两种不同的高压水热态除鳞系统及其应用

两种不同的高压水热态除鳞系统及其应用樊丽霞 周卓锁 罗建华唐山钢铁集团公司带钢厂 长沙矿山研究院高压水射流技术研究所 摘要 本文介绍了“泵+蓄能器”和“泵+卸荷阀”两种高压水热态除鳞系统的原理和组成，详细研究了它们之间的异同，分析了它们各自的应用范围，并结合实际，论述了唐钢带钢厂除鳞系统的选择。关键词：高压水射流技术，热轧带钢，热态除鳞，除鳞系统，高压水除鳞。 TWO DIFFERENT TYPES OF THERMAL-STATE DESCALING SYSTEMS USING HIGH-PRESSURE WATERJET AND THEIR APPLICATIONFan Lixia(The Hot Rolled Steel Strip Factory，Tangshan Iron and Steel Group Corp)Luo Jianhua (The High-pressure Waterjet Technology Subinstitute，Changsha Institute of Mining Research)ABSTRACT An introduction to the principles and structures of two types of thermal-state descaling systems，in which one is equipped with pump+accumulator and the other with pump+relief valve，using high-press waterjet is made.。The differences between them are researched in detail and the scopes of their application are analyzed。Meanwhile，the selection of descaling systems used for The Hot Rolled Steel Strip Factory (Tangshan Iron and Steel Group Corp) is described。Keywords: High-pressure waterjet technology，Hot rolled steel strip，Thermal-state descaling，Descaling system，High-pressure waterjet descaling。一、 概述在钢铁厂的生产中，钢坯经加热炉加热后，表面会产生氧化铁皮，俗称鳞皮。该鳞皮在热轧过程中很容易被轧进钢材，从而严重影响产品的表面质量。随着钢材市场竞争的日趋激烈以及开发高质量、高附加值钢铁产品的需要，彻底地清除钢坯表面的氧化铁皮已成为各钢铁厂家所必须解决的问题。当前，国内外已应用的热态除鳞方法主要有高压水除鳞、机械破鳞和气体吹除法等。其中，高压水除鳞法因具有适应钢种范围广、对炉生氧化铁皮和二次氧化铁皮的除净率高、无环境污染、综合成本低等优点，在钢铁厂得到了广泛的应用，成为当今除鳞方法的主流。 长久以来，应用于钢厂热态除鳞的一般为“中（小）流量的高压泵+水气蓄能器+高压空压机+最低液位控制阀+循环阀+除鳞阀” 除鳞系统（以下简称“泵+蓄能器”系统）。近阶段，长沙矿山研究院高压水射流技术研究所提出了一种新的除鳞系统即“大流量高压泵+卸荷阀”除鳞系统（以下简称“泵+卸荷阀”系统）应用到生产实践中来，取得了优良的效果。 本文介绍了以上两种除鳞系统的原理和设备组成，详细地研究了它们各自的优缺点及适用范围，并结合唐山钢铁集团公司带钢厂的实际情况，论述了该厂在选择除鳞系统时的依据。二、 两种高压水热态除鳞系统的原理和组成1、“泵+蓄能器”系统传统的“中（小）流量的高压泵+水气蓄能器+高压空压机+最低液位控制阀+循环阀+除鳞阀”系统的原理图如下。