劉寶山 李成志
（1.鞍鋼集團(tuán)眾元產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司2.鞍鋼集團(tuán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究院 鞍山114003）
【摘 要】 結(jié)合鞍鋼股份2350中板生產(chǎn)線高壓水除鱗系統(tǒng)20年的應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)軋鋼生產(chǎn)中高壓水除鱗系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)分析,提出了高壓水除鱗技術(shù)高效、穩(wěn)定、可靠、節(jié)能的發(fā)展方向，對(duì)高壓水除鱗技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展具有一定的指導(dǎo)借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】高壓水除鱗；應(yīng)用；改造；節(jié)能；發(fā)展
1高壓水除鱗技術(shù)概述
在熱軋鋼板生產(chǎn)過(guò)程中，鋼坯在加熱爐加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化，生成一次氧化鐵皮，附著在鋼坯表面上。另外，鋼坯在軋制過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生二次氧化,形成二次氧化鐵皮。軋件氧化不僅使金屬因氧化受到損失，而且軋件在軋輻的碾壓下,一部分氧化鐵皮被破碎成小片自動(dòng)脫落，另一部分則被壓入金屬表面，形成夾雜、麻點(diǎn)或疤痕等,造成鋼板表面質(zhì)量缺陷，因此,清除氧化鐵皮是熱軋生產(chǎn)過(guò)程中非常關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)，這個(gè)清除氧化鐵皮的過(guò)程稱之為除鱗。
為了有效清除氧化鐵皮，生產(chǎn)中采取過(guò)很多可行的除鱗方法，主要分為人工除鱗、簡(jiǎn)易機(jī)械除鱗和高壓水除鱗。最初采用的人工除鱗方法，包括用鐵絲、竹枝、杏條掃帚掃，鹽撒在熱軋件上爆破等,這些人工除鱗方法,工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差，除鱗效果不佳。之后采用齒式銀壓機(jī)、鋼絲刷車?yán)ヅ鋲嚎s空氣吹掃簡(jiǎn)易機(jī)械除鱗。雖然加大了鋼坯一次氧化鐵皮的清除，替代了人工除磷,但軋制過(guò)程中產(chǎn)生的二次氧化鐵皮難以清除，鋼板表面缺陷沒(méi)有本質(zhì)的改變。采用高壓水除鱗不僅有利于軋鋼工藝布置，實(shí)現(xiàn)鋼坯一次氧化鐵皮清除，而且可實(shí)現(xiàn)軋件軋制過(guò)程中二次氧化鐵皮的清除.即能保證除鱗效果，還能滿足鋼板表面質(zhì)量不斷提高的要求。因此，高壓水除鱗在現(xiàn)代軋鋼工藝過(guò)程中，被不斷認(rèn)知、接受，并已成為不可缺少的必備工藝裝備。同時(shí)，對(duì)高壓水除鱗技術(shù)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、完善、提升也成為各軋鋼企業(yè)提高鋼板表面質(zhì)量的發(fā)展方向。
高壓水除鱗技術(shù)是從高壓水射流技術(shù)發(fā)展出來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，是高壓水射流技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用。鋼鐵生產(chǎn)的高壓水除鱗技術(shù)從上世紀(jì)五十年代開(kāi)始試驗(yàn)使用，到上世紀(jì)七十年代在國(guó)外各冶金企業(yè)率先廣泛應(yīng)用。我國(guó)高壓水除鱗源于從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)，分別是上世紀(jì)七十年代武鋼從日本和上世紀(jì)八十年代寶鋼從德國(guó)分別引進(jìn)的兩套熱連軋高壓水除鱗系統(tǒng)。自上世紀(jì)九十年代起，我國(guó)開(kāi)始自行設(shè)計(jì)、研發(fā)、制作熱軋高壓水除鱗系統(tǒng),這些系統(tǒng)形式上雖各有千秋，系統(tǒng)控制水平也各不相同,但各熱軋企業(yè)結(jié)合自身實(shí)際，立足國(guó)內(nèi)相繼投資建設(shè)應(yīng)用，使我國(guó)熱軋產(chǎn)品表面質(zhì)量得到了全面提升,為高質(zhì)量發(fā)展提供了有力支撐。
