熱軋高壓水除鱗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、熱軋高壓水除鱗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軋鋼制品的除鱗,即清除其表面的氧化鐵皮,主要有四種方法:即爆破法、機(jī)械法、變形法、高壓水清除法。由于采用高壓水除鱗具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性,因此在當(dāng)今世界現(xiàn)代化的軋鋼生產(chǎn)中,被廣泛地采用,無(wú)論特厚板、厚板、中板、熱軋帶鋼、熱軋鋼管、熱軋棒材、熱軋型鋼、車輪輪箍等軋制線上均得到廣泛的應(yīng)用。高壓水除鱗的簡(jiǎn)單機(jī)理如下: 鋼坯從加熱爐中出爐后,其表面覆蓋的氧化鐵皮急速冷卻,爐內(nèi)生成的氧化鐵皮呈現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。在高壓水的噴射之下,氧化鐵皮表面局部急冷,產(chǎn)生很大收縮,從而使氧化鐵皮裂紋擴(kuò)大,并有部分翹曲。經(jīng)高壓水流的沖擊,在裂紋中高壓水的動(dòng)壓力變成流體的靜壓力而打入氧化鐵皮底部,使氧化鐵皮

2、從鋼坯表面剝落,達(dá)到了清除 氧化鐵皮之目的?；緳C(jī)理示意如圖1所示。 圖1 高壓水除鱗機(jī)理示意圖 根據(jù)上述機(jī)理,在設(shè)計(jì)除鱗設(shè)備時(shí),應(yīng)特別考慮軋制速度、軋制溫度、噴嘴的水流量、噴嘴處的水流壓力等因素的影響。 再有,氧化鐵皮的化學(xué)成分及位層的組成與鋼材的原料成分、加熱溫度、加熱時(shí)間、爐內(nèi)氣氛條件和軋制工藝有密切關(guān)系。對(duì)于碳鋼而言,氧化鐵皮表層為Fe2O3,中間層為Fe3O4,內(nèi)層為FeO。2 噴嘴的選擇及安裝2.1 噴嘴的選擇 高壓水除鱗效果的好壞,在很大程度上取決 于噴嘴的結(jié)構(gòu)及噴口的形狀。 除鱗噴嘴的基本要求有三點(diǎn): (1)噴出水流要寬而扁,要形成象鋒利的刀子一樣的水流。 (2)水流的打擊力沿

3、水流寬度上的分布要盡可能均勻。對(duì)普碳鋼在爐內(nèi)生成的氧化鐵皮來(lái)說(shuō)均勻的打擊力希望為2×105215×105 Pa。高壓水壓力一般為1628MPa。 (3)噴嘴的材料要求耐磨 根據(jù)計(jì)算,當(dāng)水壓達(dá)到16MPa時(shí),噴嘴口處的水流速度可達(dá)144m/s左右。因此沒有耐磨的材料,噴嘴就要經(jīng)常更換增加停軋時(shí)間,影響生產(chǎn)效率。 根據(jù)試驗(yàn)得知,矩形斷面的噴口不適用于高壓水除鱗,因?yàn)檫@種噴口在邊緣上的沖擊力大,而在中間的沖擊力小。試驗(yàn)資料及生產(chǎn)實(shí)踐表明,橢圓形的噴口斷面最佳。 噴嘴的孔徑大小也相當(dāng)重要。在一定壓力下,噴出水量決定于噴口孔徑。噴出水量太小,表面氧化鐵皮不能形成強(qiáng)烈的局部收縮,影響除

4、鱗效果。而噴口過(guò)大,會(huì)造成軋制件表面溫降過(guò)大,影響軋制性能和增加軋機(jī)的動(dòng)力消耗,同時(shí)還要消耗過(guò)多的高壓水,增加能耗。各種不同的軋制鋼材,有它最合適的高壓水的消耗量(噴射強(qiáng)度)。如熱軋帶鋼生產(chǎn)線上,一般碳鋼及低合金鋼的高壓水消耗量為:605Lt軋件,在初軋機(jī)架上為350Lt,在精軋機(jī)架上消耗為225Lt。對(duì)于不同鋼種、不同材質(zhì)需不同的噴射強(qiáng)度。 單只噴嘴的水耗量Q(L/S),可按下式進(jìn)行計(jì)算: Q1=FV1000 式中:F:噴嘴噴口截面積(m2 ) V:噴嘴噴出口的流速(m/s) V= 2gp 式中:流量系數(shù),外伸圓柱形管嘴=0.82(根據(jù)不同噴嘴形狀,其值在0.181之間) g:重力加速度(9

