温度控制系统的制作方法

优先权信息

本申请要求2018年12月12日提交的临时申请序列号62/778,486和2019年9月4日提交的美国申请序列号16/559,884的优先权。这些文献以引用的方式整体并入本文中。

本发明的

背景技术：

本申请涉及辊轧机领域，且尤其涉及缩短长轧制产品在直列热处理中的冶金性能过渡。

在1980年之前，系统具有非常粗略的温度控制，当需要温度设置点改变时，该温度控制很大程度上依赖于操作者进行调整。然后其中用于轧制过程的固定的压力不随过程条件（炉出口温度、产品尺寸的变化、水温等）的变化而改变。自1980年代中期以来的使用中，当前系统使用操作者定义的配置/配方系统（recipesystem），并且能够通过从区域结束高温计获得信息来使冷却过程自动化，且随着处理条件随时间改变而向调节阀提供小的增量变化。

典型的轧机（mill）在水处理设施处具有固定速度的离心水泵。这些泵通常非常大，并且以相对低的压力（～2巴）为整个线材（rod）/棒材（bar）轧机的所有装备提供总流动。通常，轧机再加热炉靠自己供应，因为所需要的压力/流动的任何减少对于该区域而言都可能是灾难性的。大的泵通常跟随有一系列较小的增压泵，以根据装备设计来增加压力。典型的压力为6.0、8.0、10.5和14.0巴：6.0巴用于线材轧机水箱、粗加工轧辊冷却和大多数其他装备。8.0巴用于使用碳化钨辊的高速轧制装备并且用于处理线材淬火加回火调制的钢筋。10.5巴用于使用棒材轧机水箱冷却棒材轧机光面圆形产品。最后，14.0巴用于淬火加回火调制的棒材轧机钢筋产品。这些压力都过大，以解决在用于实现目标处理条件的管道和阀中的压力损失。

“冷却区域”是在额外的处理或精整装备之前，轧机的用于将产品冷却到期望的冶金设置点的一部分。对于每个区域来说，都存在出口高温计，操作者在该出口高温计中定义设置点温度。标准线材轧机冷却模型具有三（3）个冷却区域。一个在无扭转轧机之前（前ntm（prentm）），一个在无扭转轧机之后（后ntm(postntm)），并且一个在减径轧机之后（后rsm（postrsm））。每个区域均具有减压阀（prv），以帮助平衡该区域所需要的供应压力。区域压力目标由操作者确定，以在阀的操作范围（完全打开位置的20-80％）内实现水箱设置点目标。直接位于prv之后的压力传送器向plc发送信号，在plc中，“压力回路”程序通知阀调整并维持期望的压力。

每个区域通常由一（1）至四（4）个水箱组成。每个线材轧机水箱是4.7米或6.1米长。水箱的数量和长度由下述定义：轧机最坏情况处理条件；和实现冶金定义的设置点所需要的淬火时间和平衡（弛豫）的量。设计变量包括：轧机吨位速率、最大轧机速度、阶段（grade）设置点温度、炉出口温度和机架数量。最坏情况是在最长的冷却需求情况下以最快的吨位速率处理的单个成品尺寸。所有其他情况都需要更少的水接触时间。由于每个产品速度是大致固定的，所以这等同于更短的冷却长度。线材轧机冷却喷嘴的典型设计压力是2.0巴。

当水压小于最小压力（～0.5巴）时，产品冷却不能有效地穿透蒸汽套（由莱顿弗罗斯特效应（leidenfrosteffect）产生）并冷却产品。当压力太高（～3.0巴）时，产品表面被过度淬火，并且会形成钢的称为马氏体的不期望的同素异形体。在线材轧机中的淬火加回火调制过程的情形中，5.0巴的最小水压是在成品线材产品的表面上产生马氏体的设计参数。棒材轧机冷却喷嘴具有不同的设计，并且需要高压来克服其显著的压力损失。用于普通碳钢（plaincarbon）和淬火加回火调制钢的棒材轧机设置点压力分别是7.0巴和12.0巴。

