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高壓水除鱗系統(tǒng)的自動(dòng)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(diǎn)、氧化鐵壓入等多種產(chǎn)品缺陷。為了解決這一問題，國(guó)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(diǎn)。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(jiǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)正常，除鱗工作可靠，除鱗效果良好。
1 高壓水除鱗的機(jī)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(kuò)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(dòng)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(dá)到了清除氧化鐵皮之目的。
根據(jù)上述機(jī)理，在設(shè)計(jì)除鱗設(shè)備時(shí)，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(shí)間、爐內(nèi)氣氛條件和軋制工藝有密切關(guān)系。對(duì)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(jì)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(duì)系統(tǒng)一些主要問題進(jìn)行一定探討， 以供有關(guān)設(shè)計(jì)、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(diǎn)：
（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(duì)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(jì)算，當(dāng)水壓達(dá)到16MPa 時(shí)， 噴嘴口處的水流速度可達(dá)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(shí)間，影響生產(chǎn)效率。
根據(jù)試驗(yàn)得知，矩形斷面的噴口不適用于高壓水除鱗， 因?yàn)檫@種噴口在邊緣上的沖擊力大，而在中間的沖擊力小。試驗(yàn)資料及生產(chǎn)實(shí)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(qiáng)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(jī)架上為350Lt ，在精軋機(jī)架上消耗為225Lt 。對(duì)于不同鋼種、不同材質(zhì)需不同的噴射強(qiáng)度。
單只噴嘴的水耗量Q （L/ S），可按下式進(jìn)行計(jì)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(dòng)控制
3.1根據(jù)軋制除鱗工藝設(shè)計(jì)二套除鱗系統(tǒng)
相對(duì)一個(gè)系統(tǒng)而言降低了重疊除鱗流量，減少除鱗點(diǎn)壓力波動(dòng)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(shí)現(xiàn)離心泵“按需供給”
降低運(yùn)行成本
避免離心泵出現(xiàn)閉點(diǎn)壓力和過熱燒泵現(xiàn)象，提高系統(tǒng)運(yùn)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(xiǎn)投資；
減少離心泵高速高壓運(yùn)行時(shí)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(yùn)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(diǎn)，壓力降少，有利除鱗質(zhì)量；
蓄能器靠近除鱗點(diǎn)減少離心泵負(fù)荷和管路沖擊；
二個(gè)壓力源為三個(gè)除鱗點(diǎn)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(diǎn)壓力恒定，沒有波動(dòng)；除鱗質(zhì)量好；
系統(tǒng)管網(wǎng)無(wú)沖擊震動(dòng)，運(yùn)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(jī)作業(yè)間隔，實(shí)現(xiàn)離心泵根據(jù)軋制除鱗需要供水，除鱗點(diǎn)壓力22MPa可調(diào)，實(shí)現(xiàn)非生產(chǎn)停機(jī)作業(yè)期間，泵站至除鱗點(diǎn)壓力約1.5MPa，有利軋機(jī)區(qū)域作業(yè)人員安全。
4 電控儀表
4.1基礎(chǔ)自動(dòng)化部分
兩個(gè)泵站設(shè)置兩套PLC控制系統(tǒng)，采用西門子PLC S7-317、配多個(gè)ET-200M工作站，對(duì)高壓水除鱗泵、高壓電機(jī)、液力偶合器、液壓站、聯(lián)合油站、除鱗機(jī)、除鱗閥、蓄勢(shì)器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及信號(hào)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(yùn)轉(zhuǎn)程序保證除鱗系統(tǒng)安全、可靠、自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行。
4.2工控機(jī)人機(jī)界面部分
每個(gè)泵站設(shè)置兩套工控機(jī)及一個(gè)觸摸屏分別設(shè)在控制室、現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)，地下除鱗泵站。
4.3 工控機(jī)采用西門子6AG4011工控機(jī)及WCC監(jiān)控軟件，通過數(shù)據(jù)采集，對(duì)高壓水除鱗系統(tǒng)各部分運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，人機(jī)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(bào)警畫面、故障和事故記錄、趨勢(shì)畫面。
4.4儀表部分：
一次儀表采用德國(guó)HYDAC 壓力變送器及溫度傳感器對(duì)除鱗泵、高壓電機(jī)、液力偶合器、液壓站、聯(lián)合油站等設(shè)備的測(cè)壓點(diǎn)及測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)反饋，對(duì)高壓水除鱗系統(tǒng)的主要參數(shù)除在人機(jī)介面實(shí)時(shí)監(jiān)控。
4.5除鱗泵站與軋線計(jì)算機(jī)通訊
（1）除鱗泵站供給軋線計(jì)算機(jī)通訊內(nèi)容
除鱗泵站啟動(dòng)條件具備信息
除鱗泵站運(yùn)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(shí)間不用高壓水信息
除鱗泵站警報(bào)和事故停機(jī)信息
除鱗泵站正常停機(jī)信息
（2）軋線計(jì)算機(jī)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(shí)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(dòng)條件所有噴射閥處于關(guān)閉狀態(tài)；
