趙小康，張鐵罕，朱紋成

（重慶水泵廠有限責(zé)任公司，重慶 400033）

熱軋生產(chǎn)中采用高壓水除鱗的目的是為了去除坯料在爐內(nèi)加熱和軋制過程中表面產(chǎn)生的一次和二次氧化鐵皮，以提高成品鋼的表面質(zhì)量和延長軋輥使用壽命。由于軋線軋制的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝不同，除鱗系統(tǒng)類型及設(shè)備配置就有相應(yīng)的不同，故對高壓水除鱗系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計。高壓水除鱗的設(shè)計主要有以下幾部分組成：（1）除鱗箱的設(shè)計；（2）除鱗泵站的設(shè)計；（3）除鱗系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 除鱗箱的設(shè)計

主要以除鱗集管為核心的設(shè)計，根據(jù)鋼坯尺寸不同、材質(zhì)不同，除鱗集管也就不同。以熱軋普碳鋼1780 板材為例：該板坯主要是對上下面進(jìn)行除鱗，故設(shè)計除鱗集管為上、下2 根集管。首先通過對除鱗板坯材質(zhì)來確定除鱗噴嘴的打擊力大小（打擊力的大小決定除鱗效果，普碳鋼需0.5N/mm 以上，特殊鋼種則需1.0N/mm 以上），通過打擊力的大小來選擇噴射高度以及噴嘴的型號。所有噴嘴均為642.XXX.27 系列噴嘴型號如下：

此次根據(jù)打擊力選用642.686.27 噴嘴，垂直噴射高度120mm，前傾角β ＝15°，自旋角γ ＝15°，相鄰噴嘴重疊量大于等于5mm，工作壓力20MPa，打擊力為0.77N/mm。

圖1

其次，通過板坯的寬度確定除鱗集管的噴嘴數(shù)量，鋼坯采用煉鋼一系列連鑄車間生產(chǎn)的無缺陷連鑄板坯，坯規(guī)格如下：

坯料厚度：230mm，坯料寬度：800 ～1650mm；坯料長度：4500 ～5300mm(短坯)；7900 ～10800mm(定尺坯)；坯料最大重量：32.5t。

（1）通過對集管及板坯的放樣如圖2 所示：確定集管的噴嘴數(shù)量為上下集管各28 個以及單個集管在20MPa時的除鱗水量為50.91L/min×28=85.53m3/h，上下集管共用水170m3/h，雙組集管用水量為340m3/h；

圖2

（2）通過除鱗水量后計算出集管的主管內(nèi)徑大小為φ125，具體計算公式為：2；其中Q 為流量，v 為流速（流速小于2m/s）；

（3）通過管子壁厚公式計算出集管的主管壁厚為20，高壓管路壁厚的選取計算，根據(jù)《管道工程安裝維修手冊》中的計算公式如下：

式中：Sjs——管子的理論算壁厚，mm。

S——管子的計算壁厚，mm。

P——計算壓力，MPa。

Φ——管子外徑，mm。

[σ]——管子材料的選用應(yīng)力，MPa。

C——管子的壁厚附加值，mm。

C1——管子壁厚負(fù)偏差和彎管減薄量。

C2——管子腐蝕和磨損量。

管子的壓力按22.0Mpa 這一等級計算，管路系統(tǒng)的材料選用20 鋼，其許用應(yīng)力：壁厚為≤10mm [σ]＝133MPa；壁厚為＞10mm [σ]＝127MPa。

管子的尺寸偏差：A1 ＝0.167×26 ＝4.34mm。

彎管的減薄量：A2=0.15×26 ＝3.9mm。

除鱗箱體設(shè)計依照詳細(xì)的輥道圖紙進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，包含除鱗箱體的固定、集管的固定以及箱體的防水，如果除鱗鋼坯厚度及寬度變化很大，上集管提升可以考慮用液壓缸進(jìn)行提升，采用軟管連接。

2 除鱗泵站的設(shè)計

除鱗泵站的設(shè)計主要是以高壓水出水量以及出水壓力來設(shè)計。故按照先前的計算，算出除鱗系統(tǒng)基本參數(shù)：除鱗點壓力22 MPa；除鱗泵站壓力25MPa；除鱗泵流量400m3/h；高壓空壓機(jī)壓力30MPa；高壓空壓機(jī)流量 3m3/h。

