冶金工艺流程中测量介质的流量仪表选型
发布时间：2021-05-21
摘要:冶金行业工艺过程控制中的各种介质的流量测量的选择以及测量方案的优化，过去一般没有系统的文件来指导。在世界自动化快速发展的今天，各类新型测量仪表层出不穷，如何选择一种最优的流量测量来适应冶金工艺流程，并指导和保证生产的稳定运行，面临一个新课题。论冶冶金工艺流程中测量介质的流量仪表选型，就是论述为冶金流程工艺中的流量测量找到最优的测量仪表和方案。
关键词:炼铁;炼钢;连铸;水处理;流量计;流量测量
0引言
流量同温度、压力、重量、物位等参数一样是工业生产过程的重要参数，直接或间接参与生产控制，依据这些参数对生产流程进行监督和控制，对提高产品的质量与产量，保障生产安全，改进生产工艺，改善生产条件等方面有着重要意义。在工艺过程控制中的介质类型随着不同工艺段压力、温度、湿度、含水量和含颗粒物的含量的大小等因素的影响，介质特性在不断的变化，需要根据不同介质特性来选择合适的测量仪表。
1冶金工艺流程中的流量测量面临问题
在冶金各工艺段各种介质到底选择哪种流量仪表来实现最优化的测量，就是讨论的问题。
1.1流量仪表种类复杂。
现代自动化仪表飞速发展，新型仪表层出不穷，每种流量仪表都有其优势和局限性，至今尚无一种适用于任何场合的流量仪表。有很多流量仪表只是听说，但未曾了解或者使用过，所以对有些流量仪表的特性是否适应自身的工况特点，无法准确把握。
流量仪表通常可分成压差式、速度式、容积式等种类。像孔板流量计、喷嘴流量计，均速管等属于差压式。电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等属于速度式。腰轮流量计、双转子流量计等属于容积式。不同类型的流量仪表适应不同的工艺介质。例如水的测量，通常最优选择电磁流量计，电磁流量计在我国工业、制造业及其他行业的应用十分广泛，在液体流量测量方面起到了不可替代的重要作用。
1.2冶金工艺流程中的工况和介质特性复杂。
介质的温度、压力、密度都随着工况的变化而变化。每个钢铁厂自身工况的特点不同，介质特点也不一样。所以不能一概而就，完全复制其他钢铁厂的选型配置。钢铁厂里工艺段比较多，主要工艺段有焦化、烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧钢、煤气处理、水处理、公辅(自备电厂类)等。每个工艺段都有自身的特点，车间空间，管道大小等都不一样，必须根据其特性进行合理科学选择。
1.3钢铁厂对测量的要求较高
测量的稳定性和精度对安全高效的生产息息相关。钢铁厂对于流量仪表的基本要求是长寿命、有效、稳定测量，开车后无需随意拆卸停车维护。随着钢铁厂产能设计愈大，工艺流量愈大，对于流量仪表的传感器磨损就愈大;对于流量仪表的传感器材料，产品截面的要求以及在流场下的流体动力学分析就突显重要。
综上所述，钢铁厂工况的特殊性，仪表的多样性导致了钢铁厂选择流量仪表的难度。如何选择最优的流量测量方案就是面前面临的问题。
2冶金工艺流程中的流量仪表的选择
通常每个工段的测量点的流量仪表都会按照设计院或者以往经验进行选择，但在一些测量点选择的流量仪表存在使用效果不好的情况，导致生产勉强运行。所以需要结合各种现场工艺因素，并结合流量仪表特点来选择。
2.1焦化烧结的流量仪表的选择
在焦化和烧结工艺段中，测量介质相对较少，主要测量介质是水、空气和沥青等。水可以采用电磁流量计来测量，空气可以采用涡街和孔板类流量计，但沥青相对比较特殊，一般采用差压流量计中的楔形流量计来测量。楔形流量计自身的特点可以测量粘度较大的介质，在石油石化行业中经常来测一些油类，在煤化工行业中来测量灰水和黑水等高温高粘度高磨损介质，所以楔形流量计可以适应沥青这种高温高粘度的介质的测量。
2.2炼铁工艺段的流量仪表的选择