l 蓄能器水位達(dá)到下事故水位，所有噴射閥自動(dòng)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(jī)之間安裝液力偶合器。電機(jī)恒速運(yùn)行，通過改變偶合器勺管位置—傳遞力矩，實(shí)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(dá)到設(shè)定上限時(shí)，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(yùn)行；當(dāng)蓄能器壓力或水位達(dá)到設(shè)定下限時(shí)，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(dòng)力作用下同步轉(zhuǎn)動(dòng)，離心泵高速高壓負(fù)載運(yùn)行，從而實(shí)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(dòng)啟動(dòng)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(jìn)水壓力≥0.25MPa
液壓站系統(tǒng)壓力≥ 6MPa
潤(rùn)滑油壓 ≥0.12MPa
偶合器工作油壓≥0.12MPa
（2）報(bào)警條件：
進(jìn)水壓力≤0.15MPa，出口閥、低液面閥、噴射閥自動(dòng)關(guān)閉；
潤(rùn)滑油壓≤0.07MPa；
偶合器工作油壓≤0.08MPa；
泵、偶合器、電機(jī)各軸承溫度≥70°C
電機(jī)定子溫度≥95°C
泵體溫度≥60°C
潤(rùn)滑油站、工作潤(rùn)滑油站油箱油位達(dá)到下報(bào)警油位
（3）跳閘條件：延時(shí)（）秒
進(jìn)水壓力≤0.08MPa
潤(rùn)滑油壓≤0.05MPa
偶合器工作油壓≤0.06MPa
泵、偶合器、電機(jī)各軸承溫度≥80°C
電機(jī)定子溫度≥105°C
泵體溫度≥70°C
潤(rùn)滑油站、工作潤(rùn)滑油站油箱油位達(dá)到下事故油位
5.3系統(tǒng)安全運(yùn)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(dòng)降速運(yùn)行，泵出口閥自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)低液面閥噴射自動(dòng)關(guān)閉；壓力低于0.08MPa，離心泵跳閘停止運(yùn)行；
（2）防止高壓水進(jìn)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(dòng)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(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉；另外，有壓力傳感器檢測(cè)低壓管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓力超過0.8MPa，離心泵自動(dòng)降速運(yùn)行，泵出口閥自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)低液面閥噴射自動(dòng)關(guān)閉；三道保險(xiǎn)。
（3）防止蓄能器“跑氣”和 “氣罐進(jìn)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(dòng)關(guān)閉，雙保險(xiǎn)。
防止蓄能“氣罐進(jìn)水”措施：
當(dāng)蓄能器氣體容量少時(shí)，水位升高，造成冒頂，損壞液位計(jì)浮子，高壓水進(jìn)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(dá)到上事故水位，壓力還沒有達(dá)到要求，說明蓄能器內(nèi)氣體少了，報(bào)警同時(shí)，離心泵自動(dòng)降速運(yùn)行，停止供水，保證系統(tǒng)安全。
5.4主付泵控制
二臺(tái)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(yùn)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(hào)，升速或降速。
付泵根據(jù)軋制線除鱗信號(hào)升速，根據(jù)蓄能器液位或壓力信號(hào)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(cè)到中間坯頭部時(shí)，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(dòng)力作用下同步轉(zhuǎn)動(dòng)，離心泵高速高壓負(fù)載運(yùn)行，向除鱗點(diǎn)供高壓水，進(jìn)行中間坯表面除鱗；當(dāng)HMD檢測(cè)到中間坯尾部時(shí)，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(yùn)行，向除鱗點(diǎn)供低壓水（1.3MPa），進(jìn)行高壓管路充填低壓水，防止除鱗時(shí)管路震動(dòng)；
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(cè)到中間坯頭部時(shí)，離心泵自動(dòng)升速運(yùn)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(jìn)行高壓管路充填，防止管路沖擊，噴射閥根據(jù)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)開啟，讓出中間坯頭部，對(duì)中間坯進(jìn)行除鱗；
當(dāng)HMD檢測(cè)到中間坯尾部時(shí)，離心泵自動(dòng)降速運(yùn)行，2秒鐘后，噴射閥自動(dòng)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(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)正常，完成了設(shè)計(jì)功能，滿足了生產(chǎn)要求。控制系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)檢測(cè)出高壓電機(jī)軸瓦溫度變化，并報(bào)警跳閘，避免重大設(shè)備事故，應(yīng)用效果良好。
7 結(jié)束語(yǔ)
（1）由于蓄能裝置的使用，大大增強(qiáng)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(dá)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(shí)證明可以達(dá)到預(yù)期效果。這也為其它流體增壓提供了又一個(gè)可行的思路。
（2）選擇了適合的噴嘴并合理布置，同時(shí)系統(tǒng)壓力波動(dòng)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(yàn)證此套高壓水除鱗設(shè)備運(yùn)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(shí)證明了新裝備的可行性，達(dá)到了預(yù)期的效果。
實(shí)時(shí)匯聚核
心行業(yè)動(dòng)態(tài)
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實(shí)時(shí)匯聚核心行業(yè)動(dòng)態(tài)
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