高效高壓水除鱗系統(tǒng)在天鋼高速線材廠的應(yīng)用

王永剛、尚爾暢、龐福芹

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

0 引言

天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)天鋼）現(xiàn)有兩條高速線材軋機(jī)，分別為引進(jìn)的美國(guó)摩根公司的第五代和第六代高速線材軋機(jī)，主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等優(yōu)質(zhì)品種鋼，最高軋制速度可達(dá)120m/s,整體技術(shù)裝備和工藝水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。但兩條高速線材軋機(jī)高壓水除磷工藝技術(shù)和設(shè)備落后，建設(shè)初期只配備一套高壓水除磷設(shè)備，僅能供一條生產(chǎn)線使用，而且機(jī)械、電氣設(shè)備老化嚴(yán)重，除鱗水壓力和除磷效果均不能滿足生產(chǎn)需要。在生產(chǎn)過(guò)程中，如果不能將熱軋鋼坯表面的氧化鐵皮有效清除，有些氧化鐵皮在軋輥碾壓下，就會(huì)在盤(pán)條成品表面形成麻面或者結(jié)疤，嚴(yán)重影響線材表面質(zhì)量。

天鋼目前生產(chǎn)的品種鋼對(duì)表面質(zhì)量要求極高，為了清除紅鋼坯表面氧化鐵皮，提高線材質(zhì)量，滿足高線軋制品種鋼的需求，天鋼決定重新選型配置一套一拖二的高效高壓水除鱗設(shè)備，以滿足兩條高速線材軋機(jī)的生產(chǎn)要求。本文對(duì)新配置的高效高壓水除鱗設(shè)備的技術(shù)原理、設(shè)備性能、實(shí)施技術(shù)方案進(jìn)行了闡述，介紹了高效高壓水除鱗設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了該套除鱗設(shè)備投入后的運(yùn)行效果。

1 高效高壓水除鱗設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 高效高壓水除鱗技術(shù)原理

高效高壓水除鱗設(shè)備安裝在加熱爐出口與第一架軋機(jī)之間，圖1為高效高壓水除鱗設(shè)施系統(tǒng)原理圖。由圖1可以看出，高效高壓水除鱗設(shè)備提供的高壓水通過(guò)安裝在除鱗環(huán)上的特制噴嘴形成一個(gè)具有很大沖擊力的扇形水束，噴射到剛出加熱爐的高溫鋼坯表面，對(duì)鋼坯表面的氧化鐵皮進(jìn)行清除。

圖1 高效高壓水除鱗設(shè)施系統(tǒng)原理圖

高效高壓水除鱗的技術(shù)原理：高壓扇形水束形成的沖擊力≥0.98N/mm2，可將致密的氧化鐵皮切開(kāi)，形成裂縫；高壓水透過(guò)裂縫遇到高溫母材急速汽化蒸發(fā)，形成類(lèi)似爆破的效果，將氧化鐵皮和母材剝開(kāi)；同時(shí)氧化鐵皮在受到水沖擊后冷卻收縮，產(chǎn)生橫向剪切力，促進(jìn)了氧化鐵皮在母材表面上的松動(dòng)；最終帶有前傾角的高速水射流將已經(jīng)松散的氧化鐵皮沖刷掉。

1.2 高效高壓水除鱗系統(tǒng)工藝參數(shù)

1.2.1 高效高壓水除鱗系統(tǒng)應(yīng)用鋼種

高效高壓水除鱗系統(tǒng)主要用于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等優(yōu)質(zhì)品種鋼的生產(chǎn)。天鋼兩條高速線材軋機(jī)設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為130 萬(wàn)噸，所用鋼坯的主要規(guī)格為150mm×150mm 和160mm×160mm 方坯，鋼坯長(zhǎng)度9m～12.5m，鋼坯最高加熱溫度為1250℃，高溫鋼坯通過(guò)高壓水除鱗環(huán)的速度為1.1m/s～1.3m/s。

1.2.2 除鱗系統(tǒng)工藝指標(biāo)

