高壓水除磷系統(tǒng)在柳鋼熱軋生產(chǎn)線上的使用和創(chuàng)新

萬祖勇 劉漢洪

摘 要：隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展和市場要求的不斷提高，客戶對熱軋板卷的表面質(zhì)量要求也越來越高，而高壓水除磷系統(tǒng)正是傳統(tǒng)熱連軋生產(chǎn)線上影響鋼卷表面質(zhì)量最核心的設(shè)備，它的穩(wěn)定順行直接關(guān)乎鋼卷的表面質(zhì)量，文章將主要闡述高壓水除磷系統(tǒng)在柳鋼熱連軋生產(chǎn)線上的使用和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：高壓水除磷系統(tǒng)；表面質(zhì)量；使用和創(chuàng)新

中圖分類號：TG333 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0050-03

在傳統(tǒng)熱連軋生產(chǎn)線中，剛出爐的紅鋼坯溫度能夠達(dá)到1 260 ℃多 ，而紅坯在高溫情況下和空氣中的氧氣、水分等極易發(fā)生氧化作用，在表面生成一層氧化膜，也叫氧化鐵皮。紅坯在粗軋機組和精軋機組上進(jìn)行軋制時，由于軋機壓下作用力巨大，容易將氧化鐵皮直接壓入鋼材，從而影響到鋼材的表面質(zhì)量，因此去除鋼板表面氧化鐵皮顯得十分重要。

傳統(tǒng)的板坯除磷方法有很多，如超聲波除磷、水除磷等。我國目前的除磷方法主要還是集中在高壓水除磷方面。生產(chǎn)中如果遭遇除磷系統(tǒng)運行異常，會導(dǎo)致大批量的氧化鐵皮壓入、鋼板表面暗淡、黑斑、色斑等等出現(xiàn)，同時也會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。合理科學(xué)的除磷關(guān)乎鋼材的表面質(zhì)量，同時也關(guān)乎我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統(tǒng)由于其高壓力、大流量、高能耗的特點，也有許多問題等待我們解決，如何降低本廠高壓水除磷系統(tǒng)的高能耗，成為了我們面臨的一個重要的攻關(guān)課題。

1 高壓水除磷系統(tǒng)在柳鋼熱軋生產(chǎn)線上的應(yīng)用

1.1 柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統(tǒng)的基本配置情況

柳鋼熱軋廠擁有2032和1450兩條熱連軋生產(chǎn)線，其中高壓水除磷系統(tǒng)兩線各有一條，分別獨立控制。其設(shè)備配置、工作原理基本相同，兩條高壓水除磷系統(tǒng)均由國內(nèi)領(lǐng)先的重慶水泵廠設(shè)計安裝調(diào)試。該系統(tǒng)主要由自清洗過濾器、除磷電機、泵組、蓄能器、閥組（含最小流量閥、最低液面閥、高壓電動閘閥、旁通閥、噴射閥、節(jié)流裝置等）、高低壓管路、各除磷點、高壓空壓機、電氣控制部分組成。

系統(tǒng)低壓水進(jìn)口壓力：0.4～0.7 MPa；

泵出口壓力：18.0～22.0 MPa；

除磷泵型號：ZDSS 360-200；

流量：50～400 m3/h；

轉(zhuǎn)速：2 890～2 980 r/min；

主電機型號：YKS 3150-2/1180；

功率：3 150 kW；

轉(zhuǎn)速：2 985 r/min；

電壓：10 kV；

額定電流：206 A。

自清洗過濾器過濾精度為100 μ，高壓儲氣罐和氣水罐各一個，每個10 m3，壓力：20～23.0 MPa，高壓空壓機兩臺，其中V-3/230和V-3/350各一臺。

1.2 柳鋼熱軋廠除磷工藝流程簡介

柳鋼熱軋廠生產(chǎn)過程中鋼板除磷流程基本可概述如下：紅鋼坯在出爐以后經(jīng)過除磷前輥道進(jìn)入爐后除磷箱中完成初次除磷，離開爐后除磷箱經(jīng)機前延伸輥道緩慢進(jìn)入R0粗軋機，在R0粗軋機咬鋼之前啟動機前第一次除磷，粗軋機一般設(shè)置為5道次或者7道次往返軋制，經(jīng)粗軋機程序設(shè)定的機前機后多次除磷后，中間坯的氧化鐵皮已被大量清除，粗軋機拋鋼后經(jīng)中間輥道傳輸?shù)綗峋硐漕^尾轉(zhuǎn)換，進(jìn)入精軋機組前，在精除磷箱進(jìn)行精細(xì)除磷，精除磷后的鋼板經(jīng)精軋機組連續(xù)軋制后途經(jīng)層流輥道上下均勻冷卻在卷取機組上完成熱卷，后經(jīng)打捆、轉(zhuǎn)運、噴字、多方檢定后入庫存放，成為合格的待售商品。

