高压水除鳞系统的自动化控制

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。

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2×10～2.5×10 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:

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/s)

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。

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。

4.5除鳞泵站与轧线计算机通讯

（1） 除鳞泵站供给轧线计算机通讯内容

除鳞泵站启动条件具备信息

除鳞泵站运转正常信息

除鳞泵站提供压力信息

除鳞泵站处于换辊等短时间不用高压水信息

除鳞泵站警报和事故停机信息

除鳞泵站正常停机信息

（2）轧线计算机提供给除鳞泵站信息

喷射阀开闭状态信息

除鳞系统压力设定值信息

换辊等短时间不用高压水信息

HSB除鳞信息

（3）通讯网络：以太网或PROFIBUS-DP

（4）除鳞泵站与轧制线设备连锁控制内容

l 离心泵启动条件所有喷射阀处于关闭状态；

l 蓄能器水位达到下事故水位，所有喷射阀自动关闭；

5.粗轧除鳞泵站控制

5.1工作原理

在离心泵和电机之间安装液力偶合器。电机恒速运行，通过改变偶合器勺管位置—传递力矩，实现离心泵转速—排出压力调整。当蓄能器压力或水位达到设定上限时，液压执行器控制勺管下行，排出偶合器转子内工作油，偶合器泵轮和涡轮产生转速差，离心泵低速低压空载节能运行；当蓄能器压力或水位达到设定下限时，液压执行器控制勺管上行，偶合器转子内工作油充满，偶合器泵轮和涡轮在液动力作用下同步转动，离心泵高速高压负载运行,从而实现离心泵根据轧制-除鳞用水量供水，如同柱塞泵-蓄能器除鳞系统工作制度，以蓄能器提供除鳞水量为主，离心泵供水为辅，因此，蓄能器容量选择直接关系到能否满足轧制-除鳞工艺要求和离心泵升降速次数。

5.2离心泵控制

（1）自动启动条件：

除鳞泵吸水阀门处于开启状态、出水阀门处于关闭状态；

循环阀处于关闭状态；

喷射阀处于关闭状态；

液力偶合器处于低速状态；

进水压力≥0.25MPa

液压站系统压力≥ 6MPa

润滑油压 ≥0.12MPa

偶合器工作油压≥0.12MPa

（2）报警条件：

进水压力≤0.15MPa，出口阀、最低液面阀、喷射阀自动关闭；

润滑油压≤0.07MPa；

偶合器工作油压≤0.08MPa；

泵、偶合器、电机各轴承温度≥70°C

电机定子温度≥95°C

泵体温度≥60°C

润滑油站、工作润滑油站油箱油位达到下报警油位

（3）跳闸条件：延时（）秒

进水压力≤0.08MPa

润滑油压≤0.05MPa

偶合器工作油压≤0.06MPa

泵、偶合器、电机各轴承温度≥80°C

电机定子温度≥105°C

泵体温度≥70°C

润滑油站、工作润滑油站油箱油位达到下事故油位

5.3系统安全运行控制

（1）低压供水事故断水，防止“烧泵” “跑气”控制

低压供水压力低于0.12MPa，离心泵自动降速运行，泵出口阀自动关闭，同时最低液面阀喷射自动关闭；压力低于0.08MPa，离心泵跳闸停止运行；

（2）防止高压水进入低压管网控制

措施：

防离心泵反转：泵出口止回阀采用液动力关闭，而且受压面积大关闭力大，容易关严；备用泵停止后，泵出口液动阀自动关闭；另外，有压力传感器检测低压管网压力，当压力超过0.8MPa，离心泵自动降速运行，泵出口阀自动关闭，同时最低液面阀喷射自动关闭；三道保险。

（3）防止蓄能器“跑气”和 “气罐进水”控制

防止蓄能器“跑气”措施：

采用下控式最低液面阀保证快速关闭，而且气闭性好；如果关不严蓄能器水位下降到第二事故水位，轧制线喷射阀自动关闭，双保险。

防止蓄能“气罐进水”措施：

当蓄能器气体容量少时，水位升高，造成冒顶，损坏液位计浮子，高压水进入气罐，影响蓄能器有效容积。采用上事故水位控制，当蓄能器水位达到上事故水位，压力还没有达到要求，说明蓄能器内气体少了，报警同时，离心泵自动降速运行，停止供水，保证系统安全。

5.4主付泵控制

二台工作离心泵设置主付泵工作制，目的，满足轧制除鳞工艺流量条件下，减少离心泵升降速次数，降低运行成本，提高离心泵使用寿命。

主泵根据蓄能器液位或压力信号，升速或降速。

付泵根据轧制线除鳞信号升速，根据蓄能器液位或压力信号降速。

6.精轧除鳞泵站控制

6.1不让头除鳞工艺

喷射阀始终开启，依靠离心泵升降速除鳞。

当HMD检测到中间坯头部时，液力偶合器液压执行器控制勺管上行，偶合器转子内工作油充满，偶合器泵轮和涡轮在液动力作用下同步转动，离心泵高速高压负载运行，向除鳞点供高压水，进行中间坯表面除鳞；当HMD检测到中间坯尾部时，液力偶合器液压执行器控制勺管下行，排出偶合器转子内工作油，偶合器泵轮和涡轮产生转速差，离心泵低速低压空载运行，向除鳞点供低压水（1.3MPa），进行高压管路充填低压水，防止除鳞时管路震动；

6.2让头除鳞工艺

喷射阀与离心泵升降速连锁控制除鳞

当HMD检测到中间坯头部时，离心泵自动升速运行，喷射阀处于关闭状态，泵排出高压水通过预充水阀进行高压管路充填，防止管路冲击，喷射阀根据设定时间自动开启，让出中间坯头部，对中间坯进行除鳞；

当HMD检测到中间坯尾部时，离心泵自动降速运行，2秒钟后，喷射阀自动关闭，结束除鳞，由于离心泵降速2秒钟后，系统压力＜3MPa，而且预充水阀始终开启，因此，避免了因喷射阀关闭产生的水力冲击。

运行情况

新上高压水除鳞系统自2008年12月投用以来，设备运转正常，完成了设计功能，满足了生产要求。控制系统可根据现场情况，及时检测出高压电机轴瓦温度变化，并报警跳闸，避免重大设备事故，应用效果良好。

7. 结束语

(1)由于蓄能装置的使用，大大增强了系统吸收能量的功能，消除了水锤冲击的现象。增压装置达到了增压和蓄能的效果。在不增加其他装备的情况下，使用高压水直接将低压气体增至高压，事实证明可以达到预期效果。这也为其它流体增压提供了又一个可行的思路。

(2)选择了适合的喷嘴并合理布置，同时系统压力波动很小，使得钢坯氧化铁皮的除净率大大提高。

(3)钢坯温降小，满足钢坯轧制的稳定需要。

(4)经过验证此套高压水除鳞设备运行的稳定；提高了产品的表面质量；降低消耗，节约了能源。事实证明了新装备的可行性，达到了预期的效果。

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