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高壓水除鱗系統(tǒng)的自動化控制
0 前言
在熱軋鋼材生產(chǎn)過程中，鋼坯表面的爐生氧化鐵皮是影響鋼材表面質(zhì)量的主要原因之一，由于它的存在，使鋼材表面產(chǎn)生凹坑、麻點、氧化鐵壓入等多種產(chǎn)品缺陷。為了解決這一問題，國內(nèi)外已經(jīng)采用多種除鱗方法，相比之下，高壓水除鱗技術(shù)具有適應(yīng)鋼種范圍廣，除凈率高，綜合成本低等優(yōu)點。在熱態(tài)除鱗和冷態(tài)除鱗中得到了應(yīng)用，成為當(dāng)今除鱗方法的主流。2008年9月京唐鋼鐵股份有限公司熱軋帶鋼廠（簡稱京唐鋼鐵）投入了1套高壓水除鱗裝置，并于當(dāng)年的12月投入使用，到目前為止，該設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，除鱗工作可靠，除鱗效果良好。
1 高壓水除鱗的機理
鋼坯從加熱爐中出爐后， 其表面覆蓋的氧化鐵皮急速冷卻， 爐內(nèi)生成的氧化鐵皮呈現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。在高壓水的噴射之下， 氧化鐵皮表面局部急冷， 產(chǎn)生很大收縮， 從而使氧化鐵皮裂紋擴大，并有部分翹曲。經(jīng)高壓水流的沖擊， 在裂紋中高壓水的動壓力變成流體的靜壓力而打入氧化鐵皮底部， 使氧化鐵皮從鋼坯表面剝落， 達到了清除氧化鐵皮之目的。
根據(jù)上述機理，在設(shè)計除鱗設(shè)備時，應(yīng)特別考慮軋制速度、軋制溫度、噴嘴的水流量、噴嘴處的水流壓力等因素的影響。再有， 氧化鐵皮的化學(xué)成分及位層的組成與鋼材的原料成分、加熱溫度、加熱時間、爐內(nèi)氣氛條件和軋制工藝有密切關(guān)系。對于碳鋼而言，氧化鐵皮表層為Fe2O3，中間層為Fe3O4，內(nèi)層為FeO。目前高壓水除鱗系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用， 還存在一些問題。為了總結(jié)提高高壓水除鱗效果， 本文對系統(tǒng)一些主要問題進行一定探討， 以供有關(guān)設(shè)計、生產(chǎn)管理人員參考。
2 噴嘴的選擇及安裝
2.1 噴嘴的選擇
高壓水除鱗效果的好壞， 在很大程度上取決于噴嘴的結(jié)構(gòu)及噴口的形狀。除鱗噴嘴的基本要求有三點：
（1）噴出水流要寬而扁， 要形成象鋒利的刀子一樣的水流。
（2）水流的打擊力沿水流寬度上的分布要盡可能均勻。對普碳鋼在爐內(nèi)生成的氧化鐵皮來說， 均勻的打擊力希望為2×10～2.5×10 Pa 。高壓水壓力一般為16～28MPa 。
（3）噴嘴的材料要求耐磨
根據(jù)計算，當(dāng)水壓達到16MPa 時， 噴嘴口處的水流速度可達144m/ s 左右。因此沒有耐磨的材料，噴嘴就要經(jīng)常更換，增加停軋時間，影響生產(chǎn)效率。
根據(jù)試驗得知，矩形斷面的噴口不適用于高壓水除鱗， 因為這種噴口在邊緣上的沖擊力大，而在中間的沖擊力小。試驗資料及生產(chǎn)實踐表明，橢圓形的噴口斷面好。
各種不同的軋制鋼材，有它合適的高壓水的消耗量（噴射強度） 。如熱軋帶鋼生產(chǎn)線上，一般碳鋼及低合金鋼的高壓水消耗量為： 605Lt軋件，在初軋機架上為350Lt ，在精軋機架上消耗為225Lt 。對于不同鋼種、不同材質(zhì)需不同的噴射強度。
單只噴嘴的水耗量Q （L/ S），可按下式進行計算：
式中： μ： 流量系數(shù)， 外伸圓柱形管嘴μ= 0.82（根據(jù)不同噴嘴形狀， 其值在0.8～1之間）
