热轧高压水除鳞系统的设计
轧钢制品的除鳞, 即清除其表面的氧化铁皮, 主要有四种方法:即爆破法、机械法、变形法、高压水清除法。
由于采用高压水除鳞具有无可比拟的优越性, 因此在当今世界现代化的轧钢生产中, 被广泛地采用, 无论特厚板、厚板、中板、热轧带钢、热轧钢管、热轧棒材、热轧型钢、车轮轮箍等轧制线上均得到广泛的应用。
高压水除鳞的简单机理如下: 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。基本机理示意如图1所示
。 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 。
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2×105～215×105 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。 喷嘴的孔径大小也相当重要。在一定压力下, 喷出水量决定于喷口孔径。喷出水量太小, 表面氧化铁皮不能形成强烈的局部收缩, 影响除鳞效果。而喷口过大, 会造成轧制件表面温降过大, 影响轧制性能和增加轧机的动力消耗, 同时还要消耗过多的高压水, 增加能耗。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=μ 2gp 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0.18～1之间) g:重力加速度(918m/s2 )p:工作压力(m水柱)
2.2 喷嘴的安装 喷嘴的安装高度、安装角度对除鳞效果有很大的影响, 一般喷嘴与喷水管轴线夹角选用15°, 水流与钢坯垂直面的夹角也取15°, 如图2所示。
图2 喷嘴安装示意图
图2A 中, 喷嘴的安装高度H 一般为200～300mm 。这与喷嘴的形状、流量、轧件厚度、钢材品种、喷嘴之间的间距等均有密切的关系。但主要按照轧钢工艺要求及各喷嘴的特性来决定安装尺寸。 图2B 中, 喷嘴喷水线在钢坯上的投影线宽度W 与喷嘴的喷射角及安装高度H 有关, 两投影线重叠区n 一般为10～20mm, 这与喷射强度有关。
3 高压泵站设计 高压泵站主要有高压泵、高压储水罐、储气罐、空气压缩机、过滤器、各种高压水阀门、高压气阀门及高压管道等组成一个完整的高压水泵站。高压水泵站的系统原理见图3
。
图3 高压水泵站系统示意图
1 —三柱塞高压泵, 2 —循环泵, 3 —高压空压机, 4 —高压水罐, 5 —高压气罐, 6 —水箱, 7 —最低液面阀
3.1 高压水泵 应用于高压水除鳞系统的高压水泵, 主要有两大类:一种是多柱塞泵, 另一种是多级离心泵。选择哪一种泵, 主要根据轧钢厂生产的钢材品种、钢产量、轧制周期等因素, 决定高压水的工作压力, 计算高压水的消耗量来决定。 对于间歇时间较长的轧钢厂的高压水除鳞泵站, 一般选用多柱塞高压水泵。因为柱塞泵在空运转时, 电机空程时的电耗量只有满负荷的 10%左右, 可节约能源消耗, 降低生产成本。而对于大部分时间需连续提供高压水的泵站, 如大型的连轧宽带钢生产厂, 选用多级高压离心泵较为合适。但在泵站不需提供高压水时, 离心泵需设一个立式排空逆止阀, 以免泵体内水温过高而影响离心
泵正常工作。当系统不需要高压水时, 泵的电机耗电量大约为满负荷的50%左右。 从结构上比较, 多柱塞泵的曲轴、十字头及十字头导体、活塞、循环阀经常需要维修。而多级离心泵结构较为简单, 泵本身带有平衡盘, 具有出水压力均匀及平稳, 检修工作量较小等优点。 总的来说, 选用哪种泵合适, 应通过技术经济比较来确定。
3.2 高压储蓄罐 高压储蓄罐包括高压水罐及高压气罐。有的泵站设计中, 采用水罐与气罐合并为一的储蓄罐。图3所示的系统中采用了一只气罐、一只水罐。现代除鳞泵站均采用气、水直接接触的储蓄罐。这种罐设有机械运动部件, 没有摩擦损失。
高压储蓄罐的主要功能有三点:
(1)吸收喷射阀关闭时所产生的水锤力。当除鳞点的高压水阀突然关闭时, 系统中将产生巨大的水锤力, 高压罐能吸收绝大部分水锤力, 保证高压水系统的安全运行。
(2)调节高压水的供水量。 在除鳞设备不喷或少喷高压水时, 高压泵供应的一部份高压水可储存在高压水罐内。当除鳞箱的高压水耗量大于泵的供水量时, 高压水罐可补充提供部分高压水, 使高压泵更有效进行工作。
