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高压水除鳞装置工艺参数设计与应用

李东笃，姚晓峰，苏斌芳

（莱芜钢铁集团有限公司 特钢事业部，山东 莱芜 271105）

摘 要：介绍了莱钢小型合金钢生产线高压水除鳞装置的工艺参数设计。高压水除鳞系统方案为柱塞式高压泵＋变频器＋除鳞阀＋喷水装置，除鳞点设计为周期性间断式喷水除鳞方式，确定的除鳞水压为18 MPa，水射流速度为188 m/s，流量为38 m3/h，根据钢坯规格不同设定2组除鳞环，分别12个喷头和10个喷头。温降校核表明，允许除鳞时间为10.3 s（＞3 s的实际除鳞时间）。应用表明，系统运行稳定，除鳞效果好。

关 键 词：合金钢生产；高压水除鳞；参数设计；间断式喷水

1 前 言

钢铁产品加热至一定温度便将生成氧化铁皮，铁皮如果不清除掉，轧入钢材表面就会形成麻点缺陷，大块铁皮压入会造成麻坑，麻坑过深、麻点面积过大，就会产生废次品。生产中带有铁皮轧制时，会加快轧辊的磨损。因此，热轧前及时清除铁皮，已成为生产高质量产品必不可少的工序。高压水除鳞设备是清除氧化铁皮最直接有效的办法。高压水除鳞的机理是：红钢坯在轧制之前，由高压泵站产生的高压水经喷嘴形成高速射流打击到钢坯表面，在射流的冲蚀剥削以及热爆效应下，钢坯表面的炉生氧化铁皮就会被清除。莱钢在合金钢产品质量提升改造中，与长沙某研究院合作设计高压水除鳞装置一套并投入使用。该系统技术方案成熟先进，设备运行稳定，取得了良好效果。

2 高压水除鳞系统技术方案

2.1 设计初始参数

坯料截面尺寸：150 mm×150 mm、165 mm×160 mm、180 mm×220 mm；坯料长3 000 mm；出炉温度1 150～1 200 ℃；除鳞辊道速度1 m/s；钢坯材质为轴承钢、合金钢；除鳞点1个（除鳞环2套）；轧制节奏 120 支/h；坯料 4 面除鳞，氧化铁皮除净率100%；24 h工作制；除鳞后钢坯的表面温降≤20 ℃。除鳞系统方案为柱塞式高压泵＋变频器＋除鳞阀＋喷水装置。

2.2 除鳞工艺设置

加热炉出口至粗轧机之间设置1个除鳞点，靠近加热炉一侧，完成钢坯4面除鳞，全自动化控制。

2.3 喷水除鳞方式选择

热轧钢坯采用的高压水除鳞喷水方式有两种：连续喷水除鳞和周期性间断式喷水除鳞。已知最大钢坯规格为180 mm×220 mm，出炉辊道速度1 m/s，钢坯长度3 m，除鳞速度1 m/s，可知每根钢坯高压水除鳞时间为3 s。考虑选取钢坯头部超前喷水时间为 1 s 及钢坯尾部滞后停水时间为0.6 s，则单支钢坯高压水除鳞总时间为4.6 s。已知除鳞机最大过钢坯能力为每小时120根，得每根坯料平均时间为30 s，则除鳞间断时间为25.4 s，除鳞间断时间与除鳞工作时间之比为5.5。故除鳞点设计为周期性间断式喷水除鳞方式。喷水除鳞工艺流程如图1所示。

3 高压水除鳞系统技术参数设计

3.1 除鳞水压

生产钢种不同，选用喷嘴的水压也不同。清除碳素钢铁皮时，水压应＞10～12 MPa，而合金钢应＞13～17 MPa。特别是一些含Cr、Ni高合金钢铁皮黏而致密，需要有更高的冲击力和水压才能得到满意的清除效果。根据产品大纲确定高压泵额定工作压力为20 MPa，喷嘴工作压力为18 MPa。压力初步校核。高压泵站（即高压水出口压力）设定为20 MPa，通过输送管道、阀门、弯头等处的压力损失可根据管道沿程压力损失（ΔPf）计算公式进行计算［1］：式中：λ为与雷诺数有关的沿程阻力系数，取值为0.012 83；r为水的重度，即10 000 N/m3；v为水流速，3.97 m/s；L为管道总长，取100 m；D为管道内径，取80 mm；g为重力加速度，9.8 m/s2。计算可知，ΔPf为0.65 MPa。实践证明：只要正确选用高压管内径，高压水流速限制在4 m/s以内，适当加长管道输送距离，水压损失不会＞1 MPa。