该系统的基本原理是：在除鳞间隙时间内先由一台或多台中（小）流量高压泵向气液蓄能器充以足够的高压水，然后循环阀打开，高压泵处于低压循环状态并停止向气液蓄能器充水；当系统开始除鳞时，打开除鳞阀、关闭循环阀，气液蓄能器内的高压水和高压泵的高压水共同完成除鳞工作；当系统结束除鳞后，关闭除鳞阀，系统又进入气液蓄能器充水和高压泵低压循环等待的程序。 该系统的主要设备有：高压泵、单向阀、循环阀、除鳞阀、最低液位控制阀、电磁分配器、高压水气蓄能器、高压气罐、高压空压机、除鳞箱、除鳞环和喷嘴以及电气控制系统等。这其中，高压水气蓄能器、高压气罐属于三类高压高危压力容器，属劳动部门严格检验和使用管理的特种设备。且高压水气蓄能器需配备专用液位控制电器设备。2、“高压泵+卸荷阀”系统“大流量高压泵+卸荷阀”系统的原理图如下。该系统的基本原理是：在除鳞间隙时间内，卸荷阀打开，高压泵低压空载运行以节能，此时，绝大部分的水经卸荷阀流回水箱，而高压管道和除鳞环内仍保留有细小流量的低压水，以防止当系统压力上升时产生的水锤现象；当系统除鳞时，关闭卸荷阀，系统压力上升至额定压力，此时，全部的水流经高压管道、除鳞环、喷嘴射向待除鳞钢坯以完成除鳞工作。该系统的主要设备有：高压泵、卸荷阀、除鳞箱、除鳞环和喷嘴以及电气控制系统等。因柱塞式高压泵为定量泵，故该类系统中需配备溢流阀或变频器，以调节系统的压力和流量。三、 两种系统的比较1、“泵+卸荷阀”系统比“泵+蓄能器”系统简单实用从系统原理图及设备的组成即可看出，“泵+卸荷阀”系统比“泵+蓄能器”系统更简单实用。对于“泵+蓄能器”系统，因该类系统的设备中含有属于三类高压高危压力容器的水气蓄能器、高压气罐以及需配备高压空压机（出口压力2025Mpa）和众多的各类高压阀门（如最低液位控制阀、电磁分配器、高压单向阀等），所以该类系统极为复杂、投资较大、工期长、安全性能要求高。且该类系统的除鳞压力由水气蓄能器内的压力而确定，调节不便，对不同钢种的适应性不好。另外，该类系统中设备众多，每一个设备所可能隐藏的故障，降低了整个系统的可靠性。与此相反，“泵+卸荷阀”系统的原理及设备组成极其简单，故该类系统投资小、工期短、安全性能高，更为实用。2、“泵+卸荷阀”系统中所配备的高压泵流量较大从“泵+蓄能器”系统的原理可知，除鳞时所需的流量由水气蓄能器和高压泵共同提供，而在“泵+卸荷阀”系统中，除鳞时所需的流量全部由高压泵提供，故在同等设计条件下，后者所配备的高压泵的流量要大得多。另外，根据三缸单作用泵的无因次流量函数（q）= 为了减小系统的流量脉动率和压力的共振和干涉，应适当减少“泵+卸荷阀”系统中所配备的高压泵的数量。3、“泵+卸荷阀”系统中压力波动大、冲击较大从系统原理中可知，在“泵+卸荷阀”系统中，当卸荷阀关闭时或当卸荷阀打开时，系统会产生压力波动： P=P1+P2式中：P1:系统工作压力的波动值，设额定除鳞工作压力20Mpa，系统空载时剩余低压2Mpa，则P1=19Mpa。 P2：水锤冲击强度根据儒可夫斯基直接水锤理论有： P2=aV:水的密度，取=1000Kg/m3 V:高压管道内水流速度的变化，设除鳞时，V1=5m/s,不除鳞时，V2=0,则V=V1-V2=5m/sa:压力波的传播速度a=式中：D:高压管直径，设D=0.1m: 高压管壁厚，取=10mmE0:管壁材料的弹性模数，取E0=19.61010Pa则:a=1348.15m/s P2=aV=10001348.155=6.74106Pa=6.74Mpa P=P1+P2=19+6.74=25.74Mpa因此，在该类除鳞系统中，高压水输送装置必须采取防震措施。而在“泵+蓄能器”系统的设计中，要求Pmin:Pmax0.8,即系统是工作在约20Mpa至18Mpa之间，P=2Mpa;且水气蓄能器有吸收系统冲击能量的作用，因此相对而言，系统中压力波动小、水锤冲击小。