(3)平衡高压水除鳞系统的压力。 任何一个高压水除鳞系统, 除鳞设备需水量都不可能绝对平衡, 这样在选定工作泵的条件之下, 系统的压力就会波动, 就会影响除鳞的效果。而高压储蓄罐, 在平衡水量的同时, 也能平衡系统的压力, 这样可使高压喷嘴更有效地进行工作。 水罐工作容积VW(L)按下式进行计算:
VW=6VQ・K 6QPt60
式中:6VQ:计算出的最大负荷时高压水耗量
(L) K:水的漏损系数, 一般为111～1115 6QP:工作泵总的供水量(L/min)t:最大负荷时泵的工作时间(s) 气的总容积一般按水罐工作容积的10倍初算, 然后复算系统的压力降。 高压水系统工作压力超过510MPa 时, 压缩空气膨胀按绝热过程方程进行计算。
Pmax ・V1n =Pmin・V2 n 式中:
Pmax:工作开始时气罐的最高压力(MPa)
V1:工作开始时气体的体积(L)Pmin:工作终止时气罐的最小压力(MPa)V2:工作终止时气体的体积(L)n:膨胀指数, 一般为113～114 当工作压力20MPa 时, 取1135当工作压力32MPa 时, 取1140系统的压力降希望不超过最大压力的10%～12%,对于高压水除鳞来说, 能满足除鳞设备 最低压力, 即为合理的设计。313 高压空压机
高压空气压缩机是供高压气罐充气之用。空压机的选型, 根据系统的工作压力及供气量大小来选择。供气量QA 的计算式如下:
QA=VA・Pmax 60・t ・P0 (L/min)
式中:VA蓄水罐和蓄气罐中最小气体体积(L) Pmax:最大工作压力(MPa)t:充气时间, 一般16～24hP0:大气压力(MPa) 空压机一般选用一台, 不设备用机组。主要是在开车之前有大量充气工作, 工作正常之后不需要充气。如气的管路有点漏损, 只是根据压力降开动空压机进行少量的补气。
3.4 水源过滤器 在高压水除鳞系统设计中, 由国外设计并引进设备的
高压水泵站的水源, 绝大部分由浊循环水供应, 水中氧化铁皮的含量一般在10～20mg/L之间。由于高压喷嘴与高压阀芯部分水流速度 很高(喷嘴喷口流速可达150m/s左右), 因此, 水中氧化铁皮颗粒对喷嘴与阀芯造成严重冲蚀。因此需经常更换喷嘴的喷头及增加了水泵、阀门 维修工作量。宝钢钢管分公司的除鳞泵站由国外 设计及成套设备供货, 水源也采用浊循环水。虽然系统中设有过滤器, 但不能正常运转, 造成水泵、阀门、喷嘴大量维修工作, 影响高压水系统正常运行。前几年, 厂方把浊循环水源改为净化工业水, 才保证了高压系统的正常运行。在上钢一厂半连轧钢板分厂的高压水系统设计时, 作者已注意了上述问题, 向高压泵提供工业净化水, 但由于净化水的水质仍较差, 也造成了喷嘴、阀门、泵柱塞大量维修工作量。 因此, 为了使高压系统能正常工作, 当水源条件较差时, 必须设置适用的过滤器。这种过滤器一般采用自清式过滤器, 过滤器无滤料, 滤网为不锈钢的V 型缝隙网, 网孔径≤011mm 。设置了过滤器的泵站, 也应保证过滤器的正常运转。否则也会造成系统不能正常运转。
4 除鳞系统的自动控制 系统的自动控制主要是除鳞箱处的自动控制 和高压泵站的自动控制。 除鳞箱(即高压喷气喷水或停喷, 系根据光电管接受轧制钢到位时, 自动开闭二位二通阀门, 控制高压喷嘴处高压水阀门的开或关。二位二通阀开闭主要通过液压或压缩空气的电磁阀来执行, 多年的实践经验表明, 气动的二位二通阀门使用较为合适。 高压泵站的自动控制主要由水位指示器来执行, 现代的水流指示器为干簧管水位指示器, 作者在1970年就总结推广了这种形式的水位指示器,
经改进后早已编入部颁标准, 达到国际先进水平, 已被广泛采用。 干簧管水位指示器与高压水罐联接, 它除了显示水罐中液位高低的变化外, 更重要的是由它来指挥高压水泵的负荷运转或空载运转, 超高压、超低压的报警, 过高压后的高压泵电机电源的切断等, 保证高压泵站的可靠安全运行。其结构及接线方式详见“水压机零部件”JB2061-84标准。
5 (1)采用高压水清除热轧钢板、型钢的氧化铁皮是当今行之有效的先进方法。
(2)高压水的压力, 对普碳钢而言, 一般为1610MPa, 对低合金钢、高碳钢 2010MPa 就能有较好的除 鳞效果。
(3)对于高压喷嘴的选择、安装高度、高压水除鳞系统的设计, 应按轧制产品方案及产量、 轧制工艺来决定适当的技术参数。应尽量做到技术先进、经济合理、安全可行、对老厂进行改造时应力求因地制宜
