高压水除鳞系统的自动化控制
张小松
【摘要】叙述了高压水除鳞的机理，重点介绍高压水系统的自动控制，对系统的设计及基本的计算方法简要说明。
【关键词】热轧生产高压水除鳞自动控制
0 前言
在热轧钢材生产过程中，钢坯表面的炉生氧化铁皮是影响钢材表面质量的主要原因之一，由于它的存在，使钢材表面产生凹坑、麻点、氧化铁压入等多种产品缺陷。为了解决这一问题，国内外已经采用多种除鳞方法，相比之下，高压水除鳞技术具有适应钢种范围广，除净率高，综合成本低等优点。在热态除鳞和冷态除鳞中得到了广泛应用，成为当今除鳞方法的主流。2008年9月京唐钢铁股份有限公司热轧带钢厂（简称京唐钢铁）投入了1套高压水除鳞装置，并于当年的12月投入使用，到目前为止，该设备运转正常，除鳞工作可靠，除鳞效果良好。
1 高压水除鳞的机理
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。
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。目前高压水除鳞系统的设计及应用, 还存在一些问题。为了总结提高高压水除鳞效果, 本文对系统一些主要问题进行一定探讨, 以供有关设计、生产管理人员参考。
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2×105～2.5×105 Pa 。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。
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 =μgp
2
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0.8～1之
间)
g : 重力加速度(9.8m/s2)
p : 工作压力(m 水柱)
3 除鳞系统的自动控制
3.1根据轧制除鳞工艺设计二套除鳞系统
相对一个系统而言降低了重叠除鳞流量，减少除鳞点压力波动和重叠除鳞次数，保证除鳞质量和均匀的冷却；
3.2采用偶合器调速，实现离心泵“按需供给”
●降低运行成本
●避免离心泵出现闭点压力和过热烧泵现象，提高系统运行可靠性；
●降低蓄能器持续峰值压力，降低系统高压风险投资；
●减少离心泵高速高压运行时间，提高高压系统耐压元件使用寿命；
●避免蓄能器冒顶，提高系统运行的可靠性；提高生产效率
3.3粗轧泵站采用蓄能器与泵站二处布置
●供水压力源靠近除鳞点，压力降少，有利除鳞质量；
●蓄能器靠近除鳞点减少离心泵负荷和管路冲击；
●二个压力源为三个除鳞点供水，系统压力均衡。
3.4 FSB系统采用离心泵直接供水
●除鳞点压力恒定，没有波动；除鳞质量好；
●系统管网无冲击震动，运行可靠性高；
●采用中间坯全除鳞和中间坯让头二种除鳞工艺，满足不同钢种除鳞需要。
3.5 粗、精轧泵站控制系统与轧制线除鳞和换辊等非生产停机作业间隔，实现离心泵根据轧制除鳞需要供水，除鳞点压力22MPa可调，实现非生产停机作业期间，泵站至除鳞点压力约1.5MPa，有利轧机区域作业人员安全。
图2 高压水除鳞系统简图
4.电控仪表
4.1基础自动化部分
两个泵站设置两套PLC控制系统，采用西门子PLC S7-317、配多个ET-200M工作站，对高压水除鳞泵、高压电机、液力偶合器、液压站、联合油站、除鳞机、除鳞阀、蓄势器等设备实现远程控制及信号采集，根据除鳞系统的工艺要求及除鳞设备的特殊性，编制安全可靠的运转程序保证除鳞系统安全、可靠、自动节能运行。
4.2工控机人机界面部分
每个泵站设置两套工控机及一个触摸屏分别设在控制室、现场操作台，地下除鳞泵站。
4.3工控机采用西门子6AG4011工控机及WCC监控软件,通过数据采集，对高压水除鳞系统各部分运行情况进行监控，人机界面内容有：泵站主画面、泵组分画面、系统操作画
面、系统故障报警画面、故障和事故记录、趋势画面。
4.4仪表部分：
一次仪表采用德国进口HYDAC 压力变送器及温度传感器对除鳞泵、高压电机、液力偶合器、液压站、联合油站等设备的测压点及测温点进行信号反馈，对高压水除鳞系统的主要参数除在人机介面实时监控。
