连铸二冷水控制系统对调节阀的技术要求和选型建议

连铸二冷水控制系统对调节阀的技术要求及选型建议

连铸是炼钢生产工艺的重要设备之一。连铸机在生产过程中，钢水从中间包到结晶器（即一冷）、二冷环节冷却，然后到拉矫机，切割机出钢。整个过程钢水从液态变成钢坯，其中的二冷水环节最为重要，直接关系到铸坯质量的优劣。

现实生产中，很多钢厂的连铸二冷水都存在汽水雾化流量不稳定，以及小流量控制精度不够、无法稳定调节或大水量上不去的情况，难以实现最佳冷却效果。特别是在需水量相对小的优钢生产时，二冷水调节的不稳定，严重影响钢坯的质量，以致产生许多废钢，在一定程度上制约了生产效率的提高和生产能力的提升。

目前，二冷水控制系统执行机构部分采用调节阀，通过PID调节方式控制其开度，从而控制二冷水水量。可以说，调节阀是二冷水控制系统的核心部分。

然而，国内钢铁企业在相当长的时间里，大都使用“下进上出”结构的栓塞型单座阀。但由于单座阀在结构上的局限性，下进上出的S型流体通道，介质因流动方向的改变，湍流、扰动不可避免，不仅对阀本体的阀塞、阀杆、阀腔以及阀后管道产生物理侵蚀，减少阀及管道寿命，还会因阀后流体的不稳定，无法满足工艺生产的要求。

而从控制性能的角度来看，单座阀作为典型的控制阀，其控制性能虽然优于球阀，但仍然存在相当范围的“死区”，通常0-20%的开度时，流量变化不明显，在兼顾大水量选择管径的前提下，难以满足小开度控制小水量时的精度要求。但如果选择小一点的管径，则很可能无法满足大水量的要求。

基于此，二冷水控制系统对调节阀提出了更高的要求：

1.控制稳定，震荡波动小，提高系统可控性。

2.线性度高，有效调节范围大，既能满足大需水量的要求，又能在极小开度时精确控制小流量。

3.响应速度快，能迅速达到系统计算的需水量，充分发挥PID控制系统的作用，使水量的给定达到最优。

德国Schubert&Salzer公司生产的滑窗式结构的调节阀（简称滑窗阀，下同）随着成套设备进入国内工业领域，在钢铁生产中涉及电炉转炉氧枪、转炉给水、连铸冷却、制氧气体等流量、压力、温度控制场合，以其独特结构而具有的卓越性能得到用户的一致认可。

滑窗阀具有许多传统结构调节阀无法比拟的优势，其中控制稳定性强，线性度高及响应速度快的特性即能有效地满足二冷水控制系统对调节阀的上述要求：

一、滑窗阀的窗式结构，流体顺流通过阀体更加平稳，受到同一串联管线上的其他回路（如压力）的影响更小，恢复的时间更短（可参考滑窗阀在氧枪系统的应用资料）。因而，滑窗阀对介质实际起到了整流的作用，再加上滑窗阀行程短，响应速度快，极大地减少了系统震荡，系统可控性更高。

二、滑窗阀的线性度更高，有效调节范围更大。

滑窗阀的流通面积是通过两块阀板上的开孔形状来决定的，不同的控制特性对应不同的开孔形状（如下图）。滑动阀板移动每一开度所对应的流通面积都能够精确控制，其有效的调节范围为0-100%。

滑窗阀（线性、等百分比控制特性）单座阀

而单座阀阀芯部分为柱塞式，是一个锥形（如上图），对流通面积的控制则需要以严格保证阀芯与阀座中心定位为前提。再加上介质对单座阀阀芯的推力大，即受到的不平衡力大，增加了精确控制流通面积的难度，特别是在小开度时，阀芯还要受到介质的不断冲蚀。

滑窗阀的顺流设计，阀自身的压损更小，流通能力更强，Kvs值更大，约高出单座球芯阀的30％。在阀前压力、流量等参数一致的情况下，与同口径的单座阀相比，流通

量更大。实际上，单座阀的有效流通面积远远小于阀通径。滑窗阀的这一特点将直接体现在购置成本上，可选用小1-2号口径的阀门，以节省成本。（针对酒钢薄板厂提供的参数进行选型的结果，YE13和YE15分别的口径为DN125和DN100，而原用的均为DN150。）

需要指出的是，单座阀如果长期处于小开度的工作状态，其阀芯受介质的长期冲蚀，不仅严重缩短阀塞寿命，还会造成内漏。所以选型时必须对最大、最小及常态的工作压力、流量等参数进行核对确认，选择最佳的阀门口径。

三、滑窗阀驱动行程短，全行程仅为一个窗口的高度，如DN200的滑窗阀全行程仅为18mm，而同样口径的单座阀全行程至少有160mm。从力的角度来讲，阀板受到的不平衡力小，且仅需克服两块阀板间的摩擦力即可实现阀门的启闭，所需的驱动力小，所以动态响应快速，能迅速达到给定的开度，特别适用于要求动作频繁的场合。

在整个冷却水配水过程中，每个速度段的配水公式的系数不同，流量也不同。在自动控制时，根据出钢的实际速度计算每段的喷水量，再通过工程量换算成信号输出给调节阀执行机构，控制调节阀开度，并通过阀位反馈信号输入到PID。同时，流量计检测到的实际水流量输入到PID程序块与理论喷水量进行对比，计算出偏差，再输出给执行

机构控制调节阀，进行反复的PID调节，实现理论喷水量与实际流量一致。这一P、I、D控制参数不断调整的过程，恰恰需要调节阀快速响应来实现，使水量调节最大程度接近理想曲线。

另外，此处的调节阀需配置手轮。而滑窗阀驱动力小，从DN200到DN15的滑窗阀都用同一型号手轮启闭，不仅减少了现场工人的操作难度，也避免产生其他结构的调节阀可能出现的存在隐患的现象，诸如因用力不当造成的支架变形以及阀杆运行不灵活等，备件通用性更强，备件数量更少。

再者，由于此处是对水的控制，还可能受到水锤效应对调节阀和管道的破坏。滑窗阀的多孔分流，无水锤的产生，大大延长阀门及管道的使用寿命，保用八年以上。

综合以上，滑窗阀能更好地满足连铸二冷水控制系统精确控制的要求，很好地弥补了传统调节阀结构的局限性，是调节阀技术领域的重大突破和质的飞跃，为连铸二冷水调节阀的选型提供了目前最佳的解决方案，具有非常好的应用前景。现已应用于一重设计院新型连铸机的一冷段结晶器汽水雾化及二冷段冷却水控制。