除鱗泵站設(shè)備組成部分：

（1）泵選用變頻離心泵Q=300m3/h,P=25.0MPa，2 臺（1用1 備）變頻電機(jī)：電壓：10kV，N=3150kW；

（2）自清洗過濾器規(guī)格：DN400，PN1.0，0.15mm；

（3）泵進(jìn)出口閥組：

止回閥作用：保護(hù)除鱗泵，當(dāng)除鱗泵停止運(yùn)行、低速運(yùn)行時，蓄能器及高壓管路仍處于高壓狀態(tài)，止回閥會迅速關(guān)閉，防止水錘損壞除鱗泵。電動閘閥作用：除鱗泵為大流量、高揚(yáng)程的離心泵，啟動時必須閉閥啟動，離心泵啟動后應(yīng)迅速打開出口閥。

表1

（4）最小流量閥組：

表2

作用：保護(hù)除鱗泵，使除鱗泵不會因溫度升高而損壞泵，其工作原理是：當(dāng)安裝在除鱗泵的溫度傳感器檢測到殼體溫度超過一定值時，系統(tǒng)自動開啟最小流量閥排水，排出的水帶走熱量，降低泵殼體溫度；當(dāng)泵體溫度降到一定值時，最小流量閥關(guān)閉。

（5）低壓緩沖水罐：設(shè)計壓力：1MPa；工作壓力：0.8MPa；有效容積：10m3。

吸收除鱗泵運(yùn)行時對低壓進(jìn)口管路系統(tǒng)的沖擊震動，在除鱗閥開啟瞬間可以防止低壓管路系統(tǒng)供水不足。

（6）蓄勢器系統(tǒng)設(shè)計：除鱗噴水時間為鋼坯長度/輥道速度=13S,故一次噴水量為1.23m3。通過克拉伯龍方程公式計算出蓄能器氣體體積12.7m3，保證水罐液位下降時壓力減低小于2mpa，水罐直徑為1.2m。

除鱗系統(tǒng)設(shè)有1 個10m3水罐，2 個10m3氣罐,設(shè)計壓力：30MPa ；工作壓力：28MPa；除鱗壓降1.15mpa。

水罐與氣罐組成蓄能器系統(tǒng),主要有2 個作用：一是蓄能，二是吸收水錘。

（7）高壓空壓機(jī)流量：3.0m3/h，壓力：30 Mpa，2 臺。

在氣罐壓力低于規(guī)定值時，開啟高壓空壓機(jī)向氣罐充氣，達(dá)到規(guī)定值后，停止供氣。

（8）蓄能器系統(tǒng)閥組：

表3

作用：最低液面閥起保護(hù)系統(tǒng)作用，當(dāng)外界管路系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，蓄能器的液位降至低液位時，最低液面閥迅速關(guān)閉，防止蓄能器內(nèi)的高壓氣體進(jìn)入高壓管路，防止安全事故的發(fā)生。

（9）除鱗噴射閥組：

表4

噴射閥作用：控制系統(tǒng)的除鱗，與泵機(jī)組、系統(tǒng)壓力和軋線進(jìn)行連鎖。

充水閥作用：在系統(tǒng)不除鱗時，噴射閥關(guān)閉，在噴射閥到除鱗機(jī)之間的高壓管路會進(jìn)入空氣，在噴射閥開啟時，管路里的空氣會急劇壓縮，引起振動。充水閥組設(shè)置在除鱗機(jī)及噴射閥之間，能有效防止空氣進(jìn)入高壓管路。

（10）泵房內(nèi)高低壓管路的設(shè)計：泵房內(nèi)主管路設(shè)計按照不高于4m/s 進(jìn)行設(shè)計，采用GB/T5310 φ273×40無縫鋼管，彎頭按照GB/T 12459-2017 國標(biāo)3D 彎頭設(shè)計，三通按照GB/T 12459-2017 設(shè)計，管夾和管夾支座等用鍛件制作，具體的詳細(xì)流程圖如圖3 所示。

圖3

3 除鱗系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)工藝，2 臺除鱗泵的工作方式為一工作一備用，系統(tǒng)采用變頻控制，2 臺高壓電機(jī)采用2 臺變頻器控制。高壓電氣設(shè)備安裝在除鱗泵站內(nèi)新建高壓電氣室。