1.3 高壓水除磷的基本原理

柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統(tǒng)配備有獨立的源源不斷的低壓濁環(huán)水供水系統(tǒng)。低壓濁環(huán)水經(jīng)全自動自清洗過濾器過濾后，達(dá)到高壓水除磷系統(tǒng)所使用的除磷水要求標(biāo)準(zhǔn)，然后由高壓離心水泵迅速增壓，通過高壓管路將高壓水導(dǎo)入除磷集管，通過集管噴嘴高速噴射出來，當(dāng)通過噴嘴的高壓水被打到高溫的鋼坯上下表面時，會發(fā)生下列物理變化過程：

①由于薄的扇形高壓水束形成的沖擊力更大一些，所以通過噴嘴的高壓水束就像一把鋒利的切割機器，將氧化鐵皮與鋼材母體剝離，產(chǎn)生細(xì)小的縫隙。

②剛出爐的鋼坯表面氧化鐵皮溫度很高，當(dāng)高壓水噴在氧化鐵皮表面時，水分快速蒸發(fā)吸熱，氧化鐵皮急劇變冷收縮，產(chǎn)生橫向切割力，將表面氧化物與鋼坯分離。

③通過噴嘴的水珠進(jìn)入縫隙，與鋼材母坯接觸的水珠急劇蒸發(fā)，周圍壓力驟增，類似于一個小型爆破效果，將表面氧化鐵皮進(jìn)一步剝離母體。

④高壓噴嘴和鋼材母體具有一定的傾斜角度，因此強大的扇形水束能夠充分沖刷已經(jīng)松動的表面氧化鐵皮。

1.4 高壓水除磷系統(tǒng)核心組成部分的功用

1.4.1 自清洗過濾器

低壓濁環(huán)水的水質(zhì)不能滿足除磷泵系統(tǒng)用水要求，設(shè)置自清洗過濾器，可以除去水中的懸浮物、顆粒及其他雜質(zhì)，以保證泵的流量、壓力的穩(wěn)定，減少泵、噴嘴及管路系統(tǒng)的磨損，提高除磷系統(tǒng)的使用壽命。

1.4.2 高壓除磷泵

高壓除磷泵為除磷系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，他將電能轉(zhuǎn)換為機械能再轉(zhuǎn)換為液壓勢能，最后由液壓勢能轉(zhuǎn)換為動能，打擊在鋼坯表面上進(jìn)行除磷。

1.4.3 蓄能器

它在高壓管路系統(tǒng)中能夠起到儲存液壓勢能、調(diào)節(jié)能量、均衡壓力、緩沖系統(tǒng)的震蕩、減少泵的輸出流量、降低功率損耗、減少系統(tǒng)發(fā)熱、防止水錘發(fā)生等作用。柳鋼熱軋廠高壓除磷系統(tǒng)使用的是直接接觸式充氣蓄能器，就是蓄能器中上部分充滿氣體下部分充滿液體，氣體和液體直接接觸，當(dāng)系統(tǒng)壓力高于氣體壓力時，氣體被壓縮，吸收能量，緩沖系統(tǒng)的壓力和流量脈動，液面上升；當(dāng)系統(tǒng)壓力低于氣體壓力時，氣體膨脹，釋放能量，緩沖系統(tǒng)的壓力和流量脈動，液面下降，氣體如此周而復(fù)始壓縮和膨脹，吸收和釋放能量，吸收系統(tǒng)的壓力和流量脈動，使系統(tǒng)運行盡量趨于平穩(wěn)。

1.4.4 高壓空壓機

高壓空壓機主要是用來向蓄能器中補充高壓壓縮空氣，保持蓄能器使用壓力均衡，以維持高壓水系統(tǒng)的穩(wěn)定順行。

1.4.5 最小流量閥

主要用來保護(hù)高壓除磷泵，在噴射閥關(guān)閉后，蓄能器補水完畢時，系統(tǒng)不需要水量，此時又不能關(guān)閉除磷泵（因為除磷噴射周期短，大電機不能頻繁的啟停）除磷泵無流量輸出時，就會發(fā)熱，在泵的出口設(shè)置一個最小流量閥，自動開啟排放一部分水，通過節(jié)流孔板來調(diào)節(jié)流量的大小，讓除磷泵輸出一定的水量，通過最小流量閥帶走一部分熱量。電機在除磷泵小流量輸出時，功率會大大降低，這樣就可以保持系統(tǒng)的平衡。