g ： 重力加速度（9.8m/s）
p ： 工作壓力（m 水柱）
3 除鱗系統(tǒng)的自動控制
3.1根據(jù)軋制除鱗工藝設(shè)計二套除鱗系統(tǒng)
相對一個系統(tǒng)而言降低了重疊除鱗流量，減少除鱗點壓力波動和重疊除鱗次數(shù)，保證除鱗質(zhì)量和均勻的冷卻；
3.2采用偶合器調(diào)速，實現(xiàn)離心泵“按需供給”
降低運行成本
避免離心泵出現(xiàn)閉點壓力和過熱燒泵現(xiàn)象，提高系統(tǒng)運行可靠性；
降低蓄能器持續(xù)峰值壓力，降低系統(tǒng)高壓風(fēng)險投資；
減少離心泵高速高壓運行時間，提高高壓系統(tǒng)耐壓元件使用壽命；
避免蓄能器冒頂，提高系統(tǒng)運行的可靠性；提高生產(chǎn)效率
3.3粗軋泵站采用蓄能器與泵站二處布置
供水壓力源靠近除鱗點，壓力降少，有利除鱗質(zhì)量；
蓄能器靠近除鱗點減少離心泵負(fù)荷和管路沖擊；
二個壓力源為三個除鱗點供水，系統(tǒng)壓力均衡。
3.4 FSB系統(tǒng)采用離心泵直接供水
除鱗點壓力恒定，沒有波動；除鱗質(zhì)量好；
系統(tǒng)管網(wǎng)無沖擊震動，運行可靠性高；
采用中間坯全除鱗和中間坯讓頭二種除鱗工藝，滿足不同鋼種除鱗需要。
3.5 粗、精軋泵站控制系統(tǒng)與軋制線除鱗和換輥等非生產(chǎn)停機作業(yè)間隔，實現(xiàn)離心泵根據(jù)軋制除鱗需要供水，除鱗點壓力22MPa可調(diào)，實現(xiàn)非生產(chǎn)停機作業(yè)期間，泵站至除鱗點壓力約1.5MPa，有利軋機區(qū)域作業(yè)人員安全。
4 電控儀表
4.1基礎(chǔ)自動化部分
兩個泵站設(shè)置兩套PLC控制系統(tǒng)，采用西門子PLC S7-317、配多個ET-200M工作站，對高壓水除鱗泵、高壓電機、液力偶合器、液壓站、聯(lián)合油站、除鱗機、除鱗閥、蓄勢器等設(shè)備實現(xiàn)遠程控制及信號采集，根據(jù)除鱗系統(tǒng)的工藝要求及除鱗設(shè)備的特殊性，編制安全可靠的運轉(zhuǎn)程序保證除鱗系統(tǒng)安全、可靠、自動節(jié)能運行。
4.2工控機人機界面部分
每個泵站設(shè)置兩套工控機及一個觸摸屏分別設(shè)在控制室、現(xiàn)場操作臺，地下除鱗泵站。
4.3 工控機采用西門子6AG4011工控機及WCC監(jiān)控軟件，通過數(shù)據(jù)采集，對高壓水除鱗系統(tǒng)各部分運行情況進行監(jiān)控，人機界面內(nèi)容有：泵站主畫面、泵組分畫面 、系統(tǒng)操作畫面、系統(tǒng)故障報警畫面、故障和事故記錄、趨勢畫面。
4.4儀表部分：
一次儀表采用德國HYDAC 壓力變送器及溫度傳感器對除鱗泵、高壓電機、液力偶合器、液壓站、聯(lián)合油站等設(shè)備的測壓點及測溫點進行信號反饋，對高壓水除鱗系統(tǒng)的主要參數(shù)除在人機介面實時監(jiān)控。
4.5除鱗泵站與軋線計算機通訊
（1）除鱗泵站供給軋線計算機通訊內(nèi)容
除鱗泵站啟動條件具備信息
除鱗泵站運轉(zhuǎn)正常信息
除鱗泵站提供壓力信息
除鱗泵站處于換輥等短時間不用高壓水信息
除鱗泵站警報和事故停機信息
除鱗泵站正常停機信息
（2）軋線計算機提供給除鱗泵站信息
噴射閥開閉狀態(tài)信息
除鱗系統(tǒng)壓力設(shè)定值信息
換輥等短時間不用高壓水信息
HSB除鱗信息
（3）通訊網(wǎng)絡(luò)：以太網(wǎng)或PROFIBUS-DP
