0前言在热轧钢材生产过程中,钢坯表面的炉生氧化铁皮是影响钢材表面质量的主要原因之一,由于 它的存在,使钢材表面产生凹坑、麻点、氧化铁压入等多种产品缺陷。为了解决这一问题,国内外 已经采用多种除鳞方法。相比之下,高压水除鳞技术具有适应钢种范围广,除净率高,综合成本低 等优点,在热态除鳞和冷态除鳞中得到了广泛应用,成为当今除鳞方法的主流。长沙矿山研究院在 2001年6月与杭州钢铁股份有限公司热轧带钢厂(简称杭钢)合作,完成了1套高压水除鳞装 置,并于当年的7月1日投入使用。到目前为止,该设备运转正常,除鳞工作可靠,除鳞效果良好 。1高压水除鳞的机理待除鳞的热轧钢坯在经过除鳞点时,高压泵站产生的高压水经喷嘴形成高速 射流,在水流的冲蚀和剥离及热爆效应作用下,钢坯表面的鳞皮迅速从其表面脱落下来,此时除鳞 工作即告完成。2高压水除鳞装置的系统组成及工作原理系统组成及高压水除鳞原理如图1,2所 示。其工作流程如下:源水经供水站送入高位水箱,经过滤器后进入管道泵,加压后输入自动反冲 过滤器再进入高压泵。当不除鳞时,高压水从卸荷阀溢流回高位水箱。高压系统处于低压循环工作 状态,以利于节能。当加热的红钢坯送到除鳞箱之前,Jc1红外探测仪检测到红钢坯后传出电信 号,油泵站的电磁换向阀打开,液压油通过电磁换向阀进入卸荷阀控制的油缸,此时阀芯下移,关 闭高压水溢流口,高压水进入喷嘴进行喷水除鳞。红钢坯从除鳞箱内出来时,Jc2红外探测仪检 测到红钢坯后传出电信号,系统恢复原位,并进入下一个循环,除鳞结束。对不同的钢种,可通过 调节高压泵电机的转速来调节系统的流量和压力,以保证系统工作处于最佳状态。当电磁控制卸荷 阀出现故障时,关闭高压截止阀,系统仍可正常工作。若变频器出现故障时,可通过设置的手动转 换装置使系统正常工作。该系统的特点是:实现间隙除鳞控制。高压水关、开的卸荷阀安装在旁路 上,每次除鳞结束时,不需要旁路单向阀控制。主管内高压水的压力始终保持1～2MPa,这样 ,当高压水除鳞时,可减小水锤对管路及设备的冲击震动。系统使用的高压水控制阀体积小。该系 统已申请专利。3除鳞系统技术参数确定3.1高压水额定工作压力的确定系统工作压力是影响除 鳞质量的主要因素,其值取决于所轧钢种氧化铁皮的状况。对于形成的一次氧化铁皮为“干结构” ,采用较低水压(12～15MPa雪和水量穴2～3g/cm2雪即可除去。对于许多合金钢来 说,其氧化铁皮与钢坯表面粘着较紧,要用较高水压穴16～18MPa雪的水才能有效地除去。 表1是采用不同的高压水压力对各种钢坯的除鳞效果比较。根据杭钢待除鳞钢坯一般为普碳钢和部 分合金钢的具体情况,一般系统工作压力为15～17MPa,其值可通过变频调速实现。考虑到 管路的压力损失,确定高压泵的额定工作压力为20MPa。3.2高压泵额定流量的确定确定高 压泵额定流量的依据是钢坯断面尺寸、除鳞速度及钢坯允许温降。杭钢热轧带钢坯料的断面规格( mm2)为150×150,160×200,200×200;长度为3.5～5.0m;除鳞 速度为0.8～1.2m/s;钢坯经除鳞后的温降小于20℃;一次性除鳞后钢坯表面无氧化铁 皮。根据实际经验和国际上有关高压水热态除鳞的通用设计准则,对于普碳钢和低合金钢采用1— 喷嘴2—除鳞箱3—钢坯4—辊道5—截止阀6—调压阀7—截止阀8—卸荷阀9—单向节流阀1 0—电磁换向阀11—油泵站12—变频器13—