1.4.6 最低液面閥

設(shè)置在蓄能器與高壓管路之間，根據(jù)蓄能器的液面及系統(tǒng)的壓力自動控制最低液面閥的開閉，保證蓄能器里的液面在設(shè)定值，嚴(yán)禁空氣進(jìn)入高壓管路系統(tǒng)，在閥關(guān)閉時，它又相當(dāng)于一個單向閥，外面的水可以進(jìn)入蓄能器，里面的水又不能出來，這樣能有效防止跑水，進(jìn)而造成跑氣。

1.4.7 噴射閥

設(shè)置在除磷點之前，主要用來開啟和關(guān)閉高壓水，控制高壓除磷集管和噴嘴的噴射和停止，在噴射閥前設(shè)置有一個高壓的電動閘閥，用來作為日常的檢修閥和安全閥使用。

1.5 柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統(tǒng)的啟動與控制

1.5.1 系統(tǒng)的啟動

系統(tǒng)初次開始運行時，在除磷泵啟動前，關(guān)閉噴射閥，最小流量閥，打開泵的出口高壓電動輸出閥，最低液面閥，先向蓄能器加水到設(shè)定液位時，停止加水，關(guān)閉最低液面閥和泵出口輸出閥，手動啟動高壓空壓機，向蓄能器中補氣，使蓄能器內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的壓力后，停止空壓機。高壓管路進(jìn)行充分排氣后，打開最小流量閥，啟動除磷泵，整個系統(tǒng)就可以進(jìn)入自動運行狀態(tài)。

1.5.2 蓄能器的控制

若蓄能器的液位到達(dá)最低設(shè)定值時，高壓液位計會傳出信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)自動關(guān)閉最低液面閥，以防止高壓氣體竄入管路系統(tǒng)，此時最低液面閥有單向閥的功能，即高壓水只能進(jìn)入蓄能器；當(dāng)蓄能器水位恢復(fù)到正常狀態(tài)時，最低液面閥恢復(fù)正常狀態(tài)；若蓄能器的液位達(dá)到最高設(shè)定值且壓力值達(dá)到規(guī)定范圍下限時，控制系統(tǒng)自動啟動空壓機向蓄能器補氣。在蓄能器上設(shè)有安全閥，以防止誤操作而造成除磷系統(tǒng)超壓現(xiàn)象的發(fā)生，保障系統(tǒng)的安全運行。

1.5.3 系統(tǒng)除磷

當(dāng)鋼坯到達(dá)除磷箱，系統(tǒng)自動打開噴射閥，除磷泵和蓄能器同時供水除磷，除磷完畢，噴射閥自動關(guān)閉，泵向蓄能器補水，蓄能器的壓力到泵的關(guān)死壓力，泵無流量輸出，蓄能器補水完畢。

在除磷泵向蓄能器補水完畢后，泵運行過程中會產(chǎn)生一定的熱量，當(dāng)溫度升高到設(shè)定值時，系統(tǒng)自動打開除磷泵的最小流量閥，排放掉一定流量的水，帶走部分熱量，可以降低除磷泵泵體溫度，當(dāng)溫度低于一定值時，系統(tǒng)又自動關(guān)閉最小流量閥，此時電機耗費功率最小，可以大大節(jié)約電能，由于最小流量閥的后面設(shè)置有節(jié)流孔板及擴散管，即使最小流量閥打開，泵的排量也不大，因此合理的設(shè)計和控制除磷泵的殼體溫度，調(diào)節(jié)排放量，既能節(jié)約電費，又能延長除磷泵的使用壽命。

1.6 主要核心部件常遇到的問題及解決方案

1.6.1 蓄能器

蓄能器的水位發(fā)生異常變化，可能的原因有：連續(xù)多點除磷時間過久、蓄能器壓縮空氣壓力不足未及時開啟高壓空壓機補氣、磁浮子液位計故障。主要解決方法有：嚴(yán)格按操作規(guī)程操作、日常注意點檢及時補氣、對液位計進(jìn)行檢修維護(hù)。

1.6.2 除磷泵殼

除磷泵殼體溫度異常報故障，主要原因有以下幾個方面：最小流量閥動作異常、最小流量閥手動閥未打開、節(jié)流孔堵塞、定時器調(diào)整出現(xiàn)偏差、除磷泵異常。主要解決方法有：檢查最小流量閥閥體或者更換新閥、打開手動控制閥、對節(jié)流裝置進(jìn)行定期清理和定期更換、設(shè)置定時器到30 s、對除磷泵進(jìn)行專業(yè)檢查。