2高壓水除鱗技術(shù)工作原理
高壓水除鱗是利用高壓水噴出時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大水流動(dòng)能的打擊力、沖刷力，是利用基體材料和氧化鐵皮層冷卻收縮率不同而產(chǎn)生的剪切力，是利用水滲入基體材料和氧化鐵皮之間產(chǎn)生的蒸汽膨脹爆裂，使氧化鐵皮破碎成小碎片迅速?gòu)幕w表面脫離，同時(shí)高壓水是按設(shè)定方向沖掉氧化鐵皮。高壓水除鱗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生四種組合效應(yīng)以達(dá)到除鱗目的(如圖1所示)。
(1) 破裂效應(yīng):利用高壓水噴射時(shí)產(chǎn)生的垂直沖擊水流的極高動(dòng)能,破壞基體表面的鐵鱗，使之破裂脫落。
(2)冷卻效應(yīng)：高溫的基體在高壓水噴射作用下冷卻時(shí)，由于基體和鐵鱗冷卻收縮率不同而產(chǎn)生切向剪力使鐵鱗從基體上脫落。
(3)蒸汽效應(yīng):基體表面鐵鱗的裂縫中進(jìn)入水滴，水滴在基體和鐵鱗之間急劇汽化膨脹產(chǎn)生爆裂，將鐵鱗從基體上剝落。
(4) 沖刷效應(yīng):利用高壓水噴射時(shí)產(chǎn)生的水平?jīng)_刷力，將基體上附著和脫落的鐵鱗沖刷掉。
在實(shí)際使用中，高壓水系統(tǒng)的壓力決定了產(chǎn)生打擊力的大小和除鱗效果的好壞，是衡量除鱗效果的重要指標(biāo)。
3高壓水除鱗系統(tǒng)組成
一套高壓水除鱗系統(tǒng)包括以下六個(gè)組成部分(見(jiàn)圖2)。
(1) 進(jìn)水部分:包括進(jìn)水管路、各種控制閥門(mén)、前置加壓泵、自清洗過(guò)濾器、充水罐等，是高壓水除磷系統(tǒng)低壓進(jìn)水組成部分。
(2)動(dòng)力部分:包括除鱗泵組及相關(guān)輔助與控制元件，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵產(chǎn)生高壓力大水流，是系統(tǒng)的動(dòng)力源。
(3) 防過(guò)熱循環(huán)部分：包括循環(huán)閥及相關(guān)管路。在除鱗系統(tǒng)非工作狀態(tài)下，為防止除鱗泵空轉(zhuǎn)過(guò)熱，通過(guò)卸荷回路排水降溫。
(4) 蓄勢(shì)器組部分:包括氣液式蓄勢(shì)器、高壓氣罐、低液面閥、手動(dòng)閘閥、空壓機(jī)、充氣閥及相關(guān)管路。用于緩和高壓管路的水錘沖擊，大工作流量時(shí)為輔助動(dòng)力源,減少系統(tǒng)壓力波動(dòng)。
(5)執(zhí)行部分:包括除鱗閥組、補(bǔ)水管路、除鱗箱、上下除鱗集管、高壓水除鱗噴嘴等。通過(guò)除鱗閥開(kāi)閉將高壓水流經(jīng)除鱗集管上的除鱗噴嘴噴出，對(duì)鋼板表面進(jìn)行除鱗。
(6) 電氣控制部分：包括可編程序控制器、各種檢測(cè)儀器及電氣控制柜、操作臺(tái)等。用于對(duì)整套高壓水除鱗系統(tǒng)的自動(dòng)控制及各項(xiàng)聯(lián)鎖保護(hù)等。
4高壓水除鱗技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐
鞍鋼股份2350中板生產(chǎn)線于1936年建成投產(chǎn)，距今已有90多年歷史，是中國(guó)最早的中板生產(chǎn)線。1998年前都是手動(dòng)除鱗和齒式輻壓機(jī)簡(jiǎn)單機(jī)械除鱗。1998年安裝一套高壓水除鱗裝置，因受當(dāng)時(shí)場(chǎng)地與資金等方面限制，只上一套高壓離心泵組，僅供出爐鋼坯除鱗一點(diǎn)使用，基本滿足了當(dāng)時(shí)鋼板表面質(zhì)量要求。但通過(guò)實(shí)際運(yùn)行使用看, 仍存在著一些問(wèn)題。一是單泵組工作無(wú)在線備用設(shè)備,作業(yè)時(shí)間難于保障生產(chǎn)連續(xù)使用要求;二是高電能消耗問(wèn)題突出，主要是除鱗泵系統(tǒng)沒(méi)有節(jié)能裝置，非工作狀態(tài)空轉(zhuǎn)時(shí)電能消耗較大，原因是高壓離心泵屬高轉(zhuǎn)速大流量設(shè)備，空載電流與負(fù)載電流只相差15%左右，而軋制生產(chǎn)用水除鱗時(shí)間只占軋制時(shí)間15-20%，因此，約70%的電能被浪費(fèi);三是由于只設(shè)置了出爐除鱗，可清除一次氧化鐵皮，但受除鱗系統(tǒng)能力限制，不能清除軋制過(guò)程中產(chǎn)生的二次氧化鐵皮，致使成品鋼板表面因鐵皮缺陷造成廢次品，需要改造增加系統(tǒng)工作能力。
為解決上述問(wèn)題,2001年中板線進(jìn)行了高壓水除鱗系統(tǒng)的增容節(jié)能改造。為降低電能消耗,在泵組的電動(dòng)機(jī)與高壓離心泵之間增設(shè)調(diào)速型液力偶合器，根據(jù)系統(tǒng)蓄勢(shì)器壓力(或液位)的變化來(lái)控制調(diào)節(jié)液力偶合器輸出轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)高壓離心泵速度調(diào)控,保持系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)主要依靠蓄勢(shì)器的機(jī)動(dòng)容積的變化進(jìn)行噴水除鱗,使高壓水泵大負(fù)荷工作時(shí)間大大縮短，系統(tǒng)的電能消耗降低，實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果;新增一套高壓水除鱗泵組，加大了系統(tǒng)流量和壓力，提高了系統(tǒng)工作能力和穩(wěn)定運(yùn)行保障，使新增設(shè)高壓水除鱗泵組與原有泵組形成一臺(tái)工作、一臺(tái)備用工作方式，在精軋機(jī)的前后增設(shè)除鱗點(diǎn)，解決了二次氧化鐵皮除鱗問(wèn)題，提高了鋼板表面質(zhì)量。為解決蓄勢(shì)器跑氣穩(wěn)定性差、除鱗上集管高度固定不能隨鋼坯厚度變化調(diào)整，影響除鱗效果等問(wèn)題,2007年對(duì)高壓水除鱗系統(tǒng)進(jìn)行搬遷升級(jí)改造,主要包括：
(1)更新兩套高壓水除鱗泵組,繼續(xù)采用節(jié)能效果較好的液力耦合器調(diào)速方式運(yùn)行，進(jìn)一步提高系統(tǒng)壓力和流量,滿足粗軋機(jī)增設(shè)除鱗點(diǎn)要求。
(2) 出爐除鱗改用上集管高度可調(diào)除鱗箱，上集管可調(diào)高度為135-300 mm,滿足了全規(guī)格鋼坯厚度除鱗要求；除鱗箱內(nèi)部設(shè)置反噴噴嘴,保證除鱗箱鐵皮封堵效果。
(3)更換高壓氣水罐和氣罐，使蓄勢(shì)器組的整體容積提高到32 m，。改進(jìn)設(shè)計(jì)高壓氣水罐結(jié)構(gòu)，解決了跑氣與除鱗時(shí)壓力波動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題。
(4)采用進(jìn)口高精度除鱗噴嘴,提高除鱗打擊力。改造后高壓水除鱗系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，鋼坯出爐、粗軋、精軋三點(diǎn)除鱗效果良好.鋼板成材率和表面質(zhì)量大幅度提高，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，故障率降低，節(jié)能效果顯著，實(shí)現(xiàn)了改造目標(biāo)。高壓水除鱗系統(tǒng)改造前后對(duì)比見(jiàn)表1。