高压泵14—反冲式过滤器15—管道泵16— 过滤器17—高位水箱图2高压水除鳞原理碳素钢不锈钢9010090100轧件材质12.7 513.7314.7115.6916.6717.65合金钢90100喷嘴出口水压/MP a表1高压水压力和除鳞效果%1—钢坯2—探测仪3—除鳞箱4—辊道图1高压水除鳞装置系统 组成2～3g/cm2的高压水可以有效地清除炉生氧化铁皮,为此,取除鳞速度为0.8m/s ,钢坯断面尺寸为200mm×200mm,高压水总流量为0.8×0.2×4×2×10-2 ×3600=46穴m3/h雪根据上述计算结果,综合考虑其他因素,取高压泵总流量为45m 3/h。3.3除鳞温降校核高压水最大实际除鳞时间T实=L/V=6.25穴s雪(1)允许 高压水除鳞时间T允=3600C·γ·δα·φ1nT0-TWT1-TW=7.26穴s雪( 2)式中C———钢坯比热容;γ———钢坯密度;δ———钢坯厚度;α———总散热系数,主 要包括高压水冷却散热,空气辐射散热,辊道传热;φ———钢坯表面温度和沿厚度上的平均温度 之比值;T0———钢坯入除鳞箱温度;T1———钢坯除鳞后最低温度;TW———高压水温度 ,20℃穴常温雪。经上述计算得:T允∧T实。杭钢采用激光测温仪对钢坯除鳞前后的温度进行 测量,其结果是温差不到2℃。实践证明高压水除鳞只要满足T允∧T实,温降影响就不大。3. 4喷嘴面积及形状的确定(1)喷嘴面积的确定v=44.8P10.2姨(3)S=Qv·n· 0.06(4)式中v———水射流速度,m/s;P———水射流压力,MPa;S———喷嘴 面积,mm2;Q———高压泵总流量,L/min;n———喷嘴数量。(2)喷嘴结构形状的 确定目前,国内外热轧钢材高压水除鳞,喷嘴结构大体相同,由于都是采用相贯的原理设计的,故 喷嘴出口处机械强度低,磨损很快,使用寿命较短穴喷嘴面积扩散率达13%雪,导致除鳞不干净 ,喷嘴更换频繁。同时,这种类型喷嘴喷射的扇形水射流中心部位水流量小,两侧流量较大,导致 打击力不均匀,影响了除鳞效果。对此,笔者研制了一种红宝石喷嘴镶嵌喷头,其结构见图3。此 种结构的喷头与用传统的相贯设计原理制作的喷头截然不同,其水流结构好,能用生产浊环水,抗 腐耐磨,除鳞干净,已用于杭钢钢坯除鳞。该种喷头已申请专利。组合式圆形宝石喷嘴孔d的计算 式为d=(4S/3.14)1/2。4喷头在除鳞环上的安装位置考虑到待除鳞钢坯断面尺寸不 同和钢坯表面鳞皮厚度不一致,为满足对不同钢坯尺寸的除鳞要求,除鳞装置设置了两个除鳞环, 每个除鳞环上安装12个喷头,每个面各3个。如用于150mm×150mm断面的钢坯,各面 喷头间隔距离为50mm;用于200mm×200mm断面的钢坯,各面喷头间隔距离为70m m。设计高压水除鳞环时,相邻两喷嘴射流设计重叠量为10～30mm。为了防止两喷头水流在 同一断面相互干涉,在设计上使除鳞环上喷头布置位置都相互错开。喷嘴与钢坯运动方向的前倾斜 安装角为15°。除鳞箱置于钢坯输送线特定位置,箱内安装两个除鳞环。该除鳞箱用于收集鳞皮 和废水。