热轧高压水除鳞系统的设计
轧钢制品的除鳞, 即清除其表面的氧化铁皮, 主要有四种方法:即爆破法、机械法、变形法、高压水清除法。
由于采用高压水除鳞具有无可比拟的优越性, 因此在当今世界现代化的轧钢生产中, 被广泛地采用, 无论特厚板、厚板、中板、热轧带钢、热轧钢管、热轧棒材、热轧型钢、车轮轮箍等轧制线上均得到广泛的应用。
高压水除鳞的简单机理如下: 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。基本机理示意如图1所示
。 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 。
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2×105～215×105 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。 喷嘴的孔径大小也相当重要。在一定压力下, 喷出水量决定于喷口孔径。喷出水量太小, 表面氧化铁皮不能形成强烈的局部收缩, 影响除鳞效果。而喷口过大, 会造成轧制件表面温降过大, 影响轧制性能和增加轧机的动力消耗, 同时还要消耗过多的高压水, 增加能耗。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=μ 2gp 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0.18～1之间) g:重力加速度(918m/s2 )p:工作压力(m水柱)
2.2 喷嘴的安装 喷嘴的安装高度、安装角度对除鳞效果有很大的影响, 一般喷嘴与喷水管轴线夹角选用15°, 水流与钢坯垂直面的夹角也取15°, 如图2所示。
图2 喷嘴安装示意图
图2A 中, 喷嘴的安装高度H 一般为200～300mm 。这与喷嘴的形状、流量、轧件厚度、钢材品种、喷嘴之间的间距等均有密切的关系。但主要按照轧钢工艺要求及各喷嘴的特性来决定安装尺寸。 图2B 中, 喷嘴喷水线在钢坯上的投影线宽度W 与喷嘴的喷射角及安装高度H 有关, 两投影线重叠区n 一般为10～20mm, 这与喷射强度有关。
3 高压泵站设计 高压泵站主要有高压泵、高压储水罐、储气罐、空气压缩机、过滤器、各种高压水阀门、高压气阀门及高压管道等组成一个完整的高压水泵站。高压水泵站的系统原理见图3
。
图3 高压水泵站系统示意图
1 —三柱塞高压泵, 2 —循环泵, 3 —高压空压机, 4 —高压水罐, 5 —高压气罐, 6 —水箱, 7 —最低液面阀
3.1 高压水泵 应用于高压水除鳞系统的高压水泵, 主要有两大类:一种是多柱塞泵, 另一种是多级离心泵。选择哪一种泵, 主要根据轧钢厂生产的钢材品种、钢产量、轧制周期等因素, 决定高压水的工作压力, 计算高压水的消耗量来决定。 对于间歇时间较长的轧钢厂的高压水除鳞泵站, 一般选用多柱塞高压水泵。因为柱塞泵在空运转时, 电机空程时的电耗量只有满负荷的 10%左右, 可节约能源消耗, 降低生产成本。而对于大部分时间需连续提供高压水的泵站, 如大型的连轧宽带钢生产厂, 选用多级高压离心泵较为合适。但在泵站不需提供高压水时, 离心泵需设一个立式排空逆止阀, 以免泵体内水温过高而影响离心
泵正常工作。当系统不需要高压水时, 泵的电机耗电量大约为满负荷的50%左右。 从结构上比较, 多柱塞泵的曲轴、十字头及十字头导体、活塞、循环阀经常需要维修。而多级离心泵结构较为简单, 泵本身带有平衡盘, 具有出水压力均匀及平稳, 检修工作量较小等优点。 总的来说, 选用哪种泵合适, 应通过技术经济比较来确定。
3.2 高压储蓄罐 高压储蓄罐包括高压水罐及高压气罐。有的泵站设计中, 采用水罐与气罐合并为一的储蓄罐。图3所示的系统中采用了一只气罐、一只水罐。现代除鳞泵站均采用气、水直接接触的储蓄罐。这种罐设有机械运动部件, 没有摩擦损失。
高压储蓄罐的主要功能有三点:
(1)吸收喷射阀关闭时所产生的水锤力。当除鳞点的高压水阀突然关闭时, 系统中将产生巨大的水锤力, 高压罐能吸收绝大部分水锤力, 保证高压水系统的安全运行。
(2)调节高压水的供水量。 在除鳞设备不喷或少喷高压水时, 高压泵供应的一部份高压水可储存在高压水罐内。当除鳞箱的高压水耗量大于泵的供水量时, 高压水罐可补充提供部分高压水, 使高压泵更有效进行工作。