5高壓水除鱗技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
鞍鋼2350中板生產(chǎn)線高壓水除鱗系統(tǒng)的改造過(guò)程是高壓水除鱗技術(shù)發(fā)展演變過(guò)程的縮影。高壓水除鱗系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，各項(xiàng)技術(shù)都有了突破性進(jìn)步，并朝大流量、高壓力、低能耗和高打擊力、高穩(wěn)定性方向發(fā)展，且應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，滿足了客戶對(duì)鋼板表面質(zhì)量提出的更高標(biāo)準(zhǔn)要求。
(1) 除鱗壓力向更高方向發(fā)展。由上世紀(jì)50年代的10MPa,提高到目前的18-22MPa,并根據(jù)需要,最大工作壓力可達(dá)25 MPa以上，更高的除鱗壓力帶來(lái)更好的除鱗效果。
(2) 除鱗單位水量不斷提高。除鱗水泵向高壓大流量方向發(fā)展。單泵的輸出流量由120m3/h增加到600 m3/h以上。高壓水除鱗初期使用的活塞泵，因水泵壓力低、流量小、除鱗效果差而被更穩(wěn)定的柱塞泵、離心泵所取代。
(3) 除鱗集管趨向多點(diǎn)密集設(shè)置。由出爐鋼坯除鱗到軋制過(guò)程中除鱗；由軋機(jī)前除鱗到軋機(jī)前后除鱗；由單根集管除鱗到多根集管除鱗；由上集管固定到隨鋼坯厚度隨動(dòng)調(diào)節(jié)除鱗。
(4)除鱗噴嘴性能不斷提高。經(jīng)過(guò)多年創(chuàng)新, 高壓水除鱗噴嘴(見(jiàn)圖3)已發(fā)展成專業(yè)化、系列化產(chǎn)品。噴嘴頭材質(zhì)由普通碳鋼到不銹鋼，進(jìn)而到耐磨硬質(zhì)合金，使用壽命不斷提高;結(jié)構(gòu)由普通螺紋固定改成定位鍵槽固定，設(shè)有過(guò)濾器、穩(wěn)流器，防堵塞,使水流更集中,提高打擊力。
(5) 噴嘴與集管布置更加專業(yè)化。噴嘴在除鱗集管上的布置角度、數(shù)量、間距和集管在線安裝高度等參數(shù)直接影響系統(tǒng)的除鱗效果(見(jiàn)圖4)。
(6) 電氣控制系統(tǒng)與聯(lián)鎖保護(hù)更加完善。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，高壓水除鱗系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備都設(shè)有各種檢測(cè)元件，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖自動(dòng)控制，隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，與軋鋼生產(chǎn)線系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,無(wú)人值守，一體化操作。
（7）除鱗泵組向節(jié)能穩(wěn)定方向發(fā)展。液力耦合器節(jié)能方式，投資小，運(yùn)行可靠，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性明顯，在國(guó)內(nèi)外高壓水除鱗系統(tǒng)中被大量使用。
此外，采用變頻調(diào)速方式也能更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能和穩(wěn)定運(yùn)行，且整體效果好于液力偶合器方式，已成為未來(lái)首選。
總之，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都把提升高壓水除鱗系統(tǒng)壓力.增加除鱗單位寬度噴水量，增強(qiáng)除鱗效果，提高系統(tǒng)安全運(yùn)行和自動(dòng)化控制水平與降低能耗作為高壓水除鱗系統(tǒng)的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。高效、穩(wěn)定、可靠、節(jié)能是高壓水除鱗技術(shù)的發(fā)展方向。