（4）除鱗泵站與軋制線設(shè)備連鎖控制內(nèi)容
l 離心泵啟動條件所有噴射閥處于關(guān)閉狀態(tài)；
l 蓄能器水位達到下事故水位，所有噴射閥自動關(guān)閉；
5 粗軋除鱗泵站控制
5.1工作原理
在離心泵和電機之間安裝液力偶合器。電機恒速運行，通過改變偶合器勺管位置—傳遞力矩，實現(xiàn)離心泵轉(zhuǎn)速—排出壓力調(diào)整。當(dāng)蓄能器壓力或水位達到設(shè)定上限時，液壓執(zhí)行器控制勺管下行，排出偶合器轉(zhuǎn)子內(nèi)工作油，偶合器泵輪和渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，離心泵低速低壓空載節(jié)能運行；當(dāng)蓄能器壓力或水位達到設(shè)定下限時，液壓執(zhí)行器控制勺管上行，偶合器轉(zhuǎn)子內(nèi)工作油充滿，偶合器泵輪和渦輪在液動力作用下同步轉(zhuǎn)動，離心泵高速高壓負(fù)載運行，從而實現(xiàn)離心泵根據(jù)軋制-除鱗用水量供水，如同柱塞泵-蓄能器除鱗系統(tǒng)工作制度，以蓄能器提供除鱗水量為主，離心泵供水為輔，因此，蓄能器容量選擇直接關(guān)系到能否滿足軋制-除鱗工藝要求和離心泵升降速次數(shù)。
5.2離心泵控制
（1）自動啟動條件：
除鱗泵吸水閥門處于開啟狀態(tài)、出水閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；
循環(huán)閥處于關(guān)閉狀態(tài)；
噴射閥處于關(guān)閉狀態(tài)；
液力偶合器處于低速狀態(tài)；
進水壓力≥0.25MPa
液壓站系統(tǒng)壓力≥ 6MPa
潤滑油壓 ≥0.12MPa
偶合器工作油壓≥0.12MPa
（2）報警條件：
進水壓力≤0.15MPa，出口閥、低液面閥、噴射閥自動關(guān)閉；
潤滑油壓≤0.07MPa；
偶合器工作油壓≤0.08MPa；
泵、偶合器、電機各軸承溫度≥70°C
電機定子溫度≥95°C
泵體溫度≥60°C
潤滑油站、工作潤滑油站油箱油位達到下報警油位
（3）跳閘條件：延時（）秒
進水壓力≤0.08MPa
潤滑油壓≤0.05MPa
偶合器工作油壓≤0.06MPa
泵、偶合器、電機各軸承溫度≥80°C
電機定子溫度≥105°C
泵體溫度≥70°C
潤滑油站、工作潤滑油站油箱油位達到下事故油位
5.3系統(tǒng)安全運行控制
（1）低壓供水事故斷水，防止“燒泵” “跑氣”控制
低壓供水壓力低于0.12MPa，離心泵自動降速運行，泵出口閥自動關(guān)閉，同時低液面閥噴射自動關(guān)閉；壓力低于0.08MPa，離心泵跳閘停止運行；
（2）防止高壓水進入低壓管網(wǎng)控制
措施：
防離心泵反轉(zhuǎn)：泵出口止回閥采用液動力關(guān)閉，而且受壓面積大關(guān)閉力大，容易關(guān)嚴(yán)；備用泵停止后，泵出口液動閥自動關(guān)閉；另外，有壓力傳感器檢測低壓管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓力超過0.8MPa，離心泵自動降速運行，泵出口閥自動關(guān)閉，同時低液面閥噴射自動關(guān)閉；三道保險。
（3）防止蓄能器“跑氣”和 “氣罐進水”控制
防止蓄能器“跑氣”措施：
采用下控式低液面閥保證快速關(guān)閉，而且氣閉性好；如果關(guān)不嚴(yán)蓄能器水位下降到第二事故水位，軋制線噴射閥自動關(guān)閉，雙保險。
防止蓄能“氣罐進水”措施：