(3)平衡高压水除鳞系统的压力。 任何一个高压水除鳞系统, 除鳞设备需水量都不可能绝对平衡, 这样在选定工作泵的条件之下, 系统的压力就会波动, 就会影响除鳞的效果。而高压储蓄罐, 在平衡水量的同时, 也能平衡系统的压力, 这样可使高压喷嘴更有效地进行工作。 水罐工作容积VW(L)按下式进行计算:
VW=6VQ・K 6QPt60
式中:6VQ:计算出的最大负荷时高压水耗量
(L) K:水的漏损系数, 一般为111～1115 6QP:工作泵总的供水量(L/min)t:最大负荷时泵的工作时间(s) 气的总容积一般按水罐工作容积的10倍初算, 然后复算系统的压力降。 高压水系统工作压力超过510MPa 时, 压缩空气膨胀按绝热过程方程进行计算。
Pmax ・V1n =Pmin・V2 n 式中:
Pmax:工作开始时气罐的最高压力(MPa)
V1:工作开始时气体的体积(L)Pmin:工作终止时气罐的最小压力(MPa)V2:工作终止时气体的体积(L)n:膨胀指数, 一般为113～114 当工作压力20MPa 时, 取1135当工作压力32MPa 时, 取1140系统的压力降希望不超过最大压力的10%～12%,对于高压水除鳞来说, 能满足除鳞设备 最低压力, 即为合理的设计。313 高压空压机
高压空气压缩机是供高压气罐充气之用。空压机的选型, 根据系统的工作压力及供气量大小来选择。供气量QA 的计算式如下:
QA=VA・Pmax 60・t ・P0 (L/min)
式中:VA蓄水罐和蓄气罐中最小气体体积(L) Pmax:最大工作压力(MPa)t:充气时间, 一般16～24hP0:大气压力(MPa) 空压机一般选用一台, 不设备用机组。主要是在开车之前有大量充气工作, 工作正常之后不需要充气。如气的管路有点漏损, 只是根据压力降开动空压机进行少量的补气。
3.4 水源过滤器 在高压水除鳞系统设计中, 由国外设计并引进设备的
高压水泵站的水源, 绝大部分由浊循环水供应, 水中氧化铁皮的含量一般在10～20mg/L之间。由于高压喷嘴与高压阀芯部分水流速度 很高(喷嘴喷口流速可达150m/s左右), 因此, 水中氧化铁皮颗粒对喷嘴与阀芯造成严重冲蚀。因此需经常更换喷嘴的喷头及增加了水泵、阀门 维修工作量。宝钢钢管分公司的除鳞泵站由国外 设计及成套设备供货, 水源也采用浊循环水。虽然系统中设有过滤器, 但不能正常运转, 造成水泵、阀门、喷嘴大量维修工作, 影响高压水系统正常运行。前几年, 厂方把浊循环水源改为净化工业水, 才保证了高压系统的正常运行。在上钢一厂半连轧钢板分厂的高压水系统设计时, 作者已注意了上述问题, 向高压泵提供工业净化水, 但由于净化水的水质仍较差, 也造成了喷嘴、阀门、泵柱塞大量维修工作量。 因此, 为了使高压系统能正常工作, 当水源条件较差时, 必须设置适用的过滤器。这种过滤器一般采用自清式过滤器, 过滤器无滤料, 滤网为不锈钢的V 型缝隙网, 网孔径≤011mm 。设置了过滤器的泵站, 也应保证过滤器的正常运转。否则也会造成系统不能正常运转。
4 除鳞系统的自动控制 系统的自动控制主要是除鳞箱处的自动控制 和高压泵站的自动控制。 除鳞箱(即高压喷气喷水或停喷, 系根据光电管接受轧制钢到位时, 自动开闭二位二通阀门, 控制高压喷嘴处高压水阀门的开或关。二位二通阀开闭主要通过液压或压缩空气的电磁阀来执行, 多年的实践经验表明, 气动的二位二通阀门使用较为合适。 高压泵站的自动控制主要由水位指示器来执行, 现代的水流指示器为干簧管水位指示器, 作者在1970年就总结推广了这种形式的水位指示器,
经改进后早已编入部颁标准, 达到国际先进水平, 已被广泛采用。 干簧管水位指示器与高压水罐联接, 它除了显示水罐中液位高低的变化外, 更重要的是由它来指挥高压水泵的负荷运转或空载运转, 超高压、超低压的报警, 过高压后的高压泵电机电源的切断等, 保证高压泵站的可靠安全运行。其结构及接线方式详见“水压机零部件”JB2061-84标准。
5 (1)采用高压水清除热轧钢板、型钢的氧化铁皮是当今行之有效的先进方法。
(2)高压水的压力, 对普碳钢而言, 一般为1610MPa, 对低合金钢、高碳钢 2010MPa 就能有较好的除 鳞效果。
(3)对于高压喷嘴的选择、安装高度、高压水除鳞系统的设计, 应按轧制产品方案及产量、 轧制工艺来决定适当的技术参数。应尽量做到技术先进、经济合理、安全可行、对老厂进行改造时应力求因地制宜