炼铁工艺段中的主体部分就是高炉，而高炉上的流量仪表较多，测量介质类型也较多，通常有软水、高炉煤气、蒸汽、压缩空气等。软水是高炉上主要的工艺介质，软水被称为冷却水，冷却水的水量与水压分配对高炉冷却效果和高炉长寿十分重要，高炉严格控制合理冷却参数变化。通过检测进出口的流量来判断冷却壁是否正常，一旦进回水误差较大将会预示冷却壁出现故障，将对安全生产带来隐患。在高炉风口尤其是小套处于环境最为恶劣的部位，漏水的概率远远超过冷却壁。所以高炉冷却水的测量非常关键。
冷却水的测量通常采用电磁流量计和超声波流量计来测量。国内大多数冶金行业的高炉本体冷却壁的进回水测量基本采用电磁流量计，电磁流量计的精度可以达到0.2级，且在高炉测量应用是很成熟的，极少数采用超声波流量计，虽然超声波流量计可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，但其稳定性和精度还是相对电磁流量计要略输一筹。
2.3炼钢工艺段的流量仪表的选择
2.3.1转炉本体
炼钢工艺段中的主体部分就是转炉，转炉相对高炉上的流量仪表数量较少，测量介质也主要是软水和氧气、转炉煤气等。按照高炉上软水测量采用电磁流量计的经验，转炉上的水的测量也同样采用电磁流量计来测量。转炉上的软水主要是用来给氧枪进行冷却作用，氧枪是氧气顶吹和顶底复吹转炉炼钢法的主要设备，氧枪喷头参数和操作模式的合理性对于冶炼工艺、成本、产品质量等有很大影响。一般通过进回水误差来判断冷却效果。一旦进回水误差加大，氧枪将根据保护设置将提枪，无法继续往转炉内部吹氧，导致炼钢指标下降。所以转炉软水的测量还是电磁流量计最适合。
2.3.2氧枪氧气
氧枪氧气流量控制系统需要保证氧枪氧气按工艺设定要求模式稳定流量供氧。很多时候都采用标准孔板来测量，但孔板毕竟安装直管段要求过高，且压损较大，所以为了降低直管段和压损，有一种新型仪表可适应，叫平衡流量计(也称为多孔孔板流量计)。它是把整流器和标准孔板结合而成(见图1)，平衡流量计具有对称多孔结构特点，最大程度地减少死区效应，避免涡流的产生，平衡流场，降低因涡流所引起的信号波动，提高取压点数据的准确性。
2.3.3转炉煤气
转炉的煤气与高炉煤气的测量管径都非常大，通常都大于1200mm，这也给安装及采购增加了成本。在前几年，很多为了降低成本，开始采用均速管流量计(也就是常说的巴类流量计)，虽然均速管流量计在安装维护方便，尤其针对大管径采购成本低等方面有它一定的优势，但本身测量上却有它自身的不足，测量精度不高、差压小、易堵。尤其是高炉煤气，焦油量较大，经常堵塞维护量非常大。所以巴类流量计针对干净气体，且对精度要求不高的大口径气体测量可以选择，若用此巴类来测量煤气需要增加一些实时吹扫装置来减少杂质对取压孔的堵塞。
所以针对煤气的测量，为了保持长期稳定性减少维护工作量，可以选择文丘里管、V锥流量计、圆缺孔板等来测量。这几类节流装置在抗污能力上是最好的，且压差信号较大，信号很稳定，完全可适应煤气测量。
2.4连铸工艺段的流量仪表的选择
连铸工艺段主要是一个拉钢的过程，连铸的二次冷却工艺对连铸机的产量和质量有着重要影响。通过对钢胚的不同断面进行水量浇铸，且每个断面要求的水量大小也不同，随时进行调整，测量非常关键。通常对浇铸水量的控制的要求基本上有两点:(1)多流浇铸时需要稳定一致的流量;(2)阀门的快速调节时，水量的监控必须快速响应，流量信号与控制系统的要求必须完美结合。这样的要求经常被看作“鱼和熊掌不可兼得”，既要稳定又要快速响应后再次快速稳定，这对仪表的要求就非常的高。常规的差压式、容积式等已经无法达到要求，必须采用一些速度式仪表来测量。通常采用电磁流量计来测量，电磁流量计满度流量时液体流速可在1m/s～10m/s范围内选用，范围比较宽。
相关期刊推荐：《自动化与仪器仪表》杂志是由重庆市自动化与仪器仪表学会和重庆工业自动化仪表研究所主办,其特点是学术水平高、实用性强、覆盖面宽、发行量大、广告效果好。主要报道控制理论、系统理论、自动化技术、工业自动化仪表、计算机及其应用技术等方面的研究成果、发展动态、经验交流。适合于从事工业自动化、仪器仪表、计算机应用、机电仪一体化、自动控制等专业的科研、设计、应用、生产、销售的科技工作者、大专院校师生、管理干部、技术工人阅读。
