高效高壓水除鱗系統在天鋼高速線材廠的應用

王永剛、尚爾暢、龐福芹

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

0 引言

天津鋼鐵集團有限公司（以下簡稱天鋼）現有兩條高速線材軋機，分別為引進的美國摩根公司的第五代和第六代高速線材軋機，主要生產優質碳素結構鋼、低合金鋼、合金結構鋼等優質品種鋼，最高軋制速度可達120m/s,整體技術裝備和工藝水平處于國內領先。但兩條高速線材軋機高壓水除磷工藝技術和設備落后，建設初期只配備一套高壓水除磷設備，僅能供一條生產線使用，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足生產需要。在生產過程中，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，就會在盤條成品表面形成麻面或者結疤，嚴重影響線材表面質量。

天鋼目前生產的品種鋼對表面質量要求極高，為了清除紅鋼坯表面氧化鐵皮，提高線材質量，滿足高線軋制品種鋼的需求，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，以滿足兩條高速線材軋機的生產要求。本文對新配置的高效高壓水除鱗設備的技術原理、設備性能、實施技術方案進行了闡述，介紹了高效高壓水除鱗設備的技術特點，總結了該套除鱗設備投入后的運行效果。

1 高效高壓水除鱗設備的技術特點

1.1 高效高壓水除鱗技術原理

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安裝在除鱗環上的特制噴嘴形成一個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，形成裂縫；高壓水透過裂縫遇到高溫母材急速汽化蒸發，形成類似爆破的效果，將氧化鐵皮和母材剝開；同時氧化鐵皮在受到水沖擊后冷卻收縮，產生橫向剪切力，促進了氧化鐵皮在母材表面上的松動；最終帶有前傾角的高速水射流將已經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質碳素結構鋼、低合金鋼、合金結構鋼等優質品種鋼的生產。天鋼兩條高速線材軋機設計年生產能力為130 萬噸，所用鋼坯的主要規格為150mm×150mm 和160mm×160mm 方坯，鋼坯長度9m～12.5m，鋼坯最高加熱溫度為1250℃，高溫鋼坯通過高壓水除鱗環的速度為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 高效高壓水除鱗系統技術方案

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參數要求做設計。為了使新建的除鱗系統能達到先進、可靠、高效、節能的標準，在滿足高線工藝技術要求下，選擇合理的設計余量，結合設備的性能和價格，選用性價比最佳結合點。

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補水控制的水箱抽水，經過濾器去除水中雜質后進入高壓泵進水管道，再經高壓泵加壓后進入高壓水管路系統，最后通過除鱗箱的噴嘴噴射出高壓水對鋼坯表面進行除鱗。當系統不除鱗時卸荷閥打開，通過PLC 控制變頻器調低除鱗泵的轉速，使系統節能。水箱補水通過氣動閥根據水箱液位變化自動補水，補水系統也配置了過濾器，以保證水箱中水的質量[1]。

2.3 高效高壓水除鱗系統技術性能

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濾裝置、高壓泵、水箱自動補水裝置、除鱗箱、電氣控制系統等

2.4.1 過濾裝置

系統配置了兩級過濾：一級是水箱補水前配置的一組100μm反沖洗過濾器，二級是高壓泵前配置的一組80μm反沖洗過濾器。配置過濾裝置的目的是提高水質，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 水箱自動補水裝置

水箱自動補水裝置包括前置的兩套管道增壓泵組、水箱氣動補水閥、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補水閥來完成。水箱自動補水裝置能夠保證高壓泵吸水效果，消除氣蝕隱患的發生。

2.4.3 高壓泵

系統配置了3臺高壓柱塞泵，開2備1。高效高壓水除鱗控制系統采用一拖二控制，可供兩條高速線材軋機同時使用，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。自動控制系統能自動檢測系統故障，一旦檢測到高壓泵故障，PLC 會報警直至自動停泵。高壓泵的進出口與管線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、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 臺開關柜、1 臺主控制箱、1臺本地電氣箱。電氣控制設備組成具有簡單、合理、易維護等特點。

