铝板带轧机测厚仪冷却装置替换方案研究

2021-06-15李文华高立军

有色金属加工 2021年3期

吴俊，李文华，陈辉，高立军

(洛阳万基铝加工有限公司，河南洛阳 471800 )

在铝板带箔的生产中，厚度精度是产品的关键指标，轧机必须配备高精度的在线测厚仪设备，并通过与轧机控制系统整合实现对产品进行自动厚度控制(AGC)功能。使用的测厚仪一般为非接触式在线射线测厚仪，该测厚仪利用射线穿透被测材料时强度变化与材料厚度相关的特性，从而测定材料的厚度，其核心部件为产生射线的X射线管，它连续工作时产生大量热量，如果不能及时传递出，将造成部件寿命缩短，严重时损坏，影响测厚仪设备正常工作。

公司板带轧机系统共配备德国IMS公司测厚仪设备12台，用来保证设备生产出的产品厚度达到工艺要求，与该测厚仪配套的是12台威图公司的冷却水冷柜系统。该系统已24h不停歇连续运行8年左右，由于器件老化、可靠性降低，如核心部件压缩机损坏、制冷系统缺氟或漏氟、干燥过滤器堵塞、膨胀阀故障等情况，目前已进入故障高发期，工人维修工作量较大。由于测厚仪与轧机设备有连锁报警，测厚仪设备报警就会造成冷轧机设备停机，故障率较高，对生产连续性以及生产质量指标控制带来极大的困扰。考虑修理时往往需要放掉氟利昂会造成环境污染，同时由于元件维修、备件采购费用高、周期较长等原因，决定对测厚仪水冷柜设备进行改造。

1 几种常用冷却方案分析和比较

由于X射线管工作产生大量热量，其温度波动将引起射线能量的变化，造成测量结果产生偏差。连续长期高温也将造成部件寿命缩短，所以测厚仪装置要求正常工作时X射线管部件工作温度为25℃～45℃，为此该射线测厚仪系统必须配备良好的冷却装置。下面分析几种目前常用冷却恒温设备的原理与优缺点。

1.1 压缩机制冷-冷却水循环冷却方式

机械压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、蒸发器、过滤器、膨胀阀、电磁阀、储液器、制冷剂部分等，它们通过管路连接起来，其结构紧凑，制冷效率高，COP最高可以达到3.8。但长期连续运行会造成压缩机寿命降低，遇到元件损坏或管路问题维修时，需要放掉制冷剂，并且需使用火焊进行作业，会造成一定的环境污染和浪费。

1.2 公辅循环水-冷却水循环冷却方式

通过系统冷却水与公司公辅循环水管网冷却水进行冷热交换方式，通过使用通水热交换器进行热量交换，具有使用部件少，结构简单、成本低，故障率低的优点。但公辅系统水温的高低直接影响换热效率，由于循环水系统温度随气温变化，冬季和夏季有较大差别，对传热影响较大。冬季时，水温较低换热效率高；夏季时，水温较高导致换热效率降低，一般冷却温度最低达到25℃，可以满足一般冷却需求，但对于温度要求较低的场合不适用。

1.3 电子半导体直接冷却的方式

电子半导体制冷即利用当两种不同导体A和B组成的电路中通入直流电时，在一端接头处吸收热量，而另一端接头处释放出热量的原理工作的装置，具有尺寸小，重量轻，无机械传动，工作中无噪音，控制简单，无液态、气态工作介质，不污染环境的优点，通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率。但由于制作成本高，制冷效率低，COP最高可以到0.6，对于大发热量工况不太适用。

由于测厚仪光源射线部件设计及安装空间限制，采用电子半导体直接冷却的方式需对测厚仪拆解进行改造，并且光源射线部件只能采用通入液体方式进行冷却，在目前测厚仪C型架上实现较困难。IMS测厚仪光源射线组件如下图1所示。因此仅对公辅循环水-冷却水循环冷却方案与压缩机制冷-冷却水循环冷却方案方案进行了对比，最后经过成本、价值、稳定性等方面综合考虑，选择采用公辅循环水-冷却水循环冷却方案对原冷却装置进行改造尝试。