1.6.3 除磷管路

除磷管路振動大，主要原因是：除磷過程中噴射閥頻繁關(guān)閉打開，原本高速流動的除磷水突然堵塞，動能轉(zhuǎn)換為彈性勢能，造成管道震動，久而久之，造成各種螺栓松動，高壓管道開裂，輕者耽誤工期，減少產(chǎn)量，重者造成人員傷亡。當(dāng)管道的閥門進(jìn)行頻繁開啟和關(guān)閉時，管道中的液體壓力發(fā)生劇烈的變化進(jìn)行阻尼運動。這也是水錘的工作原理，會帶來巨大的噪聲和震動。當(dāng)閥門突然打開時，壓力驟降，壓力過低時，水分蒸發(fā)，發(fā)生氣穴現(xiàn)象，也會影響除磷的效果。

因此，我們利用大修時間對高壓除磷水管道進(jìn)行了加固，在管道經(jīng)過的地方注澆混凝土，并且用35 mm厚的預(yù)埋鋼板，降低高壓水管道的中心，管夾支撐部分直接焊在鋼板上，并且在管道和支撐架之間墊上10 mm厚的橡膠墊片減震。在焊接好的支撐架上用400 mm×300 mm×20 mm的鋼板焊接再次固定。由于進(jìn)行了加固，高壓管道運行暢通，沖擊力明顯減小，噪聲也相對變小，既增加了效益，又保證了工作人員的人身安全。

2 高壓水除磷系統(tǒng)在柳鋼熱連軋生產(chǎn)線上的創(chuàng)新使用

柳鋼熱軋廠高壓水除磷主電機型號：YKS 3150-2/1180、額定功率：3 150 kW；額定轉(zhuǎn)速：2 985 r/min；電壓：10 kV；額定電流：206 A；頻率：50 Hz。

由于高壓水除磷系統(tǒng)使用頻率高，間隔時間短，而大型的電機又不能頻繁的開關(guān)，所以除磷泵的電機一直處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，而空轉(zhuǎn)時又會產(chǎn)生大量的熱能，為了降溫最小流量閥需要不斷的排水，因此浪費了大量的電力，同時也大大增加了用水量，因此噸鋼能耗成本增加，對柳鋼熱軋廠的效益造成了較大的損失。所以對柳鋼高壓水除磷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能創(chuàng)新顯得十分必要。

采用變頻器控制系統(tǒng)，對高壓水主電機使用頻率進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。在確?，F(xiàn)場生產(chǎn)時各除磷集管上壓力都能高于18 MPa的條件情況下，盡量降低主電機使用頻率，根據(jù)蓄能器中壓力大小和液面位置來進(jìn)行連鎖控制，從而調(diào)整高壓離心泵的使用頻率和實時轉(zhuǎn)速，一般最低可將主電機的使用頻率從50 Hz降低到38 Hz左右。通過變頻器的調(diào)節(jié)，原本高能耗的離心泵轉(zhuǎn)速大幅降低，可以大大減少能耗。

對于最小流量閥的實時排水問題，熱軋廠對最小流量閥排出的冷卻余水進(jìn)行了集中回收過濾、再處理、之后重新進(jìn)入低壓濁環(huán)水系統(tǒng)回收利用，節(jié)約水耗。

針對柳鋼熱軋廠現(xiàn)場生產(chǎn)情況，廠部和車間特別制定了高壓水除磷系統(tǒng)管理考核規(guī)定，其中最主要的一條是：如果生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)停軋情況，在確定停軋時間可能會超過1 h的情況下，由調(diào)度安排值班鉗工及時關(guān)閉高壓除磷系統(tǒng)；如果現(xiàn)場停軋時間預(yù)估在1 h以內(nèi)，就要求操作工將變頻降速投到最低門檻。這樣實施以來，高壓水除磷系統(tǒng)的能耗得到了大幅降低，為柳鋼熱軋廠的優(yōu)質(zhì)增效和降成本工作起到了很好的效果。

3 結(jié) 語

柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統(tǒng)投產(chǎn)使用已有10 a之久，在10 a的使用中通過不斷的設(shè)備改進(jìn)、工藝創(chuàng)新、程序優(yōu)化升級，現(xiàn)在運行已經(jīng)越來越穩(wěn)定可靠。但是由于其高壓力、大流量、高耗能的特殊性質(zhì)，在使用時常常需要注意很多問題，同時也需要在后續(xù)的生產(chǎn)中不斷的探索和創(chuàng)新。

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