5高压设备的关键部件设计研究5.1高压泵高压泵是整个系统的心脏,其性能的好坏对 整个系统有决定性的影响,杭钢的钢坯除鳞属周期性间隙喷水除鳞,压力从0到8MPa,工作4 s后又降为零,对高压泵动力端冲击较大。为了解决这个问题,在设计高压泵时,对动力端采用4 个支撑,以保证高压泵运转时受力均匀,工作平稳。由于除鳞的高压泵是连续24h运转,高压密 封的使用寿命也是一个关键问题,对此,所研制的高压密图3红宝石喷嘴结构示意封采用5种软硬 不同的材料组成,经现场运行考验,工作可靠。5.2高压水的控制阀高压卸荷阀穴除鳞阀雪为间 隙式,除鳞时使用频繁,阀芯和阀座接合面受周期性开启和水锤作用,容易损坏,对此采用了专用 材料镶嵌阀芯和阀座的措施,由此,其使用寿命大大提高,且工作更加可靠。6结语(1)长沙矿 山研究院与杭钢合作的这套高压水除鳞系统,经杭钢生产实践证明:该系统设置科学、合理,主体 设备运行正常、稳定,除鳞效果好。(2)该系统采用的组合式红宝石喷嘴,其耐磨性远远高于国 内外目前使用的不锈钢座碳化钨喷嘴,解决了常见的喷嘴磨损快问题。另外,由于采用了红宝石喷 嘴,该系统便有条件使用浊环水,为此可节约大量的新水费用,避免废水外排,既有可观的经济效益,又有显著的环保效益。(3)该系统采用的组合式高压密封,质量稳定,使用寿命长,很适合钢厂的高压水除鳞。高压水除鳞技术的应用@刘寿华$长沙矿山研究院!湖南长沙421001
@罗建华$长沙矿山研究院!湖南长沙421001
@李湘文$长沙矿山研究院!湖南长沙421001
@朱金清$杭州钢铁股份有限公司!浙江杭州310022
@吴伊蓝$杭州钢铁股份有限公司!浙江杭州310022
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高压水射流;;钢坯除鳞;;装置在热轧 钢材生产中,钢坯表面的炉生氧化铁皮是影响钢材表面质量的主要原因之一,长沙矿山研究院与杭 州钢铁股份有限公司热轧带钢厂合作,设计了1套高压水除鳞装置。介绍了该装置的工作原理及其 技术参数的确定方法,关键零部件的研制及使用效果等。两侧流量较大,导致打击力不均匀,影响 了除鳞效果。对此,笔者研制了一种红宝石喷嘴镶嵌喷头,其结构见图3。此种结构的喷头与用传 统的相贯设计原理制作的喷头截然不同,其水流结构好,能用生产浊环水,抗腐耐磨,除鳞干净, 已用于杭钢钢坯除鳞。该种喷头已申请专利。组合式圆形宝石喷嘴孔d的计算式为d=(4S/3 .14)1/2。4喷头在除鳞环上的安装位置考虑到待除鳞钢坯断面尺寸不同和钢坯表面鳞皮厚 度不一致,为满足对不同钢坯尺寸的除鳞要求,除鳞装置设置了两个除鳞环,每个除鳞环上安装1 2个喷头,每个面各3个。如用于150mm×150mm断面的钢坯,各面喷头间隔距离为50 mm;用于200mm×200mm断面的钢坯,各面喷头间隔距离为70mm。设计高压水除鳞 环时,相邻两喷嘴射流设计重叠量为10～30mm。为了防止两喷头水流在同一断面相互干涉, 在设计上使除鳞环上喷头布置位置都相互错开。喷嘴与钢坯运动方向的前倾斜安装角为15°。除鳞箱置于钢坯输送线特定位置,箱内安装两个除鳞环。该除鳞箱用于收集鳞皮和废水。5高压设备的
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