由于成品由坯锭制成，因此分批生产过程对于每个坯锭来说是始终重新穿进。前端以及在一些情形中尾端必须是热的，以防止产品粗制滥造（cobbling）并正确地实现到冷却输送机上的合适的铺设模式。该穿进长度被称为“热长度”，因为它处于与炉出口坯锭温度大致相同的温度。为了保持“热长度”处于高温，随着头部穿过，水箱被关闭。在前一产品结束与下一产品开始之间（坯锭间隙）的时间可短至2秒。为了使水流远离产品快速转移走，使用三通导流阀。在热长度通过之后，三通导流阀然后快速转换以将水重新引导到产品。

“热长度”距离是etcs中的操作者输入值，并且通过以下确定：产品横截面尺寸以及在控制装备之间的距离。一旦水被引导到产品，水经过一段时间以达到设置点压力/流动。该时间段被称为“过渡长度”。在“过渡长度”中，尚未达到最终的冶金性能。

过渡长度比“热长度”冷，并且通常看起来具有与成品的设置点温度相同的温度。确定过渡长度的主要方法是切割若干拉伸强度样品并在其达到设置点值时记录拉伸强度。氧化皮（scale）厚度的过渡也可以是过渡长度开始和结束的位置的指示。根据终端用户的质量期望，大多数轧机必须修整“热”和“过渡长度”，以为终端用户客户提供期望的产品。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供一种用于冷却辊轧产品的温度控制系统。该温度控制系统包括直接联接到一个或多个水箱的多个隔离阀。泵被联接到隔离阀。该泵提供冷却所需要的压力。隔离阀定位成缩短构建用于冷却以及缩短辊轧产品的冶金性能过渡长度的压力所需要的时间。

根据本发明的另一方面，提供一种配置用于冷却辊轧产品的温度控制系统的方法。该方法包括定位多个隔离阀，该多个隔离阀直接联接到一个或多个水箱以缩短构建用于冷却及缩短辊轧产品的冶金性能过渡长度的压力所需要的时间。方法还包括将泵联接到隔离阀，以提供冷却所需要的压力。

附图说明

图1是示出根据本发明所使用的本发明的温度控制系统的示意图；

图2是示出根据本发明所使用的固定速度离心泵的性能的曲线图；

图3是示出根据本发明所使用的区域减压阀（prv）的性能的曲线图；

图4是示出根据本发明所使用的变频驱动（vfd）泵的性能的曲线图；

图5是示出根据本发明所使用的多个隔离阀的激活响应的曲线图；

图6是示出使用4.1巴先导空气压力且没有下游阻力的罗斯戴尔（rossdale）cx阀的第二响应的曲线图；

图7是示出具有90毫米的执行机构（operator），4.1巴先导空气压力和17.5毫米的冷却喷嘴下游阻力的asco8290的第二响应的曲线图；以及

图8是示出使用下游控制阀的固定速度泵的曲线图。

具体实施方式

本发明涉及一种系统，该系统通过将隔离阀移动成更靠近冷却操作来增加长轧制产品对于直列热处理的冶金性能的前端均匀性和氧化皮控制。隔离阀被安装到水箱或其内极为贴近冷却喷嘴。每个隔离阀与单个冷却喷嘴相关联。这提供了更分立的冷却长度控制，这将提高冷却效率。隔离阀能够在不到一秒内打开和关闭全冲程，这最小化了冷却喷嘴达到设置点压力所需要的时间。可以并入减压阀以减轻由于其他冷却区域或装备的操作而引起的供应压力差别。变频驱动泵能够调整供应压力以满足设置点温度，以便实现用于单个和/或多个区域的目标温度。

图1是示出根据本发明所使用的本发明的温度控制系统2的示意图。通过缩短三通导流阀的当前位置（～3米）与该过程的距离来改善阀反应时间。新的隔离阀4位于每个水箱6的外侧（<0.5米），每个水箱6对应于若干喷嘴。距离的这种缩短将水压在冷却喷嘴处加速达到稳态改善了大约1秒；对于1060毫米的平均的平均环直径，这等同于在120m/s下的大约36（～36）个环。每个区域1、2和3均包括其各自的水箱6。

隔离阀4响应，从完全关闭到完全打开（～290毫秒），与现有技术中所使用的改进的费希尔（fisher）三通导流阀（～300毫秒）的保证（guaranteed）紧密匹配。这是可能的，因为2英寸（2”）隔离阀的大小显著小于4至8英寸（4至8”）费希尔三通导流阀。由于隔离阀的4个最大尺寸是2英寸，所以它只能有效地处理足以适用于一个冷却喷嘴的水。这意味着，对于每个冷却喷嘴，只能有一（1）个次级阀。这在阀被致动时，通过给予始终预测多少压力/流动被改变的能力，极大增加了过程控制。