對(duì)于160mm×160mm 規(guī)格鋼坯，高壓除鱗水打擊力≥1.0N/mm2；對(duì)于150mm×150mm 規(guī)格鋼坯，高壓除鱗水打擊力≥0.98N/mm2；除鱗環(huán)處高壓水壓力為10MPa～22MPa 范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；除鱗面積除凈率（面積比）≥98%；除鱗前后鋼坯溫降小于20℃。

2 高效高壓水除鱗系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 高效高壓水除鱗系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

高效高壓水除鱗系統(tǒng)要根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)要求做設(shè)計(jì)。為了使新建的除鱗系統(tǒng)能達(dá)到先進(jìn)、可靠、高效、節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)，在滿足高線工藝技術(shù)要求下，選擇合理的設(shè)計(jì)余量，結(jié)合設(shè)備的性能和價(jià)格，選用性?xún)r(jià)比最佳結(jié)合點(diǎn)。

2.2 高效高壓水除鱗系統(tǒng)工藝流程

高壓水系統(tǒng)增壓管道泵從自動(dòng)補(bǔ)水控制的水箱抽水，經(jīng)過(guò)濾器去除水中雜質(zhì)后進(jìn)入高壓泵進(jìn)水管道，再經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入高壓水管路系統(tǒng)，最后通過(guò)除鱗箱的噴嘴噴射出高壓水對(duì)鋼坯表面進(jìn)行除鱗。當(dāng)系統(tǒng)不除鱗時(shí)卸荷閥打開(kāi)，通過(guò)PLC 控制變頻器調(diào)低除鱗泵的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)節(jié)能。水箱補(bǔ)水通過(guò)氣動(dòng)閥根據(jù)水箱液位變化自動(dòng)補(bǔ)水，補(bǔ)水系統(tǒng)也配置了過(guò)濾器，以保證水箱中水的質(zhì)量[1]。

2.3 高效高壓水除鱗系統(tǒng)技術(shù)性能

高效高壓水除鱗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大水消耗量為28m3/h，系統(tǒng)安全壓力為25MPa，高壓泵輸出額定壓力為24MPa，除鱗噴嘴額定噴射壓力為22MPa。

2.4 高效高壓水除鱗系統(tǒng)配置

高效高壓水除鱗系統(tǒng)主要包括過(guò)濾裝置、高壓泵、水箱自動(dòng)補(bǔ)水裝置、除鱗箱、電氣控制系統(tǒng)等

2.4.1 過(guò)濾裝置

系統(tǒng)配置了兩級(jí)過(guò)濾：一級(jí)是水箱補(bǔ)水前配置的一組100μm反沖洗過(guò)濾器，二級(jí)是高壓泵前配置的一組80μm反沖洗過(guò)濾器。配置過(guò)濾裝置的目的是提高水質(zhì)，降低柱塞泵、除鱗噴嘴、除鱗閥等元件的磨損，提高元件使用壽命，保證除鱗壓力[2]。

2.4.2 水箱自動(dòng)補(bǔ)水裝置

水箱自動(dòng)補(bǔ)水裝置包括前置的兩套管道增壓泵組、水箱氣動(dòng)補(bǔ)水閥、水箱液位檢測(cè)裝置。水箱補(bǔ)水是根據(jù)液位檢測(cè)信號(hào)，由管道增壓泵配合氣動(dòng)補(bǔ)水閥來(lái)完成。水箱自動(dòng)補(bǔ)水裝置能夠保證高壓泵吸水效果，消除氣蝕隱患的發(fā)生。

2.4.3 高壓泵

系統(tǒng)配置了3臺(tái)高壓柱塞泵，開(kāi)2備1。高效高壓水除鱗控制系統(tǒng)采用一拖二控制，可供兩條高速線材軋機(jī)同時(shí)使用，單獨(dú)控制。高壓泵自帶強(qiáng)制潤(rùn)滑水冷，并配有油壓、油位和油溫繼電器等保護(hù)裝置。自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)故障，一旦檢測(cè)到高壓泵故障，PLC 會(huì)報(bào)警直至自動(dòng)停泵。高壓泵的進(jìn)出口與管線的連接采用高壓軟管連接方式，可以有效地減少水力對(duì)管線的沖擊，并在每臺(tái)高壓泵出口設(shè)置了止回閥。

