热轧高压水除鳞系统的设计

热轧高压水除鳞系统的设计轧钢制品的除鳞,即清除其表面的氧化铁皮,主要有四种方法:即爆破法、机械法、变形法、高压水清除法。由于采用高压水除鳞具有无可比拟的优越性,因此在当今世界现代化的轧钢生产中,被广泛地采用,无论特厚板、厚板、中板、热轧带钢、热轧钢管、热轧棒材、热轧型钢、车轮轮箍等轧制线上均得到广泛的应用。高压水除鳞的简单机理如下:钢坯从加热炉中出炉后,其表面覆盖的氧化铁皮急速冷却,炉内生成的氧化铁皮呈现网状裂纹。在高压水的喷射之下,氧化铁皮表面局部急冷,产生很大收缩,从而使氧化铁皮裂纹扩大,并有部分翘曲。经高压水流的冲击,在裂纹中高压水的动压力变成流体的静压力而打入氧化铁皮底部,使氧化铁皮从钢坯表面剥落,达到了清除氧化铁皮之目的。基本机理示意如图1所示。图1高压水除鳞机理示意图根据上述机理,在设计除鳞设备时,应特别考虑轧制速度、轧制温度、喷嘴的水流量、喷嘴处的水流压力等因素的影响。再有,氧化铁皮的化学成分及位层的组成与钢材的原料成分、加热温度、加热时间、炉内气氛条件和轧制工艺有密切关系。对于碳钢而言,氧化铁皮表层为Fe2O3,中间层为Fe3O4,内层为FeO。2喷嘴的选择及安装2.1喷嘴的选择高压水除鳞效果的好坏,在很大程度上取决于喷嘴的结构及喷口的形状。除鳞喷嘴的基本要求有三点:(1)喷出水流要宽而扁,要形成象锋利的刀子一样的水流。(2)水流的打击力沿水流宽度上的分布要尽可能均匀。对普碳钢在炉内生成的氧化铁皮来说均匀的打击力希望为2×105～215×105Pa。高压水压力一般为16～28MPa。(3)喷嘴的材料要求耐磨根据计算,当水压达到16MPa时,喷嘴口处的水流速度可达144m/s左右。因此没有耐磨的材料,喷嘴就要经常更换增加停轧时间,影响生产效率。根据试验得知,矩形断面的喷口不适用于高压水除鳞,因为这种喷口在边缘上的冲击力大,而在中间的冲击力小。试验资料及生产实践表明,椭圆形的喷口断面最佳。喷嘴的孔径大小也相当重要。在一定压力下,喷出水量决定于喷口孔径。喷出水量太小,表面氧化铁皮不能形成强烈的局部收缩,影响除鳞效果。而喷口过大,会造成轧制件表面温降过大,影响轧制性能和增加轧机的动力消耗,同时还要消耗过多的高压水,增加能耗。各种不同的轧制钢材,有它最合适的高压水的消耗量(喷射强度)。如热轧带钢生产线上,一般碳钢及低合金钢的高压水消耗量为:605Lt轧件,在初轧机架上为350Lt,在精轧机架上消耗为225Lt。对于不同钢种、不同材质需不同的喷射强度。单只喷嘴的水耗量Q(L/S),可按下式进行计算:Q1=F・V・1000式中:F:喷嘴喷口截面积(m2)V:喷嘴喷出口的流速(m/s)V=μ2gp式中:μ:流量系数,外伸圆柱形管嘴μ=0.82(根据不同喷嘴形状,其值在0.18～1之间)g:重力加速度(918m/s2)p:工作压力(m水柱)2.2喷嘴的安装喷嘴的安装高度、安装角度对除鳞效果有很大的影响,一般喷嘴与喷水管轴线夹角选用15°,水流与钢坯垂直面的夹角也取15°,如图2所示。图2喷嘴安装示意图图2A中,喷嘴的安装高度H一般为200～300mm。这与喷嘴的形状、流量、轧件厚度、钢材品种、喷嘴之间的间距等均有密切的关系。