当隔离阀4关闭时，水压将稍微高于所需要的冷却设置点。水压的该增加将根据设置点压力而改变。已经观察到，对于2.0巴设置点，压力的增加的变化是～0.5巴。

由于水不再被转移，所以该过程现在将停止流动（“空载/零流量（deadhead）”）而不是将流动转移。当下游阀提供更多阻力时，泵之后的压力将增加。如在图2中所示，使用固定速度泵，在达到关闭压力之前压力能够仅增加由工厂确定的设置公差。一旦已经达到该上限，则泵必须关闭或将一些流动转移以防止对泵造成损坏。为了保持该过程运行，安装有自动再循环控制阀14。

利用变频驱动（vfd）泵8，该过程能够继续运行短的时间段，同时系统变得空载，以保护水泵免受电气/机械过载。利用vfd泵8通过仅提供所需要的压力减少了浪费；而不是具有仅针对最坏情况场景中的水压和流动设计的固定速度增压泵。vfd泵8为辊轧机提供了更好的能量效率和减少的水消耗，水消耗需要过滤和冷却。vfd泵8还提供更好的设置点压力稳定性。与在图3中所示的减压阀（prv）相比，针对过程变量的相同程度的变化，如图4所示的阿姆斯特朗（armstrong）vfd泵提供了水压的更好控制。

对于典型的线材轧机系统：每个机架仅需要单个vfd泵。具有单独的供应泵允许每个机架独立于彼此的处理条件而运行。推荐安装备用泵，以维持生产能力。

通过移除标准的三通导流阀且利用vfd泵8，不再需要背压阀（bpv）及其控制回路。这通过在没有额外控制的情况下传送所需要的设置点压力而降低了系统的复杂性。

通过将整个区域1、2和3看作单个水箱，仅需要一个压力设置点（初始设置点2.0巴）。这消除了对每个水箱处的调节阀和它们对应的流动传送器和流动回路的需求。整个配置/配方和etcs系统将仅需要：每个区域的冷却喷嘴的数量、区域压力设置点（以及区域减压阀（prv）12的对应位置）和机架的压力设置点（以及vfd泵8的对应扭矩）。

基于区域入口和结束温度，区域prv12在轧制条件参数改变时可以调节压力。区域入口温度能帮助预测需要什么，同时区域出口高温计能微调所需要的结束温度。由于该过程需要将压力维持在一范围（对于线材轧机是0.5和3.0巴）之间，所以每个区域均需要压力传送器。在水压降至该区域所需要的最小值以下的情况中，隔离阀将关闭，以朝该区域的结束端加强冷却。

区域prv12用于设置区域1、2和3的水压。取决于处理条件，每个区域1、2或3能够具有不同的设置点。关键的是，维持每个区域的供应压力，使得对于每个区域，该过程具有正确的压力设置点。

压力传送器10提供<1毫秒的响应时间，这比罗斯蒙特（rosemount）2088的145毫秒的响应速率快得多。然而，压力10的精度是<+/-0.17巴，典型的（+/-最大0.34巴），必须进一步评估与标准罗斯蒙特2088（+/-0.14巴）传送器的比较。罗斯蒙特2088传送器需要昂贵的hart475通信器来设置设备。该精度对于该过程而言应当是足够充分的。通过将调节控制集中成基于具有压力基准的温度，系统的总成本能够显著降低。不再需要具有hart475通信器的昂贵流量计。

测试了几种类型的阀，以便找到最适合本发明的。图5示出了针对两（2）个主要竞争者的现有三通导流阀的响应速率。总共评估了六（6）个阀。已经对数据点进行平均以示出相对于彼此的比较响应速率。实际数据显示在达到稳态压力之前的过冲和恢复。响应时间的关键差异是阀的位置。在该测试中，asco和罗斯戴尔cx隔离阀定位成靠近该过程，而费希尔三通导流阀位于8米远处。当阀更靠近该操作时，响应被改善。

费希尔三通导流阀声称具有0.300秒的致动时间。通过测试发现该阀确实在0.300秒内致动；然而，达到稳态压力的响应速率显著长于最初所预期的。由于管道长度（7.7米）的距离和高度（2.3米）的增加阻力，所以响应速率被显著地延迟。在测试设置中，需要1.3秒以实现设计压力（2.0巴）。