（1）變頻柜：變頻柜主要元件采用ABB 品牌產品，接觸器、空氣開關等電器元件采用國產名牌產品，其他一些非主要元件在保證質量的前提下采用國產優質元器件。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子S7-1200產品。PLC控制柜依據現場采集到的信號，按程序對每個水泵啟動柜和卸荷閥組進行控制，從而達到自動控制的目的?，F場所有的光電開關、行程開關信號直接進入PLC 控制柜，從而對系統形成綜合保護。

（3）開關柜：開關柜的作用是將來自主變壓器或其它配電室的動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完成操作。通過WINCC 軟件在工控機顯示器上設計好控制界面，操作人員可通過控制界面對高效高壓水除鱗系統進行控制，也可快速了解現場設備運行狀況。主控箱上安裝有警器及緊急停車按鈕便于操作人員及時發行和處置系統故障。

（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進行現場操作。

2.5 高效高壓水除鱗泵控制

高速線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時，向高效高壓水除鱗控制系統PLC 發出信號，關閉系統卸荷閥，提高除鱗泵轉速，開始除鱗；鋼坯移出后，熱金屬檢測器通過PLC 指令卸荷閥打開，降低除鱗泵轉速，除鱗過程結束。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過程信號，如壓力、溫度等，來控制閥門的開閉等。高壓泵通過變頻器調節轉速，不僅可以滿足工藝要求，還和節約能源、提高除鱗泵的使用壽命。

高壓泵啟動條件為：水箱水位正常，低壓供水系統處于正常工作狀態，除鱗泵出口閥處于開啟狀態；潤滑油壓力大于0.25MPa，潤滑油系統處在正常工作狀態，油溫正常。

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

3 高效高壓水除鱗系統操作要點及保護

3.1 高效高壓水除鱗系統操作要點

（1）首先檢查各個用電設備的絕緣狀況和接線情況，確認無誤后將空氣開關及斷路器依次合上。

（2）將系統選擇為手動本地控制，手動本地控制指示燈得電后系統就緒。

（3）通過本地操作箱上的觸摸屏來完成本地手動操作。在觸摸屏WINCC 控制界面上選擇為手動控制，然后啟動各高壓泵，進行現場調試。高壓泵正常后，按下卸荷閥相對應的測試按鈕，對卸荷閥進行測試。

（4）系統測試正常后，在觸摸屏上將系統選擇為自動控制。自動控制指示燈得電后系統就緒，本地自動控制和集中自動控制工藝流程相同。

（5）系統選擇為自動控制后，首先按順序啟動高壓泵，高壓泵啟動后進入待機狀態，高效高壓水除鱗系統運行時，控制系統將自動投入對應的高壓泵。

（6）當有工件從生產線經過時，熱金屬檢測器給高效高壓水除鱗控制系統PLC 發出信號，關閉系統卸荷閥，除鱗泵升速，開始除鱗；當工件過去后，卸荷閥打開，除鱗泵降速，除鱗過程結束。

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，外界壓力越高、系統壓力也就越高，在過高外界壓力下，泵、閥及管路就會損壞。因此，在PLC 控制系統中，要求設置三個保護點。當系統壓力超過23.5MPa 時，卸荷閥打開，系統卸壓；當壓力超過24MPa 時，泵自動跳閘；當系統壓力超過24.5MPa時，泵的安全閥打開，保證系統的安全。

4 結語

天鋼高效高壓水除鱗系統安裝、調試、投運后，實現了兩條高速線材軋機的熱坯高效除鱗。該系統設備選型合理，性價比高，在滿足兩條高速線材軋機除鱗工藝要求下，實現了先進、可靠、高效、節能的設計標準。另外該系統采用了兩條高速線材軋機高效高壓水除鱗系統一拖二控制，整個電氣控制設備組成簡單、合理、易維護。

高效高壓水除鱗系統投運后的生產實踐表明，系統運行穩定、自動化控制水平高、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條表面產生的麻面和結疤問題，改善了天鋼高線盤條的表面質量，提高了天鋼高線盤條的市場形象和競爭力。