热轧高压水除鳞系统的设计

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: