高压水除鳞技术的研究

减压后流向高位水箱，循环水再次进入高压泵被加 压后送出[26]。如图 3 所示。
a． 低压水经加压后通过循环阀控制进入除鳞
图 3 带高位水箱的除鳞系统简图
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b. 系统主要由高压泵组成，当系统不除鳞时，泵 本体气动阀控制进出叶片均处于打开状态，柱塞正
喷嘴布置的优化主要体现在喷嘴前倾角、偏转 角、喷射角、扩散角和喷嘴高度的选择[5][8][17][29]。以达 到特定单位面积的打击力的基础上，使用最小的流 量和压力为指导原则[30][31]。但最终喷嘴布置受喷嘴 本体结构形式、钢坯外形尺寸、钢坯材质、除鳞位置 等综合因素影响[32]，决定了目前还没有系统化的喷 嘴布置方案，仍处于百花齐放的状态。 4.2 调速的研究开发
置应用在 2800mm 轧机上，从此开此了高压水除鳞 的研究和发展史[5]。随着高压水除鳞技术在宽厚板 热轧生产线应用的成熟和完善，人们开始逐渐把该 技术应用于热轧薄板和管线棒材及 CSP（薄板坯连 铸连轧）等生产线[9][10][11]。 3.1 除鳞机理的研究发展
自第一台水力除鳞机问世后，研究者们便开始
的新日制铁公司（Nippon Steel），美国的美国钢铁 公司（US Steel）、英国的科勒斯公司（Corus）、卢森 堡的安赛乐公司（Arcelor，现已与 Mittal 合并组成 AM），国内宝山钢铁集团、武汉钢铁集团、鞍山钢铁 集团公司、马钢股份公司等均采用此技术作为热轧 生产中的除鳞工艺。
目前对除鳞机理的研究基本停留在定性分析 的层面上，对各种除鳞机理作用的定量的评判还没 有。研究显示，仅冲击力作用可通过数学公式计算[20] - [23]。因此，对于目前高压水系统设计和应用的指标， 国内外相关单位一般仅可以用单位面积上的作用 力，即面压来考核。 3.2 高压水除鳞系统流程的发展
早期投入使用的高压水系统，受增压设备技术 条件限制，一般应用于单点除鳞。80 年代前使用的 水增压设备一般在流量小于 60 m3/h 的情况下均使 用高压柱塞泵，大于 60 m3/h 的情况下使用离心泵 [24]。但受离心泵稳定性、效率等技术水平影响，更多 的系统使用多台柱塞泵并联的形式。 单点除鳞系统主要发展了以下几种组成形式：
及侧重于节能方面研究和应用现状，总结分析了目前高压水除鳞技术的不足之处，并提出了除鳞技术未来主
要研究方向。
【关键词】除鳞技术;高压水除鳞系统; 研究进展;节能
【中图分类号】TF085
【文献标识码】A
【文章编号】1006-6764（2010）03-0062-05
Study of Descaling Technology by High Pressure Water
（1）由单台或多台柱塞泵、循环旁路、喷射阀 等组成，如图 2 所示。或增加蓄势器及高压供气设 施，以调节水量平衡，缓解系统管路压力波动[25] 。 [26]
图 2 早期单点除鳞系统简图
（2）随着阀门、泵本体机械技术的发展，单点 箱，循环阀为三通阀，不除鳞时高压水通过循环阀
除鳞系统的设备组成形式也不断变化，目前常用的 两种组成形式为：
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高压水除鳞技术的研究
杨成禹，喻依兆
（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013）
【摘 要】简要介绍除鳞技术的研究发展历史和国内外应用概况，重点说明高压水除鳞技术的发展过程
便成为该技术未来研究发展的趋势。
用了高压水除鳞装置，并使用的前苏联的喷嘴[8]，
2 除鳞方法的研究
德国西马克、萨克公司于 1962 年将高压水除鳞装
消除铁皮常用的方法一般有三种：一是机械方 法，用破鳞机或其他机械设备压碎鳞皮，该方法对 氧化铁皮的除净率较低，而且破鳞辊事故率较高。 二 是 爆 破 除 鳞 ，用 食 盐 、柳 条 、竹 条 等 撒 在 钢 坯 表 面，在轧制时爆破以去除鳞皮。该种方法需大量人 工操作，且爆破物在钢坯表面布置不均匀，影响除 鳞质量。三是目前广为应用的高压水除鳞技术[1][5][6]
水量增加会造成钢坯温降较大，影响轧制质量，
据有关资料分析显示，厚板轧机除鳞时间为轧
同时除鳞系统耗电量与该系统参数密切相关，功率 制周期的 10%~18%，半连轧机、连轧机除鳞时间为
消耗与水量呈线性比例关系，与水压成指数关系。 轧制周期的 20%~40%。一般轧碳素钢的除鳞时间
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marized and analyzed, and the main study trend of the technology is advanced.