5、18m/s2 )p:工作壓力(m水柱)2.2 噴嘴的安裝 噴嘴的安裝高度、安裝角度對(duì)除鱗效果有很大的影響,一般噴嘴與噴水管軸線夾角選用15°,水流與鋼坯垂直面的夾角也取15°,如圖2所示。 圖2 噴嘴安裝示意圖 圖2A中,噴嘴的安裝高度H一般為200300mm。這與噴嘴的形狀、流量、軋件厚度、鋼材品種、噴嘴之間的間距等均有密切的關(guān)系。但主要按照軋鋼工藝要求及各噴嘴的特性來(lái)決定安裝尺寸。 圖2B中,噴嘴噴水線在鋼坯上的投影線寬度W與噴嘴的噴射角及安裝高度H有關(guān),兩投影線重疊區(qū)n一般為1020mm,這與噴射強(qiáng)度有關(guān)。 3 高壓泵站設(shè)計(jì) 高壓泵站主要有高壓泵、高壓儲(chǔ)水罐、儲(chǔ)氣罐、

6、空氣壓縮機(jī)、過(guò)濾器、各種高壓水閥門、高壓氣閥門及高壓管道等組成一個(gè)完整的高壓水泵站。高壓水泵站的系統(tǒng)原理見圖3。圖3 高壓水泵站系統(tǒng)示意圖1 三柱塞高壓泵, 2 循環(huán)泵, 3 高壓空壓機(jī), 4 高壓水罐, 5 高壓氣罐, 6 水箱, 7 最低液面閥3.1 高壓水泵 應(yīng)用于高壓水除鱗系統(tǒng)的高壓水泵,主要有兩大類:一種是多柱塞泵,另一種是多級(jí)離心泵。選擇哪一種泵,主要根據(jù)軋鋼廠生產(chǎn)的鋼材品種、鋼產(chǎn)量、軋制周期等因素,決定高壓水的工作壓力,計(jì)算高壓水的消耗量來(lái)決定。 對(duì)于間歇時(shí)間較長(zhǎng)的軋鋼廠的高壓水除鱗泵站,一般選用多柱塞高壓水泵。因?yàn)橹迷诳者\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),電機(jī)空程時(shí)的電耗量只有滿負(fù)荷的 10%左右,可

7、節(jié)約能源消耗,降低生產(chǎn)成本。而對(duì)于大部分時(shí)間需連續(xù)提供高壓水的泵站,如大型的連軋寬帶鋼生產(chǎn)廠,選用多級(jí)高壓離心泵較為合適。但在泵站不需提供高壓水時(shí),離心泵需設(shè)一個(gè)立式排空逆止閥,以免泵體內(nèi)水溫過(guò)高而影響離心泵正常工作。當(dāng)系統(tǒng)不需要高壓水時(shí),泵的電機(jī)耗電量大約為滿負(fù)荷的50%左右。 從結(jié)構(gòu)上比較,多柱塞泵的曲軸、十字頭及十字頭導(dǎo)體、活塞、循環(huán)閥經(jīng)常需要維修。而多級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,泵本身帶有平衡盤,具有出水壓力均勻及平穩(wěn),檢修工作量較小等優(yōu)點(diǎn)。 總的來(lái)說(shuō),選用哪種泵合適,應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。3.2 高壓儲(chǔ)蓄罐 高壓儲(chǔ)蓄罐包括高壓水罐及高壓氣罐。有的泵站設(shè)計(jì)中,采用水罐與氣罐合并為一的儲(chǔ)蓄

8、罐。圖3所示的系統(tǒng)中采用了一只氣罐、一只水罐?，F(xiàn)代除鱗泵站均采用氣、水直接接觸的儲(chǔ)蓄罐。這種罐設(shè)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,沒有摩擦損失。高壓儲(chǔ)蓄罐的主要功能有三點(diǎn): (1)吸收噴射閥關(guān)閉時(shí)所產(chǎn)生的水錘力。當(dāng)除鱗點(diǎn)的高壓水閥突然關(guān)閉時(shí),系統(tǒng)中將產(chǎn)生巨大的水錘力,高壓罐能吸收絕大部分水錘力,保證高壓水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 (2)調(diào)節(jié)高壓水的供水量。 在除鱗設(shè)備不噴或少噴高壓水時(shí),高壓泵供應(yīng)的一部份高壓水可儲(chǔ)存在高壓水罐內(nèi)。當(dāng)除鱗箱的高壓水耗量大于泵的供水量時(shí),高壓水罐可補(bǔ)充提供部分高壓水,使高壓泵更有效進(jìn)行工作。 (3)平衡高壓水除鱗系統(tǒng)的壓力。 任何一個(gè)高壓水除鱗系統(tǒng),除鱗設(shè)備需水量都不可能絕對(duì)平衡,這樣在選

9、定工作泵的條件之下,系統(tǒng)的壓力就會(huì)波動(dòng),就會(huì)影響除鱗的效果。而高壓儲(chǔ)蓄罐,在平衡水量的同時(shí),也能平衡系統(tǒng)的壓力,這樣可使高壓噴嘴更有效地進(jìn)行工作。 水罐工作容積VW(L)按下式進(jìn)行計(jì)算:VW=6VQK 6QPt60 式中:6VQ:計(jì)算出的最大負(fù)荷時(shí)高壓水耗量 (L) K:水的漏損系數(shù),一般為1111115 6QP:工作泵總的供水量(L/min)t:最大負(fù)荷時(shí)泵的工作時(shí)間(s) 氣的總?cè)莘e一般按水罐工作容積的10倍初算,然后復(fù)算系統(tǒng)的壓力降。 高壓水系統(tǒng)工作壓力超過(guò)510MPa時(shí),壓縮空氣膨脹按絕熱過(guò)程方程進(jìn)行計(jì)算。 PmaxV1n =PminV2 n 式中:Pmax:工作開始時(shí)氣罐的最高壓力(