2.4.4 除鱗箱

除鱗箱包括除磷環(huán)、除鱗噴嘴、擋水板等。根據(jù)打擊力的要求，除鱗箱采用了德國(guó)LECHLER 專(zhuān)用高壓除鱗噴嘴。圖2為除鱗箱噴嘴布置圖。

圖2 除鱗箱噴嘴布置圖

2.4.5 電氣控制系統(tǒng)

高效高壓水除鱗電氣控制系統(tǒng)共包括3 臺(tái)變頻柜、1 臺(tái)PLC 控制柜、1 臺(tái)開(kāi)關(guān)柜、1 臺(tái)主控制箱、1臺(tái)本地電氣箱。電氣控制設(shè)備組成具有簡(jiǎn)單、合理、易維護(hù)等特點(diǎn)。

（1）變頻柜：變頻柜主要元件采用ABB 品牌產(chǎn)品，接觸器、空氣開(kāi)關(guān)等電器元件采用國(guó)產(chǎn)名牌產(chǎn)品，其他一些非主要元件在保證質(zhì)量的前提下采用國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)元器件。高壓泵的啟停和調(diào)速需采用變頻器控制。變頻裝置除了可以控制高壓泵的轉(zhuǎn)速，還可以減少高壓泵啟停過(guò)程中的沖擊電流，減少對(duì)供電系統(tǒng)的危害，降低對(duì)高壓泵設(shè)備的機(jī)械沖擊。

（2）PLC控制柜：PLC控制柜內(nèi)的主要控制元件是采用的西門(mén)子S7-1200產(chǎn)品。PLC控制柜依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)，按程序?qū)γ總€(gè)水泵啟動(dòng)柜和卸荷閥組進(jìn)行控制，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。現(xiàn)場(chǎng)所有的光電開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)信號(hào)直接進(jìn)入PLC 控制柜，從而對(duì)系統(tǒng)形成綜合保護(hù)。

（3）開(kāi)關(guān)柜：開(kāi)關(guān)柜的作用是將來(lái)自主變壓器或其它配電室的動(dòng)力電依次分配到二次控制柜上，是本電氣控制系統(tǒng)的一級(jí)斷路器。

（4）主控制箱：主控制箱是安裝在主操作室內(nèi)的控制設(shè)備，主要由安裝在這里的一臺(tái)工控機(jī)來(lái)完成操作。通過(guò)WINCC 軟件在工控機(jī)顯示器上設(shè)計(jì)好控制界面，操作人員可通過(guò)控制界面對(duì)高效高壓水除鱗系統(tǒng)進(jìn)行控制，也可快速了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況。主控箱上安裝有警器及緊急停車(chē)按鈕便于操作人員及時(shí)發(fā)行和處置系統(tǒng)故障。

（5）本地操作箱：本地操作箱是安裝在高壓泵站內(nèi)的控制設(shè)備，以方便操作人員檢修或者調(diào)試時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作。

2.5 高效高壓水除鱗泵控制

高速線材軋機(jī)加熱爐出口處裝有熱金屬檢測(cè)器。當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到有熱鋼坯通過(guò)時(shí)，向高效高壓水除鱗控制系統(tǒng)PLC 發(fā)出信號(hào)，關(guān)閉系統(tǒng)卸荷閥，提高除鱗泵轉(zhuǎn)速，開(kāi)始除鱗；鋼坯移出后，熱金屬檢測(cè)器通過(guò)PLC 指令卸荷閥打開(kāi)，降低除鱗泵轉(zhuǎn)速，除鱗過(guò)程結(jié)束。由于高效高壓水除鱗系統(tǒng)對(duì)自身的安全性能要求高，其PLC 控制系統(tǒng)需要采集現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程信號(hào)，如壓力、溫度等，來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)閉等。高壓泵通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，不僅可以滿足工藝要求，還和節(jié)約能源、提高除鱗泵的使用壽命。

高壓泵啟動(dòng)條件為：水箱水位正常，低壓供水系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，除鱗泵出口閥處于開(kāi)啟狀態(tài)；潤(rùn)滑油壓力大于0.25MPa，潤(rùn)滑油系統(tǒng)處在正常工作狀態(tài)，油溫正常。