【Key words】descaling technology; descaling system by high pressure water; research progress;
图 1 典型的氧化铁皮结构
高压水除鳞作用条件高温高压的特殊性，决定 了对于氧化铁皮剥离机理的研究一直以来都是困 扰学术界的难题[16]。目前对于除鳞机理的研究分析 结论，主要集中于以下几点[17][18][19]：
(1)激冷作用。高压水作用在高温钢坯表面后， 使钢坯表面迅速冷却。由于氧化铁皮的收缩率与基 体材料的收缩率不同，在氧化铁皮的根部形成剪应 力，使得氧化铁皮裂断。
液力耦合器应用于转动机械调速非常成熟，但 在除鳞系统中应用较少，主要原因在于其变速调节 时间长，不适应除鳞系统频繁升速降速的运行工况。 相对于热轧薄板而言，在宽厚板和炉卷轧机的生产 线应用更多，因为后者变负荷调节时间间隔相对较 长。液力耦合器调速同时还存在节能效果低，运行精 度低等问题。为此有一家国外泵业公司开发生产了 一种急变速液力耦合器，专门用于除鳞系统泵速调 节，可以将速度由 20%升速到 100%的时间控制在 5 秒。但目前其成本相对于一般国内产品而言较高，实 际应用情况较少。 4.3 喷射集管分段
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了对氧化铁皮成因及高温热剥离性的研究。钢坯在 加热过程中，Fe 与炉气或空气中的氧分接触被氧 化，Fe 的氧化过程是 Fe→FeO （含氧量 23.26%）→ Fe3O4（含氧量 27.64%）→Fe2O3（含氧量 30.046%）。 典型的氧化铁皮结构由最外层较薄的 Fe2O3 层、中 间的 Fe3O4 层和靠近基体侧的 FeO 层组成，如图 1 所示 。 [12][13][14][15]
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短，轧合金钢的除鳞时间长。因此通过调节泵转速可 以实现使高压水泵在不除鳞时降低转速而不停止的 连续操作。变频器与液力耦合器便是解决该问题的 两种方法[33][34]。
变频器调速系统由 PLC 和变频器组成，主要用 来降低系统空载时泵的转速，以达到节能的目的，同 时兼具降低启动负荷，降低机械磨损等作用[35]。因早 期变频器应用于转动机械调速技术不成熟，成本高， 因而没有得到充分应用。近年来，变频器成本逐步下 降，以后在除鳞系统中应用会慢慢增多。
另一家国外公司开发一种除鳞喷射集管分段产 品，适用于部分产品大纲中成品带宽变化范围较大 的轧线。其主要原理是在轧制窄带时，通过除鳞阀和 集管分段使除鳞集管两端的部分喷嘴不喷水，以降 低用水量。在鞍钢、首钢等多条轧线均有使用业绩， 节能效果显著[33]。
5 存在问题
为了适应钢铁行业发展的要求，提高钢材产品 质量，近几年国内大部分钢铁企业都新上了高压水 除鳞生产线。仅 2003～2005 年 3 年时间我国就在热 带、线材、棒材、中板等生产线上新增热态除鳞生产 线近 200 条。再加上之前国外进口的高压水除鳞生 产线和 2005 年至 2008 年新上生产线，目前全国共 有高压水热态除鳞 300 多条。根据国内高压水热态 除鳞生产线用户反映，目前国内高压水热态除鳞生 产线的性价比要优于国外高压水热态除鳞生产线， 总体使用状况良好，但在具体使用过程中也存在某 些问题。根据调查显示，这些问题主要体现在以下几 个方面 ： [2][25][27][36]
鳞用水量、水压不断增加，参见表 1。
究成果。国内如长沙矿院开发的红宝石系列喷嘴结
表 1 国内典型轧线除鳞系统设计压力
构形式及相关理论研究，也占有一席之位。
年份 1966年前
1969 1978 1984 2000 2008
轧机规格 /mm 2800 2350 4200 2450 2250 2300
系统压力 /105Pa 100~110 160 180 200 200 225