图1 IMS测厚仪光源射线管组件

2 具体改造方案及实施要点

基于尝试和节约成本的考虑，在原系统基础上进行管路安装改造工作。图2为测厚仪配套的威图公司水冷控制柜系统原理图，它采用压缩机制冷-水循环冷却系统，该系统有两个循环回路。循环回路Ⅰ为制冷循环，在循环中压缩机将制冷剂从低压提升为高压，并使制冷剂不断循环流动，最终完成制冷剂在蒸发器吸收热量，在冷凝器放出热量的循环过程，系统中流过为制冷剂。循环回路Ⅱ为冷却循环，水流在射线管部件吸热升温，在蒸发器热交换箱中与制冷剂进行交换热量实现降温，通过不间断循环，达到冷却射线管部件的目的，循环系统中可以使用冷却水或冷却油进行冷却。

①冷凝器； ②蒸发器热交换箱；③ 压缩机；④制冷剂干燥过滤器；⑤膨胀阀感温器；⑥测厚仪射线发生器；⑦水泵；⑧温度测点；⑨阀门；⑩流量计；膨胀阀；Y型过滤器；止回阀；排水阀

图3为改造后的公辅循环水-水循环冷却系统，该系统也有两个循环回路。循环回路Ⅰ为循环水系统，需分别接入公司公辅系统循环水进水和回水管道。循环回路Ⅱ为冷却水循环，应用时可以使用冷却水或冷却油进行冷却。温度高的冷却液在通水热交换器中与温度低的循环水进行冷热交换达到降温的目的。由于公辅系统循环水的水质较差，长期使用容易产生水垢，造成冷却装置效率降低，严重时引起管路堵塞，因此该系统使用了两个独立的水流动循环，使用较少的洁净水或冷却油即可满足冷却需要。

①⑥⑨阀门；②通水热交换器；③Y型过滤器；④温度测点；⑤水流量开关；⑥测厚仪射线发生器；⑦水泵；⑧储水箱；⑩流量计；止回阀；排水阀

(1)与原压缩机制冷-水循环冷却系统(图2)对比，相当于将压缩机制冷循环中配套设备全部拆除，将原系统中蒸发器热交换箱替换为通水热交换器，更换的通水热交换器采用不锈钢钎焊换热器，其大小的选择应满足测厚仪热量传递需要，使用时可通过调整热交换器进水阀门开度大小，使进入热交换器水流量达到要求的范围。

(2)通过在通水热交换器出入口设置温度检测点，温度信号接入至 PLC 进行温度监控，并设置所需的报警参数值，保证水温在要求范围以内。

(3)公辅循环水系统进水管道增加Y型过滤器，对进入换热器公辅系统循环水进行过滤，减少换热器堵塞，并在回路中增加水流量开关，根据实际需求设置水流量，水流量过小时将触发报警，起到监控水流的目的，确保水流正常，保证了换热效率。

(4)测厚仪冷却水循环回路Ⅱ循环系统系统中设置独立储水箱，用于冷却系统储水、缺水补水或换水的需要，当系统使用冷却油进行冷却时，用于系统储油，补油。其它部件使用原来部件，流量计、温度测点不变。水泵启停控制采用具有热保护功能的水泵控制电路，用于控制水泵启动和停止。

(5)将冷却水循环系统中的水泵通上电源启动运行，并将外部循环水管道水路进出口阀门开启，设备即可投用正常运行。改造前后实物照片如图4所示。

图4 改造前后实物照片

经过夏季7、8两个月份对测厚仪工作时的水温记录统计，测厚仪设备温度数据正常，能够保持在25℃～30℃，满足系统对水温的要求，测厚仪工作状态效果良好，测量厚度数据稳定。证明改造后的公辅系统循环水-水循环冷却方案可以满足现场测厚仪使用需要，可作为轧机设备测厚仪冷却装置故障时替换改造方案。目前企业一般都具有公共循环水系统，冷却水资源充足，因此该装置可以在工厂企业中普遍适用。由于公辅系统循环水系统中水质较差，长期使用容易产生大量水垢，因此对冷却水质要求较高的精密仪器设备，不宜使用循环水直接冷却。该装置通过核心元件换热器将系统隔开，形成两个循环回路，一侧流过公辅循环水，一侧流过水质较好的冷却水或冷却油，这样减少了水垢的产生，满足了使用需要，避免了长期使用水垢对系统换热的不利影响。该方案应用时，系统中的部件可以根据用户现场空间情况集中布置，也可以分散布置，使用时只需分别接入公辅系统循环水管网和需要冷却的装置设备冷却管路即可使用，安装灵活，操作方便。