4、各种系统的技术经济分析如下表所示高压泵+水气蓄能器高压泵+卸荷阀高压泵+卸荷阀+变频器系统构成复杂简单较简单一次性投资较大小中工作可靠性一般可靠可靠节能效果一般一般良好对不同钢种的适应性不太好一般良好系统工作压力的调节性不太方便方便很方便系统工作压力的调节方法调节水气蓄能器的压力调节手动溢流阀通过调节变频器调节高压泵电机转速高压泵流量的调节方法不可调不可调可调系统维护工作量大中中适应钢坯断面大、中中、小中、小占地面积大小小四、 两种系统的适用范围1、 一个“高压泵+卸荷阀”系统只能满足一个除鳞点的除鳞需求，而一个“高压泵+蓄能器”系统能满足多个除鳞点的除鳞需求。从“高压泵+卸荷阀”系统的原理可知，当卸荷阀卸荷时，整个系统压力下降低，若系统中有多个除鳞点，则所有的喷嘴处压力均无高压水射流，即所有的除鳞点都同时不除鳞。因此，一个“高压泵+卸荷阀”系统要能满足多个除鳞点除鳞需求的前提是，这几个除鳞点的除鳞时间和间隙时间必须一致。而从“高压泵+蓄能器”系统原理可知，除鳞所需的压力是由水气蓄能器内的压力所确定的，故当打开一个或多个除鳞点所对应的除鳞阀时，只要系统能提供足够的流量和保持水气蓄能器内的压力，就能满足除鳞的需求。2、 除鳞所需的总流量是确定采用何种除鳞系统的另一个重要依据。对于每一个除鳞系统而言，在确定了除鳞面积、除鳞速度、除鳞温降、除鳞钢种等条件后，即可计算出一确定的除鳞流量。无论选用何种除鳞系统，都必须以满足该流量为前提。在满足除鳞总流量的前提下，“高压泵+卸荷阀”系统因其系统原理简单、设备组成少、投资小、工期短、安全性能高等诸多优点，成为除鳞系统的首选。而当除鳞所需流量极其巨大时，“高压泵+蓄能器”系统成为除鳞系统的必然选择。以本文作者的实践经验，当除鳞所需总流量在200M3/h以内时，选择“高压泵+卸荷阀”系统为好；而当除鳞所需总流量在250M3/h以上时，应选择“高压泵+蓄能器”系统。3、 在选择除鳞系统时，还应综合考虑除鳞工艺要求、设备的投资总额、工程的工期、设备的可靠性、系统的运行成本、设备的维护及费用等各方面的因素。五、 唐钢热带厂除鳞系统选择的论证 唐钢热带厂为了提高产品质量、拓展产品品种、解决钢坯热态除鳞问题，决定在钢坯的粗轧和中轧这两个点上采用高压水除鳞。具体参数如下： 粗轧：钢坯规格尺寸断面：165165mm、165 225mm、翻钢后225165mm、165 280mm长度：3500 mm,考虑5000mm辊道速度：2.39 m/s中轧： 钢坯规格尺寸断面：130355mm 3245mm、长度：30m除鳞速度：0.61.2 m/s根据以上参数经计算可知，选择除鳞系统的已知条件如下：1：除鳞点数量，两个，粗轧和中轧2：粗轧除鳞流量Q=45m3/h3：中轧除鳞流量Q=30m3/h4：粗轧除鳞为间隙式喷水除鳞，中轧除鳞为连续式喷水除鳞根据以上已知条件可得我们有两种除鳞系统方案可选择：第一种方案是“高压泵+卸荷阀”系统方案，具体组成是：粗轧除鳞采用一台45m3/h的高压泵+卸荷阀的除鳞系统进行间隙式喷水除鳞；中轧除鳞采用一台45m3/h的高压泵连续运行进行连续式喷水除鳞。第二种方案是“高压泵+蓄能器”系统方案，具体组成是：采用两台30m3/h的高压泵，一台连续运行而另一台间歇式运行；选用一个5m3额定工作压力25Mpa的水气蓄能器和一个5m3额定工作压力25Mpa的压缩空气罐；选用一台排量1m3/min额定工作压力25Mpa的空压机；选用相应的各种高压阀门等。以上两种方案均可满足除鳞的要求。但详细对比和考察这两种方案，我们可以发现：1、 除鳞总流量为75m3/h，采用第一种方案更为合适；2、 即使分成粗轧和中轧两个独立的除鳞系统，第一种方案的投资仍比第二种方案的投资节省好几十万；3、 分成粗轧和中轧两个独立的除鳞系统且互不干涉，与第二种方案相比，提高了系统的可靠性；4、 第一种方案工期约为3个月，第二种方案工期约为6个月；5、 第一种方案的运行成本较低，维修维护工作量小，备件消耗少；而第二种方案则相反。 根据以上的考虑，最后，该厂选择了第一种方案。六、 结论1、 “高压泵+水气蓄能器”除鳞系统具有除鳞流量大、压力波动小等优点，但系统组成复杂、可靠性低、投资额大、工程周期长。2、 “高压泵+卸荷阀”除鳞系统具有系统组成简