所以针对连铸的工艺要求，必须采用快速响应型的电磁流量计，既可快速响应，又可快速稳定流量，这就需要电磁流量计厂家具有一定技术实力才可做到这一点。
2.5轧钢工艺段的流量仪表的选择
轧钢工艺段一般分为热轧和冷轧，热轧主要采用煤气和空气混合助燃热轧炉来进行热轧，炉上煤气管道按3个供热段进行配置，实现各段流量的测量与调节。各段煤气管道设置流量计和气动调节阀，测量和调节本段的煤气供给量。而冷轧主要采用水量控制来进行冷轧。
热轧车间中的煤气主要是高炉煤气和转炉煤气经过净化后输送过来与热空气混合进入热轧炉。针对煤气的测量前面提到采用文丘里管、V锥和圆缺孔板来测量，在热轧厂同样可以采用这些差压类流量计。但热轧厂煤气管线口径都比较大，通常都超过1200mm，文丘里管和V锥的价格是非常昂贵的，所以考虑成本问题，可以选择圆缺孔板(见图2)，采用圆缺设计，底部可方便杂质的流通，不易堵塞，其材料和加工成本比文丘里和V锥大大降低。
冷轧车间主要测量介质是水，其工艺跟连铸有点类似，也是对水流量监控，所以一般采用电磁流量计来测量。若是快速冷轧的工艺，同样与连铸的选择一样，必须采用快速响应型的电磁流量计来针对性的测量。
2.6公辅及水处理的流量仪表的选择
公辅及水处理车间主要包含三个车间:动力站(自备电厂类)、水处理站、气体处理站(空压站和氧气站等)。
2.6.1动力站
动力站主要是自备电厂或者锅炉站，电厂的流量仪表的选择测量在《论火力发电的流量测量》一文中作了很详细的描述。而锅炉站相对测量仪表较少，主要是天然气、蒸汽、除盐水的测量。选择蒸汽流量测量仪表应考虑5个主要因素，即被测流体特性、安装条件、环境条件、仪表性能及维护需求。动力站出来的蒸汽送往各个车间，现在很多钢铁企业都上了能源管理系统，主要针对水电气的能源管控，而蒸汽是最难考核的，往往动力站主管网蒸汽总量与各车间的蒸汽量之和差别特别大，其实很多时候是测量仪表的选择和现场工艺管路引起的。近年来，流量测量技术获得了飞速发展，蒸汽流量测量大多使用差压式流量计和涡街流量计，但差压式流量计压损大，量程比低，一般只有1∶3，在实际运行中，由于管道流体流量增加超过孔板流量计原来设计的流量上限，导致差压变送器长期超量程运行，再加上安装直管段要求高等原因，导致一头一尾差别特别大。所以若管网口径低于300mm可改成涡街流量计来测量。涡街压损一般只有孔板的1/5，精度可以到1级，安装直管段也优于孔板类。但涡街对管道机械振动均较敏感，不宜用于强震动场所。
除盐水一般采用孔板类差压流量仪表或者涡街流量计来测量。针对天然气的测量可以采用涡轮流量计，涡轮流量计在流量仪表系列中属于精度很高的仪表，再加上天然气密度低，流速低、压力不高等因素，采用涡轮流量计是非常理想的，而涡街流量计和差压类一般不建议来测量天然气。
2.6.2水处理站
水处理站主要是全厂用水的集中处理站，进水和出站水的管径都比较大，一般也都超过1000mm，大部分都采用管道式电磁流量计来测量。考虑成本时，针对1000mm以上的管径可以采用电磁流量计系列中一款插入式电磁流量计。插入式电磁是在管道式电磁的原理上来开发而来，采用尼库拉磁原理，但插入式测量的是一个点的流速，不像管道式测量的是一个截面的平均流速，所以稳定性和精度相对管道式较差。但插入式还有一个优势，可在线不断流安装，在项目后期的技改上或者原流量点出现故障时可以采用插入式电磁在线不断流安装，不影响工艺生产。
2.6.3空压站
空压站主要以气体为主，基本介质为压缩空气、氮气和氧气等。针对这类低温气体，可采用涡街流量计和差压类流量计来测量。但针对氧气，相对危险系数较大，建议采用平衡流量计或者文丘里管流量计来测量。这两个差压式流量计常常在一些煤化工行业中来测量高压氧，在降压损、平滑流场方面有很大的优势。所以针对钢铁厂的氧气也可选这两类流量仪表来测量。
3结束语
总之，冶金工艺流程中的流体介质有一定的特殊性，要根据介质的各项工艺参数和指标来选择最合适的流量仪表。现场流量仪表是工艺生产的眼睛，流量仪表的稳定运行与生产的稳定运行息息相关。在各类新型流量仪表快速发展的今天，只有将流量仪表选择最优的测量方案，才可保证钢铁厂的可靠稳定运行生产。——论文作者：申毅