3.1 高壓柜配置

表5

3.2 系統(tǒng)低壓控制柜

根據(jù)系統(tǒng)低壓控制部分的控制對象和檢測點分布情況，本系統(tǒng)低壓控制部分的柜、箱、臺數(shù)量如下：

受電柜∶ 1 面；低壓控制柜∶ 1 面；PLC 控制柜∶ 1 面。

泵組I/O 遠(yuǎn)程站：2 個；公用I/O 遠(yuǎn)程站：1 個。

就地操作臺：1 套；工控機(jī)：1 套。

3.2.1 受電柜

內(nèi)裝受電開關(guān)，保證來電電源和泵站各用電設(shè)備之間有明顯斷開點和開關(guān)功能，使用戶檢修時能得到充分的安全保障。柜門裝有電壓表和電流表，能直觀看到高壓水除鱗系統(tǒng)的用電情況。

3.2.2 低壓控制柜

完成除鱗系統(tǒng)內(nèi)部高壓空壓機(jī)、加熱器、油泵等AC380V 和AC220V 控制設(shè)備的控制。

3.2.3 PLC 控制柜

PLC 是系統(tǒng)控制的大腦，它對采集到的所有信號進(jìn)行統(tǒng)一處理，然后將指令下達(dá)到各執(zhí)行元件上，保證系統(tǒng)正常、有序的運(yùn)行。PLC 柜帶有UPS 不間斷電源1 套，容量：5000VA。

PLC 配置方案：PLC 柜負(fù)責(zé)本系統(tǒng)控制程序，可通過以太網(wǎng)與軋線控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號交換。PLC 控制包含泵站電氣、儀表、現(xiàn)場控制閥。PLC 采用西門子S7-1500 產(chǎn)品, 帶以太網(wǎng)通訊接口。I/O 點富裕量15%。提供博圖STEP 7 軟件和Wincc 軟件。按照軋線控制要求提供數(shù)據(jù)交換接口。

3.2.4 泵組I/O 遠(yuǎn)程站

因為在高壓除鱗泵啟動和運(yùn)行過程中有較多的溫度、壓力、閥門開閉狀態(tài)等信號需要監(jiān)控、處理，因此我們給每臺泵組配有1 臺ET200MP 控制箱。該控制箱作為整個PLC 系統(tǒng)的從站，負(fù)責(zé)接收泵組壓力、溫度、閥門位置開關(guān)等信號，控制泵組閥門開（閉）以及高壓電機(jī)。這樣可使模擬量信號就近輸入PLC 模塊，將檢測儀表信號線降到最短，減少信號干擾，也便于系統(tǒng)維護(hù)。

3.2.5 公用I/O 遠(yuǎn)程站

3.2.6 工控機(jī)系統(tǒng)

工控機(jī)的作用體現(xiàn)在2 個方面：

（1）相當(dāng)于一個軟操作臺面，在畫面中，能對系統(tǒng)各控制對象進(jìn)行操作；（2）對系統(tǒng)各信號進(jìn)行實時顯示，并將重要數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔保存，以便查閱。工控機(jī)設(shè)置在生產(chǎn)操作臺上，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3.2.7 接線盒與端子箱

機(jī)上所有傳感器應(yīng)帶有端子箱，并安裝于設(shè)備本體上，端子箱防護(hù)等級 IP54 及以上（端子箱材質(zhì)和防護(hù)等級設(shè)計階段根據(jù)使用場合確定），安裝于設(shè)備上的端子箱采用防震動設(shè)計。

