热轧高压水除鳞系统的设计

?：喷嘴喷出口的流速（/ 0 1） ? =! ! !83
万方数据
第#期
பைடு நூலகம்
陆善忠：热轧高压水除鳞系统的设计
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图!
高压水泵站系统示意图
"—三柱塞高压泵，#—循环泵，!—高压空压机，$—高压水罐，%—高压气罐，&—水箱，’—最低液面阀
"() 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 %() 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。 !*# 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 ! 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。
万方数据 底部，使氧化铁皮从钢坯表面剥落，达到了清除
!% ! !"# 喷嘴的选择及安装 喷嘴的选择
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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： （#）喷出水流要宽而扁，要形成象锋利的刀 子一样的水流。 （!）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 ! $ #%& ’ !"& $ #%& ()。高压水压 力一般为 #* ’ !+,()。 （-）喷嘴的材料要求耐磨 根据计算，当水压 达 到 #*,() 时，喷 嘴 口 处的水流速度可达 #../ 0 1 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。 美 国 234)5678 2519:/1 公司有多种喷嘴可提供设计者选 择。 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： *%&;9 轧件，在初轧机架上为 -&%;9，在精轧机架上消 耗为 !!&;9。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 <（ ; 0 2） ，可按下式进行 计算： ・ ・ <# = > ? #%%% 式中： >：喷嘴喷口截面积（/ ）
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式中：! ：流量系数，外伸圆柱形管嘴 != %"+! （根据不同喷嘴形状，其值在 %"+ ’ # 之间） 8：重力加速度（@"+/ 0 1!） 3：工作压力（/ 水柱） !"! 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 #&A， 水流与钢坯垂直面的夹角也取 #&A，如图 ! 所示。
【:;< .=7>5】 ? 前 言
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氧化铁皮之目的。基本机理示意如图 F 所示。
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。在 上海地区采用高压水除鳞的生产厂有上钢一厂半 连轧钢板分厂和型钢分厂、上钢三厂厚板分厂及 中板分厂、宝钢的一热轧分厂、二热轧分厂及无 缝钢管分厂等。 采用高压水除鳞的上述各厂产品质量均得到 保证。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 图F 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 G/! HI ，中间层为 G/I HJ ，内层为 G/H。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。
图!
喷嘴安装示意图
图 !B 中，喷嘴的安装高度 C 一般为 !%% ’ -%%//。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 !D 中，喷嘴喷水线在钢坯上的投影线宽 度 E 与喷嘴的喷射角及安装高度 C 有关，两投 影线重叠区 7 一般为 #% ’ !%//，这与喷射强度 有关。 " 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 -。 -"# 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
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万方数据 高压储蓄罐的主要功能有三点：
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上 !：水的漏损系数，一般为 "#" $ "#"% !&’：工作泵总的供水量（ ( ) *+,）
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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 3 型缝隙网，网孔径 "/#"**。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。 ! 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 "=>/ 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” ?@5/:" A B7 标准。 " 结束语 （"）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。 （5）高压水的压力，对普碳钢而言，一般为 ":#/0’1，对低合金钢、高碳钢 （下转第 #$ 页）
-：最大负荷时泵的工作时间（ .） 气的总容积一般按水罐工作容积的 "/ 倍初 算，然后复算系统的压力降。 高压水系统工作压力超过 %#/0’1 时，压缩 空气膨胀按绝热过程方程进行计算。 ・ ・ ’*12 3" , 4 ’*+, 35 , 式中： ’*12：工作开始时气罐的最高压力（0’1） 3" ：工作开始时气体的体积（ (） ’*+,：工作终止时气罐的最小压力（0’1） 35 ：工作终止时气体的体积（ (） ,：膨胀指数，一般为 "#6 $ "#7 当工作压力 5/0’1 时，取 "#6% 当工作压力 650’1 时，取 "#7/ 系统的压力降希望不超过最大压力的 "/8 $ "58 ，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。 6#6 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 &9 的计算式如下： ・ 39 ’*12 （ ( ) *+,） &9 4 ・ ・ :/ ’/ 式中：39 蓄水罐和蓄气罐中最小气体体积（ (） ’*12：最大工作压力（0’1） -：充气时间，一般 ": $ 57; ’/ ：大气压力（0’1） 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。 6#7 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 "/ $ 5/*< ) ( 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 "%/* ) . 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
（&’(),’(- ./0-,) ()1 2/0/(34’ 5)06-6%6/ +7 8/6(99%3,:）
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（"）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。 （#）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。 （!）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 +,（ -）按下式进行计算： !/1 2 &( 式中：! +/：计算出的最大负荷时高压水耗量 （ -） ・ +, . !+/ 0
1/043-<6-+) +7 6’/ >/4’()-0> +7 ’-,’ <3/00%3/ =(6/3 1-04(9-),， 6’/ 0/9/46-), ()1 0/66-), +7 6’/ ’-,’ <3/00%3/ 0<3(: )+**9/， ()1 6’/ (%6+>(6-4 4+)63+99-), 7+3 6’/ =’+9/ 0:06/>@
热轧高压水除鳞系统的设计
陆善忠
（上海宝钢设计研究总院，!"""#"） ，
【摘要】 【关键词】
叙述了高压水除鳞的机理、高压喷嘴的选择及安装等，重点介绍高压水系统 热轧生产 高压水除鳞 系统设计 自动控制
的设计及基本的计算方法；对系统的自动控制作了简要说明。
!"# $#%&’( )* "&’" +,#%%-,# ./!#, $&%0/1&(’ %2%!#3 &( ")! ,)11&(’ $% &’()*’+),