10、MPa)V1:工作開始時(shí)氣體的體積(L)Pmin:工作終止時(shí)氣罐的最小壓力(MPa)V2:工作終止時(shí)氣體的體積(L)n:膨脹指數(shù),一般為113114 當(dāng)工作壓力20MPa時(shí),取1135當(dāng)工作壓力32MPa時(shí),取1140系統(tǒng)的壓力降希望不超過(guò)最大壓力的10%12%,對(duì)于高壓水除鱗來(lái)說(shuō),能滿足除鱗設(shè)備 最低壓力,即為合理的設(shè)計(jì)。313 高壓空壓機(jī)高壓空氣壓縮機(jī)是供高壓氣罐充氣之用?？諌簷C(jī)的選型,根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力及供氣量大小來(lái)選擇。供氣量QA的計(jì)算式如下: QA=VAPmax 60tP0 (L/min) 式中:VA蓄水罐和蓄氣罐中最小氣體體積(L) Pmax:最大工作壓力(MPa)t:充氣時(shí)間,一

11、般1624hP0:大氣壓力(MPa) 空壓機(jī)一般選用一臺(tái),不設(shè)備用機(jī)組。主要是在開車之前有大量充氣工作,工作正常之后不需要充氣。如氣的管路有點(diǎn)漏損,只是根據(jù)壓力降開動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行少量的補(bǔ)氣。3.4 水源過(guò)濾器 在高壓水除鱗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,由國(guó)外設(shè)計(jì)并引進(jìn)設(shè)備的高壓水泵站的水源,絕大部分由濁循環(huán)水供應(yīng),水中氧化鐵皮的含量一般在1020mg/L之間。由于高壓噴嘴與高壓閥芯部分水流速度 很高(噴嘴噴口流速可達(dá)150m/s左右),因此,水中氧化鐵皮顆粒對(duì)噴嘴與閥芯造成嚴(yán)重沖蝕。因此需經(jīng)常更換噴嘴的噴頭及增加了水泵、閥門 維修工作量。寶鋼鋼管分公司的除鱗泵站由國(guó)外 設(shè)計(jì)及成套設(shè)備供貨,水源也采用濁循環(huán)水。雖然

12、系統(tǒng)中設(shè)有過(guò)濾器,但不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),造成水泵、閥門、噴嘴大量維修工作,影響高壓水系統(tǒng)正常運(yùn)行。前幾年,廠方把濁循環(huán)水源改為凈化工業(yè)水,才保證了高壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在上鋼一廠半連軋鋼板分廠的高壓水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),作者已注意了上述問(wèn)題,向高壓泵提供工業(yè)凈化水,但由于凈化水的水質(zhì)仍較差,也造成了噴嘴、閥門、泵柱塞大量維修工作量。 因此,為了使高壓系統(tǒng)能正常工作,當(dāng)水源條件較差時(shí),必須設(shè)置適用的過(guò)濾器。這種過(guò)濾器一般采用自清式過(guò)濾器,過(guò)濾器無(wú)濾料,濾網(wǎng)為不銹鋼的V型縫隙網(wǎng),網(wǎng)孔徑011mm。設(shè)置了過(guò)濾器的泵站,也應(yīng)保證過(guò)濾器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。否則也會(huì)造成系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。4 除鱗系統(tǒng)的自動(dòng)控制 系統(tǒng)的自動(dòng)控制主要

13、是除鱗箱處的自動(dòng)控制 和高壓泵站的自動(dòng)控制。 除鱗箱(即高壓噴氣噴水或停噴,系根據(jù)光電管接受軋制鋼到位時(shí),自動(dòng)開閉二位二通閥門,控制高壓噴嘴處高壓水閥門的開或關(guān)。二位二通閥開閉主要通過(guò)液壓或壓縮空氣的電磁閥來(lái)執(zhí)行,多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,氣動(dòng)的二位二通閥門使用較為合適。 高壓泵站的自動(dòng)控制主要由水位指示器來(lái)執(zhí)行,現(xiàn)代的水流指示器為干簧管水位指示器,作者在1970年就總結(jié)推廣了這種形式的水位指示器,經(jīng)改進(jìn)后早已編入部頒標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,已被廣泛采用。 干簧管水位指示器與高壓水罐聯(lián)接,它除了顯示水罐中液位高低的變化外,更重要的是由它來(lái)指揮高壓水泵的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或空載運(yùn)轉(zhuǎn),超高壓、超低壓的報(bào)警,過(guò)高壓后的高壓泵電機(jī)電源的切斷等,保證高壓泵站的可靠安全運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)及接線方式詳見“