3.3 系統(tǒng)主要電氣連鎖關(guān)系和參數(shù)說明

3.3.1 除鱗泵組

（1）進(jìn)水壓力大于0.3MPa 才能啟動，低于0.15MPa報警，低于0.1MPa 停車；出口壓力在高速運(yùn)行條件下延時40s，低于17MPa 報警，低于16.5Mpa并延時3s 停車；（2）潤滑油壓大于0.15MPa 才能啟動，低于0.12MPa 時報警，并自動切換到備用油泵運(yùn)行，低于0.1MPa 時停除鱗泵；（3）油站液位低于0.2m 時報警；（4）泵、電機(jī)軸瓦和增速機(jī)瓦溫度大于75℃報警，大于80℃并延時3s停車；（5）除鱗泵電機(jī)定子溫度大于125℃報警，大于135℃并延時3s 停車；（6）電機(jī)冷卻水流動開關(guān)信號和電機(jī)檢漏開關(guān)信號缺失，泵組不能啟動；（7）殼體溫度大于55℃報警并且打開最小流量閥,大于60℃并延時3s停泵；（8）電機(jī)冷卻風(fēng)扇啟動，才能啟動除鱗泵。泵運(yùn)行時，電機(jī)冷卻風(fēng)扇故障，將報警；（9）泵出口氣壓輸出閥關(guān)閉，最小流量閥開啟，才能啟動除鱗泵；（10）高壓變頻器就緒，才能啟動除鱗泵；（11）急停開關(guān)不在“急停位”；（12）電機(jī)前后端進(jìn)油壓力大于0.12Mpa并且流量大于5ml/s 才能啟動泵組。

3.3.2 低壓緩沖水罐

（1）液位高于2.4m 或低于1.0m 時將進(jìn)行報警；（2）液位高于2.6m 或低于0.8m 時將自動關(guān)閉出口氣動閥。

3.3.3 最小流量閥動作

（1）泵殼體溫度高于55℃保持常開；（2）當(dāng)殼體溫度正常時，系統(tǒng)自動狀態(tài)下，泵輸出閥打開，泵運(yùn)行頻率大于40Hz，有噴射閥動作，出口壓力低于24MPa 時，最小流量閥關(guān)閉，無噴射閥動作時高于25.5MPa 時開啟。

3.3.4 最低液面閥

（1）自動狀態(tài)，泵運(yùn)行后，出口氣動輸出閥開限位、蓄能器壓力大于20.5Mpa，同時液位大于1.2m，最低液面閥自動打開；（2）自動狀態(tài)，系統(tǒng)壓力小于20MPa，蓄能器液位低于0.9m 時關(guān)閉；（3）自動狀態(tài)，蓄能器液位低于0.6m 時關(guān)閉。

3.3.5 蓄能器輸出閘閥

（1）自動狀態(tài)，泵運(yùn)行后，出口氣動輸出閥開限位，蓄能器輸出閥自動打開；（2）停泵后自動關(guān)閉。

3.3.6 除鱗就緒信號

（1）泵出口閘閥有開到位信號（閥門“開”接近開關(guān)）；（2）蓄能器輸出閥有開到位信號（閥門“開”接近開關(guān)）；（3）最低液面閥有開到位信號（閥門“開”接近開關(guān)）；（4）蓄能器液位在1.3m 以上；（5）系統(tǒng)壓力在20.5MPa 以上；（6）泵組有運(yùn)行信號。

3.3.7 潤滑油站

（1）液位低于0.2m 報警；（2）泵組運(yùn)行前，啟動油泵后，油壓大于0.1Mpa，啟動另一臺油泵則當(dāng)前油泵停止運(yùn)行；（3）泵組運(yùn)行后，運(yùn)行的油泵油壓低于0.12MPa 自動啟動備用油泵，若壓力高于0.17MPa 可手動停運(yùn)行油泵，若壓力低于0.17MPa，2 臺油泵同時運(yùn)行。

3.4 主要閥門說明

3.4.1 最小流量閥

（1）氣壓驅(qū)動驅(qū)動，常開閥（送電關(guān)閉），開閉都有接近開關(guān)信號輸出，閥桿上行時開啟；（2）啟泵前應(yīng)開啟，停泵后自動開啟。

3.4.2 最低液面閥

（1）氣壓驅(qū)動，常閉閥（送電開啟），開閉都有接近開關(guān)信號輸出，閥桿上行時開啟；（2）關(guān)閉時具有單向?qū)üδ?，壓力水高于蓄能器即可進(jìn)入，但蓄能器內(nèi)的水不能排出。

3.4.3 蓄能器輸出閘閥

（1）氣壓驅(qū)動，開閉都有接近開關(guān)信號輸出，閥桿上行時開啟；（2）停泵后自動關(guān)閉。

4 結(jié)語

綜上所述，在設(shè)計高壓水除鱗系統(tǒng)時，除鱗箱、除鱗泵站及除鱗系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計3 個部分能否得到最優(yōu)化設(shè)計，將會影響到整個系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和高效性，所以我們必須要切實加強(qiáng)對其進(jìn)行合理化的設(shè)計，才能達(dá)到更好的除鱗效果。