YANG Chengyu, YU Yizhao
(CISDI Engineering Co., Ltd., MCC, Chongqing 400013, China)
【Abstract】The study and development history and application status at home and abroad of the
energy saving
1 概述
[7]。该技术随着高压水射流技术的迅猛发展不断完
钢铁厂热轧生产线上为去除钢坯表面加热产 生的氧化铁皮（俗称鳞）设置了除鳞系统。除鳞技
善，现已基本成为热轧生产线除鳞唯一选用技术。 国外如印度的米塔尔钢铁公司（Mittal Steel）、日本
术经历了机械除鳞、爆破除鳞两个阶段后发展至现 在的高压水除鳞[1][2]。目前热轧生产中高压水除鳞的 应用已非常广泛，并基本上趋于成熟，各科研院所、 设计单位及生产单位等已经普遍认可该技术在工 程实际中的应用效果，并通过不断的改进，使得该 技术迅速发展[2][3] [4] [5]。
descaling technology are introduced briefly. The development process of the descaling technology and
its study in energy saving and its application are emphasized. Shortcomings of the technology are sum-
(2)爆破作用。在一定压力作用下，高压水渗透 进入氧化铁皮之间和氧化铁皮与基体材料之间的 缝隙处，并在高温的条件下迅速汽化，形成爆破力， 炸断氧化铁皮。
(3)冲击力作用。由喷嘴喷射而出的高压水射流 撞击到钢坯表面，高压水射流的动能迅速转化为冲 量，形成冲击力，直接作用在氧化铁皮上，打断氧化 铁皮。
(4)冲刷作用。工程应用的高压水除鳞喷嘴设计 有一定的前倾角。减少反冲能量损失的同时，将断 裂的氧化铁皮冲走，使之不再停留在钢坯表面而再 次被轧入钢坯。
常运行，但不做功，低压水流经柱塞泵过后不被加 压，继而通过除鳞箱排出。如图 4 所示。
图 4 泵本体控制除鳞水启闭的系统简图
多点除鳞系统，一般应用于热轧板带生产线。 生产自动化程度和离心式高压水泵技术的不断提 早期由于高压离心泵技术能力不足，多点除鳞系统 高[28]，出现了目前常用的多点除鳞系统组成形式，即 一般使用多台柱塞泵并联，低压水通过高压柱塞泵 低压水通过高压离心泵组加压，由高压水蓄势器缓 加压后进入高压管路，高压管路设有蓄势器，以缓 解水量和压力波动，经多个除鳞阀送至除鳞点[24]。如 解多个除鳞点不同时除鳞时的压力波动[25][27]。随着 图 5 所示。
公司、宁波大龙机械制造厂等近期成长迅速，占领部
除鳞系统喷嘴的结构形式及布置形式决定了高
分国内钢铁市场。
压水的流量和压力。国外如德国的 Lechler、SGGT、
4 系统节能的研究发展
美国 Spring、日本的极东等知名喷嘴厂商数十年研
带钢表面质量要求不断提高，以至于高压水除 究喷嘴结构形式、流场及布置方案，取得一系列的研
随着节能减排要求的提高，在达到相同技术要 3 高压水除鳞技术的发展
求效果的基础上，减少能源消耗已成为各行各业技
为解决氧化铁皮问题，德国某重型机器联合制
术创新的首要突破方向之一。因此，如何能够在达 造企业发展和投产了一台高压水除鳞装置，并随后
到相同除鳞质量的前提下减少高压水系统的能耗 对装置、系统不断改进完善。50 年代鞍钢半连轧使
图 5 目前常用的多点除鳞系统简图
在高压水除鳞成套设备方面，意大利意诺普 因此，高压水运行成本不断增加，已成为轧线上的耗
（INOXIHP），美国喷雾系统公司、德国施乐普流体 能大户。对该系统的节能研究也不断在推进，并逐
控制公司的产品在全世界得到了广泛应用，并得到 渐成为主要方向。
了用户一致好评。国内如重庆水泵厂、营口流体机械 4.1 喷嘴布置的优化