高效高壓水除鱗系統在天鋼高速線(xiàn)材廠(chǎng)的應用

王永剛、尚爾暢、龐福芹

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

天津鋼鐵集團有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)天鋼）現有兩條高速線(xiàn)材軋機，分別為引進(jìn)的美國摩根公司的第五代和第六代高速線(xiàn)材軋機，主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼、低合金鋼、合金結構鋼等優(yōu)質(zhì)品種鋼，最高軋制速度可達120m/s,整體技術(shù)裝備和工藝水平處于國內領(lǐng)先。但兩條高速線(xiàn)材軋機高壓水除磷工藝技術(shù)和設備落后，建設初期只配備一套高壓水除磷設備，僅能供一條生產(chǎn)線(xiàn)使用，而且機械、電氣設備老化嚴重，除鱗水壓力和除磷效果均不能滿(mǎn)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疤，嚴重影響線(xiàn)材表面質(zhì)量。

天鋼目前生產(chǎn)的品種鋼對表面質(zhì)量要求極高，為了清除紅鋼坯表面氧化鐵皮，提高線(xiàn)材質(zhì)量，滿(mǎn)足高線(xiàn)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備，以滿(mǎn)足兩條高速線(xiàn)材軋機的生產(chǎn)要求。本文對新配置的高效高壓水除鱗設備的技術(shù)原理、設備性能、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備的技術(shù)特點(diǎn)，總結了該套除鱗設備投入后的運行效果。

1.1 高效高壓水除鱗技術(shù)原理

高效高壓水除鱗設備安裝在加熱爐出口與第一架軋機之間，圖1為高效高壓水除鱗設施系統原理圖。由圖1可以看出，高效高壓水除鱗設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，對鋼坯表面的氧化鐵皮進(jìn)行清除。

圖1 高效高壓水除鱗設施系統原理圖

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工藝參數

1.2.1 高效高壓水除鱗系統應用鋼種

高效高壓水除鱗系統主要用于優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼、低合金鋼、合金結構鋼等優(yōu)質(zhì)品種鋼的生產(chǎn)。天鋼兩條高速線(xiàn)材軋機設計年生產(chǎn)能力為130 萬(wàn)噸，所用鋼坯的主要規格為150mm×150mm 和160mm×160mm 方坯，鋼坯長(cháng)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 除鱗系統工藝指標

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

2.1 高效高壓水除鱗系統設計原則

高效高壓水除鱗系統要根據上述技術(shù)參數要求做設計。為了使新建的除鱗系統能達到先進(jìn)、可靠、高效、節能的標準，在滿(mǎn)足高線(xiàn)工藝技術(shù)要求下，選擇合理的設計余量，結合設備的性能和價(jià)格，選用性?xún)r(jià)比最佳結合點(diǎn)。

2.2 高效高壓水除鱗系統工藝流程

高壓水系統增壓管道泵從自動(dòng)補水控制的水箱抽水，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，最后通過(guò)除鱗箱的噴嘴噴射出高壓水對鋼坯表面進(jìn)行除鱗。當系統不除鱗時(shí)卸荷閥打開(kāi)，通過(guò)PLC 控制變頻器調低除鱗泵的轉速，使系統節能。水箱補水通過(guò)氣動(dòng)閥根據水箱液位變化自動(dòng)補水，補水系統也配置了過(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技術(shù)性能

高效高壓水除鱗系統設計的最大水消耗量為28m3/h，系統安全壓力為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配置

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

2.4.1 過(guò)濾裝置

系統配置了兩級過(guò)濾：一級是水箱補水前配置的一組100μm反沖洗過(guò)濾器，二級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)補水裝置

水箱自動(dòng)補水裝置包括前置的兩套管道增壓泵組、水箱氣動(dòng)補水閥、水箱液位檢測裝置。水箱補水是根據液位檢測信號，由管道增壓泵配合氣動(dòng)補水閥來(lái)完成。水箱自動(dòng)補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

系統配置了3臺高壓柱塞泵，開(kāi)2備1。高效高壓水除鱗控制系統采用一拖二控制，可供兩條高速線(xiàn)材軋機同時(shí)使用，單獨控制。高壓泵自帶強制潤滑水冷，并配有油壓、油位和油溫繼電器等保護裝置。自動(dòng)控制系統能自動(dòng)檢測系統故障，一旦檢測到高壓泵故障，PLC 會(huì )報警直至自動(dòng)停泵。高壓泵的進(jìn)出口與管線(xiàn)的連接采用高壓軟管連接方式，可以有效地減少水力對管線(xiàn)的沖擊，并在每臺高壓泵出口設置了止回閥。

2.4.4 除鱗箱

除鱗箱包括除磷環(huán)、除鱗噴嘴、擋水板等。根據打擊力的要求，除鱗箱采用了德國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

