被其包圍隔絕的工件冷速是很慢的。初期，由于材料放出的熱量大于介質從蒸氣膜吸走的熱量，所以膜不斷增厚。冷卻水壓力的調節可依靠水的打擊力破壞蒸氣膜，從而使材料進入沸騰冷卻階段，從而實現快速冷卻。壓力調節范圍的增大提高了冷卻階段破壞蒸氣膜的能力，解決新型材料對冷卻速度要求高的趨勢。冷卻水流量控制單元是解決傳統水系統中各冷卻點的流量控制問題。冷卻水各點的流量通過流量調閥和電磁流量計實現閉環控制。由于在同一新材料的試制或生產中要保證冷卻的均勻性，所以系統中各個冷卻點所需的水量不同，通過在每個冷卻點增加相應的檢測元件和調節元件來實現流量的調節。通過對流量進行控制，相同級的管路的流量比可達到1 2. 5，比傳統的方法提高了 50%;單級管路流量調節范圍達到1 10，是傳統方法的3倍；動態響應速度為2s，比傳統方法的時間少了 50%。為拓寬其適應范圍，在增加前三項相應硬件的基礎上，對PLC可編程控制器的控制軟件作相應的修改，以保證壓力、流量和溫度這三個參數在90%的范圍內可進行獨立調節。由此，極大的豐富了水冷卻系統的工作范圍，提高了工藝的科學性和設備的性價比。多參數控制的水冷卻系統的實現可根據各單位現有的不同配置靈活變動，只需對現有的水系統進行一定的改進措施既可大滿足新的要求。可投入較小的資金，便大幅度提高研發和生產能力。例如，可單獨增加溫度調節或壓力調節，也可在系統中單加軟件，對原有的系統進行優化。多參數控制的水冷卻系統適用范圍金屬材料包括鋼鐵、銅、鋁等金屬的水冷卻； 材料寬度200 450mm ；材料厚度5 80mm ；材料最大冷卻速度100°C /s ；表面冷卻溫度偏差T士2. 5%。多參數控制的水冷卻系統的應用范圍很廣，例如熱軋鋼板的控軋控冷，冷軋板的表面清冼、集裝箱罐體封頭的固溶處理、軋鋼工作輥的強制冷卻、鋼鐵耐磨材料生產、鋁鑄軋工藝、再生鋁的生產工藝及銅退火工藝中都需要水冷卻環節。所以多參數控制的水冷卻系統可推廣到上述的工藝中，來研發和生產出更多的新材料。
權利要求
1.一種多參數控制的水冷卻系統，具有一個對材料進行冷卻的水系統循環回路，水系統循環回路中設有保溫水箱(1)，保溫水箱(1)上接有水系統進水管( 和水系統回水管 (3)，其特征在于水系統循環回路中設有對冷卻水的溫度、壓力、流量分別進行控制的三個控制單元，所述的三個控制單元分別是冷卻水溫度控制單元、冷卻水壓力控制單元和冷卻水流量控制單元，所述的三個控制單元的控制器為PLC可編程控制器(4)；所述的冷卻水溫度控制單元具有溫度檢測開關(5)和蒸汽電動閥(6)，溫度檢測開關 (5)設置在保溫水箱⑴內部，蒸汽電動閥(6)連接在保溫水箱⑴外部的蒸汽管上，溫度檢測開關( 檢測的水溫信號傳輸給PLC可編程控制器(4)，PLC可編程控制器(4)通過控制蒸汽電動閥(6)的開關進而調節保溫水箱(1)內冷卻水的溫度；所述的冷卻水壓力控制單元具有由變頻電機驅動的泵(7)，泵(7)設置在水系統循環回路中，泵(7)的出口處設置有壓力檢測器(8)，壓力檢測器(8)檢測的壓力信號傳輸給 PLC可編程控制器(4)，PLC可編程控制器(4)通過調節變頻電機的頻率控制泵(7)的轉速進而調節冷卻水的壓力；所述的冷卻水流量控制單元具有調節閥(13、16、18、20)和電磁流量計(15、17、19)，各調節閥(13、16、18、20)分別安裝在各冷卻管上，各電磁流量計(15、17、19)也分別安裝在各冷卻管上，各電磁流量計(15、17、19)檢測各冷卻管路的流量并將信號傳輸給PLC可編程控制器G)，PLC可編程控制器(4)通過控制各調節閥(13、16、18、20)調節各冷卻管路的流量。
2.根據權利要求1所述的多參數控制的水冷卻系統，其特征在于所述的保溫水箱(1) 上連接有溢流管(11)，溢流管(11)上安裝有流量調節閥(12)。
全文摘要
本發明涉及一種多參數控制的水冷卻系統。它具有對冷卻水溫度、壓力和流量分別進行調節的三個控制單元，溫度檢測開關檢測的水溫信號傳輸給PLC可編程控制器，PLC可編程控制器通過控制蒸汽電動閥的開關調節保溫水箱內冷卻水的溫度；壓力檢測器檢測的信號傳輸給PLC可編程控制器，PLC可編程控制器通過調節變頻電機頻率控制泵的轉速進而調節冷卻水壓力；電磁流量計檢測各冷卻管路的流量并將信號傳輸給PLC可編程控制器，PLC可編程控制器通過控制各調節閥調節各冷卻管路的流量。它提高了冷卻水的溫度、壓力、流量的調節范圍和精度，且三個參數可獨立調節，相關性小；改善了材料性能，確保材料的組織細化，提高了材料的潔凈度和均勻度。
文檔編號C21D1/64GK102260774SQ201010186808
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月25日 優先權日2010年5月25日
發明者何重誼, 王耀, 陳靜 申請人:上海西重所重型機械成套有限公司