但主要按照轧钢工艺要求及各喷嘴的特性来决定安装尺寸。图2B中,喷嘴喷水线在钢坯上的投影线宽度W与喷嘴的喷射角及安装高度H有关,两投影线重叠区n一般为10～20mm,这与喷射强度有关。3高压泵站设计高压泵站主要有高压泵、高压储水罐、储气罐、空气压缩机、过滤器、各种高压水阀门、高压气阀门及高压管道等组成一个完整的高压水泵站。高压水泵站的系统原理见图3。图3高压水泵站系统示意图1—三柱塞高压泵,2—循环泵,3—高压空压机,4—高压水罐,5—高压气罐,6—水箱,7—最低液面阀3.1高压水泵应用于高压水除鳞系统的高压水泵,主要有两大类:一种是多柱塞泵,另一种是多级离心泵。选择哪一种泵,主要根据轧钢厂生产的钢材品种、钢产量、轧制周期等因素,决定高压水的工作压力,计算高压水的消耗量来决定。对于间歇时间较长的轧钢厂的高压水除鳞泵站,一般选用多柱塞高压水泵。因为柱塞泵在空运转时,电机空程时的电耗量只有满负荷的10%左右,可节约能源消耗,降低生产成本。而对于大部分时间需连续提供高压水的泵站,如大型的连轧宽带钢生产厂,选用多级高压离心泵较为合适。但在泵站不需提供高压水时,离心泵需设一个立式排空逆止阀,以免泵体内水温过高而影响离心泵正常工作。当系统不需要高压水时,泵的电机耗电量大约为满负荷的50%左右。从结构上比较,多柱塞泵的曲轴、十字头及十字头导体、活塞、循环阀经常需要维修。而多级离心泵结构较为简单,泵本身带有平衡盘,具有出水压力均匀及平稳,检修工作量较小等优点。总的来说,选用哪种泵合适,应通过技术经济比较来确定。3.2高压储蓄罐高压储蓄罐包括高压水罐及高压气罐。有的泵站设计中,采用水罐与气罐合并为一的储蓄罐。图3所示的系统中采用了一只气罐、一只水罐。现代除鳞泵站均采用气、水直接接触的储蓄罐。这种罐设有机械运动部件,没有摩擦损失。高压储蓄罐的主要功能有三点:(1)吸收喷射阀关闭时所产生的水锤力。当除鳞点的高压水阀突然关闭时,系统中将产生巨大的水锤力,高压罐能吸收绝大部分水锤力,保证高压水系统的安全运行。(2)调节高压水的供水量。在除鳞设备不喷或少喷高压水时,高压泵供应的一部份高压水可储存在高压水罐内。当除鳞箱的高压水耗量大于泵的供水量时,高压水罐可补充提供部分高压水,使高压泵更有效进行工作。(3)平衡高压水除鳞系统的压力。任何一个高压水除鳞系统,除鳞设备需水量都不可能绝对平衡,这样在选定工作泵的条件之下,系统的压力就会波动,就会影响除鳞的效果。而高压储蓄罐,在平衡水量的同时,也能平衡系统的压力,这样可使高压喷嘴更有效地进行工作。水罐工作容积VW(L)按下式进行计算:VW=6VQ・K6QPt60式中:6VQ:计算出的最大负荷时高压水耗量(L)K:水的漏损系数,一般为111～11156QP:工作泵总的供水量(L/min)t:最大负荷时泵的工作时间(s)气的总容积一般按水罐工作容积的10倍初算,然后复算系统的压力降。高压水系统工作压力超过510MPa时,压缩空气膨胀按绝热过程方程进行计算。Pmax・V1n=Pmin・V2n式中:Pmax:工作开始时气罐的最高压力(MPa)V1:工作开始时气体的体积(L)Pmin:工作终止时气罐的最小压力(MPa)V2:工作终止时气体的体积(L)n:膨胀指数,一般为113～114当工作压力20MPa时,取1135当工作压力32MPa时,取1140系统的压力降希望不超过最大压力的10%～12%,对于高压水除鳞来说,能满足除鳞设备最低压力,即为合理的设计。