罗斯戴尔cx阀声称具有0.014秒的第二响应速率。尽管一些测试证明了这是真的，但是只有先导空气供应高于介质的工作压力时，该阀才能操作。因此，对于2.0巴的水操作条件，4.1巴的空气的典型设计是足够的。然而，当条件改变且需要更高的水压时，4.1巴的空气压力没有强到足以始终关闭阀。在循环测试之后，半年（～250000）循环，响应速率减小并且需要更换密封件。在图6中，下游出口被连接到完全打开的球心阀。当该阀打开时（在10.25秒和12.5秒之间），阀的入口压力下降了～3.5巴，并且阀之后的出口压力是～3巴。当阀关闭时，入口压力增加，并且出口压力从未完全下降到0巴。在4.1巴的先导空气供应下，不存在足以关闭阀的空气压力。

该阀是在造纸厂应用中使用的用于处理厚浆料的工业阀。其具有活塞，90毫米的执行机构，在关闭时其产生可靠/正密封。该阀在应急打开或应急关闭默认位置可用。该阀需要外部安装的致动器；asco8317被选择是由于其快速响应速率和高流量系数值。致动器由24伏直流（dc）电源和4.1巴仪表空气供应（这是典型的辊轧条件）操作。阀的数据表声称具有0.290秒的响应速率。在整个测试中，这看起来始终是真的，即使在循环500000个循环（典型生产1年）之后。asco的技术专业人员已声称该阀应该能够在无维护的情况下操作1百万个循环。先导空气压力的4.1巴的标准设计足以关闭该阀至保证的6.2巴进入水压。已经观察到8.0巴的更高的操作水压，并且阀继续如所设计的那样运行。在图7中，下游出口连接到17.5毫米孔径的冷却喷嘴。当阀打开时（在9秒和11.25秒之间），阀的入口压力下降～1.5巴，并且阀之后的出口压力是～5.6巴。当阀关闭时，入口压力增加并且出口压力下降到0巴。在4.1巴先导空气供应下，阀能够关闭。

利用固定速度泵，当下游控制阀开始关闭以减少产品冷却时，随着总的水需求减少，水压开始增加。在图8中，随着下游水需求减少，在操作点1（op.1）处开始的压力增加到操作点（op.2）。马达功率保持相对恒定并且流动减小。

vfd泵8用于在维持稳定的供应压力的同时在需要流动改变时控制扭矩。在该报告中讨论的泵选择仅考虑可变压头。当静压头速度降低到其处流量为0lmp的点时，系统压力等于静压头压力。静压头压力将根据管道和高度而变化。

所选择的vfd泵8允许该过程在不增加压力的情况下在短的时间段（<30秒）内空载（deadhead）。当系统必须空载超过30秒时，能够关闭泵。在图10中，随着速度从点a到点b变化，流动减小。由于水泵相似定律（affinitylaws）：马达速度与马达功率的立方根成比例。因此，功率消耗随着流动需求减少而减少。

通过将压力传送器10安装在泵8的下游并将信息中继转发回驱动器，能够在流动减小的同时维持恒定的压力。通过对冷却喷嘴的流动特性进行广泛测试，已经确定了用于各种孔径大小的压力与流动关系。使用该数据作为泵系统曲线；电气和自动化能够详细计划（map）所需要的速度（或扭矩）以满足e&a过程设置点。

为了优化泵选择，使用最佳效率点（bep）。bep是泵曲线上效率最高的点。在此点处，叶轮经受最小径向力，从而促进具有低振动和噪声的平滑操作。当流动条件改变时，该泵的效率降低。随着流动需求的变化，具有vfd的阿姆斯特朗双蜗壳泵被选择以增加处理能力。

本发明改善了水压达到稳态条件的加速，以最小化过渡长度并实现最终产品的期望的冶金性能。首先，本发明利用靠近轧制过程的若干较小的隔离阀来代替大型且昂贵的三通导流阀。通过策略性地将隔离阀放置成更靠近冷却过程，达到期望的设置点温度的滞后时间已经显著减少。此外，供应泵必须是变频驱动的，以便适应“空载”并以增加的精度维持压力设置点。

尽管已经关于本发明的若干优选实施例示出和描述了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的形式和细节进行各种变化、省略和添加。