當(dāng)蓄能器氣體容量少時，水位升高，造成冒頂，損壞液位計浮子，高壓水進入氣罐，影響蓄能器有效容積。采用上事故水位控制，當(dāng)蓄能器水位達到上事故水位，壓力還沒有達到要求，說明蓄能器內(nèi)氣體少了，報警同時，離心泵自動降速運行，停止供水，保證系統(tǒng)安全。
5.4主付泵控制
二臺工作離心泵設(shè)置主付泵工作制，目的，滿足軋制除鱗工藝流量條件下，減少離心泵升降速次數(shù)，降低運行成本，提高離心泵使用壽命。
主泵根據(jù)蓄能器液位或壓力信號，升速或降速。
付泵根據(jù)軋制線除鱗信號升速，根據(jù)蓄能器液位或壓力信號降速。
6 精軋除鱗泵站控制
6.1不讓頭除鱗工藝
噴射閥始終開啟，依靠離心泵升降速除鱗。
當(dāng)HMD檢測到中間坯頭部時，液力偶合器液壓執(zhí)行器控制勺管上行，偶合器轉(zhuǎn)子內(nèi)工作油充滿，偶合器泵輪和渦輪在液動力作用下同步轉(zhuǎn)動，離心泵高速高壓負(fù)載運行，向除鱗點供高壓水，進行中間坯表面除鱗；當(dāng)HMD檢測到中間坯尾部時，液力偶合器液壓執(zhí)行器控制勺管下行，排出偶合器轉(zhuǎn)子內(nèi)工作油，偶合器泵輪和渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，離心泵低速低壓空載運行，向除鱗點供低壓水（1.3MPa），進行高壓管路充填低壓水，防止除鱗時管路震動；
6.2讓頭除鱗工藝
噴射閥與離心泵升降速連鎖控制除鱗
當(dāng)HMD檢測到中間坯頭部時，離心泵自動升速運行，噴射閥處于關(guān)閉狀態(tài)，泵排出高壓水通過預(yù)充水閥進行高壓管路充填，防止管路沖擊，噴射閥根據(jù)設(shè)定時間自動開啟，讓出中間坯頭部，對中間坯進行除鱗；
當(dāng)HMD檢測到中間坯尾部時，離心泵自動降速運行，2秒鐘后，噴射閥自動關(guān)閉，結(jié)束除鱗，由于離心泵降速2秒鐘后，系統(tǒng)壓力＜3MPa，而且預(yù)充水閥始終開啟，因此，避免了因噴射閥關(guān)閉產(chǎn)生的水力沖擊。
運行情況
新上高壓水除鱗系統(tǒng)自2008年12月投用以來，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，完成了設(shè)計功能，滿足了生產(chǎn)要求?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場情況，及時檢測出高壓電機軸瓦溫度變化，并報警跳閘，避免重大設(shè)備事故，應(yīng)用效果良好。
7 結(jié)束語
（1）由于蓄能裝置的使用，大大增強了系統(tǒng)吸收能量的功能，消除了水錘沖擊的現(xiàn)象。增壓裝置達到了增壓和蓄能的效果。在不增加其他裝備的情況下，使用高壓水直接將低壓氣體增至高壓，事實證明可以達到預(yù)期效果。這也為其它流體增壓提供了又一個可行的思路。
（2）選擇了適合的噴嘴并合理布置，同時系統(tǒng)壓力波動很小，使得鋼坯氧化鐵皮的除凈率大大提高。
（3）鋼坯溫降小，滿足鋼坯軋制的穩(wěn)定需要。
（4）經(jīng)過驗證此套高壓水除鱗設(shè)備運行的穩(wěn)定；提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量；降低消耗，節(jié)約了能源。事實證明了新裝備的可行性，達到了預(yù)期的效果。
實時匯聚核
心行業(yè)動態(tài)
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實時匯聚核心行業(yè)動態(tài)
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