313高压空压机高压空气压缩机是供高压气罐充气之用。空压机的选型,根据系统的工作压力及供气量大小来选择。供气量QA的计算式如下:QA=VA・Pmax60・t・P0(L/min)式中:VA蓄水罐和蓄气罐中最小气体体积(L)Pmax:最大工作压力(MPa)t:充气时间,一般16～24hP0:大气压力(MPa)空压机一般选用一台,不设备用机组。主要是在开车之前有大量充气工作,工作正常之后不需要充气。如气的管路有点漏损,只是根据压力降开动空压机进行少量的补气。3.4水源过滤器在高压水除鳞系统设计中,由国外设计并引进设备的高压水泵站的水源,绝大部分由浊循环水供应,水中氧化铁皮的含量一般在10～20mg/L之间。由于高压喷嘴与高压阀芯部分水流速度很高(喷嘴喷口流速可达150m/s左右),因此,水中氧化铁皮颗粒对喷嘴与阀芯造成严重冲蚀。因此需经常更换喷嘴的喷头及增加了水泵、阀门维修工作量。宝钢钢管分公司的除鳞泵站由国外设计及成套设备供货,水源也采用浊循环水。虽然系统中设有过滤器,但不能正常运转,造成水泵、阀门、喷嘴大量维修工作,影响高压水系统正常运行。前几年,厂方把浊循环水源改为净化工业水,才保证了高压系统的正常运行。在上钢一厂半连轧钢板分厂的高压水系统设计时,作者已注意了上述问题,向高压泵提供工业净化水,但由于净化水的水质仍较差,也造成了喷嘴、阀门、泵柱塞大量维修工作量。因此,为了使高压系统能正常工作,当水源条件较差时,必须设置适用的过滤器。这种过滤器一般采用自清式过滤器,过滤器无滤料,滤网为不锈钢的V型缝隙网,网孔径≤011mm。设置了过滤器的泵站,也应保证过滤器的正常运转。否则也会造成系统不能正常运转。4除鳞系统的自动控制系统的自动控制主要是除鳞箱处的自动控制和高压泵站的自动控制。除鳞箱(即高压喷气喷水或停喷,系根据光电管接受轧制钢到位时,自动开闭二位二通阀门,控制高压喷嘴处高压水阀门的开或关。二位二通阀开闭主要通过液压或压缩空气的电磁阀来执行,多年的实践经验表明,气动的二位二通阀门使用较为合适。高压泵站的自动控制主要由水位指示器来执行,现代的水流指示器为干簧管水位指示器,作者在1970年就总结推广了这种形式的水位指示器,经改进后早已编入部颁标准,达到国际先进水平,已被广泛采用。干簧管水位指示器与高压水罐联接,它除了显示水罐中液位高低的变化外,更重要的是由它来指挥高压水泵的负荷运转或空载运转,超高压、超低压的报警,过高压后的高压泵电机电源的切断等,保证高压泵站的可靠安全运行。其结构及接线方式详见“水压机零部件”JB2061-84标准。5(1)采用高压水清除热轧钢板、型钢的氧化铁皮是当今行之有效的先进方法。(2)高压水的压力,对普碳钢而言,一般为1610MPa,对低合金钢、高碳钢2010MPa就能有较好的除鳞效果。(3)对于高压喷嘴的选择、安装高度、高压水除鳞系统的设计,应按轧制产品方案及产量、轧制工艺来决定适当的技术参数。应尽量做到技术先进、经济合理、安全可行、对老厂进行改造时应力求因地制宜