高效高壓水除鱗電氣控制系統共包括3 臺變頻柜、1 臺PLC 控制柜、1 臺開(kāi)關(guān)柜、1 臺主控制箱、1臺本地電氣箱。電氣控制設備組成具有簡(jiǎn)單、合理、易維護等特點(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)量的前提下采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)元器件。高壓泵的啟停和調速需采用變頻器控制。變頻裝置除了可以控制高壓泵的轉速，還可以減少高壓泵啟停過(guò)程中的沖擊電流，減少對供電系統的危害，降低對高壓泵設備的機械沖擊。

（2）PLC控制柜：PLC控制柜內的主要控制元件是采用的西門(mén)子S7-1200產(chǎn)品。PLC控制柜依據現場(chǎng)采集到的信號，按程序對每個(gè)水泵啟動(dòng)柜和卸荷閥組進(jìn)行控制，從而達到自動(dòng)控制的目的?，F場(chǎng)所有的光電開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)信號直接進(jìn)入PLC 控制柜，從而對系統形成綜合保護。

（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，是本電氣控制系統的一級斷路器。

（4）主控制箱：主控制箱是安裝在主操作室內的控制設備，主要由安裝在這里的一臺工控機來(lái)完成操作。通過(guò)WINCC 軟件在工控機顯示器上設計好控制界面，操作人員可通過(guò)控制界面對高效高壓水除鱗系統進(jìn)行控制，也可快速了解現場(chǎng)設備運行狀況。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)行和處置系統故障。

（5）本地操作箱：本地操作箱是安裝在高壓泵站內的控制設備，以方便操作人員檢修或者調試時(shí)進(jìn)行現場(chǎng)操作。

2.5 高效高壓水除鱗泵控制

高速線(xiàn)材軋機加熱爐出口處裝有熱金屬檢測器。當檢測器檢測到有熱鋼坯通過(guò)時(shí)，向高效高壓水除鱗控制系統PLC 發(fā)出信號，關(guān)閉系統卸荷閥，提高除鱗泵轉速，開(kāi)始除鱗；
鋼坯移出后，熱金屬檢測器通過(guò)PLC 指令卸荷閥打開(kāi)，降低除鱗泵轉速，除鱗過(guò)程結束。由于高效高壓水除鱗系統對自身的安全性能要求高，其PLC 控制系統需要采集現場(chǎng)過(guò)程信號，如壓力、溫度等，來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)閉等。高壓泵通過(guò)變頻器調節轉速，不僅可以滿(mǎn)足工藝要求，還和節約能源、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，低壓供水系統處于正常工作狀態(tài)，除鱗泵出口閥處于開(kāi)啟狀態(tài)；
潤滑油壓力大于0.25MPa，潤滑油系統處在正常工作狀態(tài)，油溫正常。

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

3.1 高效高壓水除鱗系統操作要點(diǎn)

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

（2）將系統選擇為手動(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)行現場(chǎng)調試。高壓泵正常后，按下卸荷閥相對應的測試按鈕，對卸荷閥進(jìn)行測試。

（4）系統測試正常后，在觸摸屏上將系統選擇為自動(dòng)控制。自動(dòng)控制指示燈得電后系統就緒，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)入待機狀態(tài)，高效高壓水除鱗系統運行時(shí)，控制系統將自動(dòng)投入對應的高壓泵。

（6）當有工件從生產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)過(guò)時(shí)，熱金屬檢測器給高效高壓水除鱗控制系統PLC 發(fā)出信號，關(guān)閉系統卸荷閥，除鱗泵升速，開(kāi)始除鱗；
當工件過(guò)去后，卸荷閥打開(kāi)，除鱗泵降速，除鱗過(guò)程結束。

3.2 高效高壓水除鱗系統保護

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 控制系統中，要求設置三個(gè)保護點(diǎn)。當系統壓力超過(guò)23.5MPa 時(shí)，卸荷閥打開(kāi)，系統卸壓；
當壓力超過(guò)24MPa 時(shí)，泵自動(dòng)跳閘；
當系統壓力超過(guò)24.5MPa時(shí)，泵的安全閥打開(kāi)，保證系統的安全。

天鋼高效高壓水除鱗系統安裝、調試、投運后，實(shí)現了兩條高速線(xiàn)材軋機的熱坯高效除鱗。該系統設備選型合理，性?xún)r(jià)比高，在滿(mǎn)足兩條高速線(xiàn)材軋機除鱗工藝要求下，實(shí)現了先進(jìn)、可靠、高效、節能的設計標準。另外該系統采用了兩條高速線(xiàn)材軋機高效高壓水除鱗系統一拖二控制，整個(gè)電氣控制設備組成簡(jiǎn)單、合理、易維護。

高效高壓水除鱗系統投運后的生產(chǎn)實(shí)踐表明，系統運行穩定、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)生的麻面和結疤問(wèn)題，改善了天鋼高線(xiàn)盤(pán)條的表面質(zhì)量，提高了天鋼高線(xiàn)盤(pán)條的市場(chǎng)形象和競爭力。