高壓泵電機(jī)跳閘條件為：除鱗系統(tǒng)壓力超過(guò)24MPa；潤(rùn)滑油壓力小于0.16MPa；潤(rùn)滑油液位過(guò)低；潤(rùn)滑油溫度過(guò)高。

3 高效高壓水除鱗系統(tǒng)操作要點(diǎn)及保護(hù)

3.1 高效高壓水除鱗系統(tǒng)操作要點(diǎn)

（1）首先檢查各個(gè)用電設(shè)備的絕緣狀況和接線情況，確認(rèn)無(wú)誤后將空氣開(kāi)關(guān)及斷路器依次合上。

（2）將系統(tǒng)選擇為手動(dòng)本地控制，手動(dòng)本地控制指示燈得電后系統(tǒng)就緒。

（3）通過(guò)本地操作箱上的觸摸屏來(lái)完成本地手動(dòng)操作。在觸摸屏WINCC 控制界面上選擇為手動(dòng)控制，然后啟動(dòng)各高壓泵，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。高壓泵正常后，按下卸荷閥相對(duì)應(yīng)的測(cè)試按鈕，對(duì)卸荷閥進(jìn)行測(cè)試。

（4）系統(tǒng)測(cè)試正常后，在觸摸屏上將系統(tǒng)選擇為自動(dòng)控制。自動(dòng)控制指示燈得電后系統(tǒng)就緒，本地自動(dòng)控制和集中自動(dòng)控制工藝流程相同。

（5）系統(tǒng)選擇為自動(dòng)控制后，首先按順序啟動(dòng)高壓泵，高壓泵啟動(dòng)后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，高效高壓水除鱗系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)投入對(duì)應(yīng)的高壓泵。

（6）當(dāng)有工件從生產(chǎn)線經(jīng)過(guò)時(shí)，熱金屬檢測(cè)器給高效高壓水除鱗控制系統(tǒng)PLC 發(fā)出信號(hào)，關(guān)閉系統(tǒng)卸荷閥，除鱗泵升速，開(kāi)始除鱗；當(dāng)工件過(guò)去后，卸荷閥打開(kāi)，除鱗泵降速，除鱗過(guò)程結(jié)束。

3.2 高效高壓水除鱗系統(tǒng)保護(hù)

除鱗高壓泵是容積式泵，它的壓力與外界背壓有關(guān)，外界壓力越高、系統(tǒng)壓力也就越高，在過(guò)高外界壓力下，泵、閥及管路就會(huì)損壞。因此，在PLC 控制系統(tǒng)中，要求設(shè)置三個(gè)保護(hù)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)23.5MPa 時(shí)，卸荷閥打開(kāi)，系統(tǒng)卸壓；當(dāng)壓力超過(guò)24MPa 時(shí)，泵自動(dòng)跳閘；當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)24.5MPa時(shí)，泵的安全閥打開(kāi)，保證系統(tǒng)的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

天鋼高效高壓水除鱗系統(tǒng)安裝、調(diào)試、投運(yùn)后，實(shí)現(xiàn)了兩條高速線材軋機(jī)的熱坯高效除鱗。該系統(tǒng)設(shè)備選型合理，性?xún)r(jià)比高，在滿足兩條高速線材軋機(jī)除鱗工藝要求下，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)、可靠、高效、節(jié)能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另外該系統(tǒng)采用了兩條高速線材軋機(jī)高效高壓水除鱗系統(tǒng)一拖二控制，整個(gè)電氣控制設(shè)備組成簡(jiǎn)單、合理、易維護(hù)。

高效高壓水除鱗系統(tǒng)投運(yùn)后的生產(chǎn)實(shí)踐表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、自動(dòng)化控制水平高、除鱗效果好，鋼坯鐵鱗除凈率可以達(dá)到98%，避免了因鋼坯表面氧化鐵皮未清除而使盤(pán)條表面產(chǎn)生的麻面和結(jié)疤問(wèn)題，改善了天鋼高線盤(pán)條的表面質(zhì)量，提高了天鋼高線盤(pán)條的市場(chǎng)形象和競(jìng)爭(zhēng)力。