3.2 除鳞点水射流速度

上述已知泵站设定水压为20 MPa，管道沿程压力损失0.65 MPa，因此喷嘴出口最低压力就能保证18 MPa。除鳞效果取决于高压水射流的打击力，水射流速度只与水压有关，喷射水流速度越大，对红钢表面鳞皮打击力就越大，破碎速度越快。各品种钢氧化铁皮的破碎都有一个临界破碎压力值，达到这一数值就可以除鳞，超过这一数值、压力过大即浪费能源［2］。水射流速度（V，m/s）与水压力（P，kgf/cm2）关系为取喷嘴喷射压力为 18 MPa（180 kgf/cm2），计算知：V=188 m/s。

3.3 除鳞点总流量的确定

根据国内外有关高压水热态除鳞的通用设计准则，结合多家钢厂板、带、棒、线、管等高压水除鳞的实践经验，炉生氧化铁皮采用1～3 g/cm2以下的高压水就可以有效地清除。对最大尺寸钢坯（180mm×220 mm），设计高压水耗量为1.3 g/cm2，除鳞速度1 m/s，计算得除鳞箱除鳞点总流量为37.4 m3/h，取 38 m3/h，即 633 L/min。设计采用流量为 38 m3/h的高压泵 2 台（1 用 1 备），功率 250 kW，除鳞压力12～20 MPa（可调）。

3.4 喷嘴及其配置

喷嘴形状与尺寸及其配置对喷射冲击力，长宽面积，耗水量以及水柱高度、角度、重叠量等关系密切，而且喷嘴间不得互相干扰，高速直接打击钢材表面。喷嘴结构对除鳞效果有直接关系［2］。

2）确定喷嘴孔径。已知总流量（Q1）为38 m3/h，即633 L/min，泵的效率（e）取0.935，喷头数量（n）12个（每个喷头有4个小孔），则单个孔喷水面积（S）按下式计算：S=Q1e/（V×4n），即 S 为1.093 mm2。则喷嘴直径为1.18 mm。根据钢坯规格不同分为2组，每组采用1个除鳞环。第1组1个除鳞环，12个喷头，钢坯规格180mm×220 mm；第2组1个除鳞环，10个喷头，钢坯规格150 mm×150 mm及165 mm×160 mm。

3.5 除鳞温降校核

允许高压水除鳞时间（t允）按下式计算：式中：c为钢坯比热，477.8 J（/kg·℃）；γ为钢坯比重，一般为7.85×103kg/m3；δ为1/2钢坯厚度，即0.09 m；α为总散热系数，主要包含高压水冷却散热、空气辐射散热和辊道传热，查表得α=814.1 W（/m2·℃）；φ为钢坯表面温度和沿厚度上的平均温度之比值，取0.7；T0为钢坯在除鳞箱入口处的温度（1 150 ℃）；T1为钢坯经过高压水除鳞冷却后允许降到的最低温度（1 130 ℃）；TW为高压水温度20 ℃（常温）。计算可知，t允=10.3 s（＞3 s的实际除鳞时间），可保证除鳞温降＜20 ℃。

3.6 除鳞点（除鳞箱）工艺设计

1）除鳞箱。除鳞箱设置在出炉辊道送往轧机一侧。为使加热好的原料尽快进入除鳞箱内除鳞，除鳞箱应尽量靠近加热炉，除鳞原料温度越高，除鳞效果会越好。试验证明出炉后原料在空气中停留时间愈短，除鳞效果愈好。若停留30～40 s后才进除鳞箱，除鳞效果立即变差。在加热炉出口10 m辊道处安装1个除鳞箱，除鳞箱内安装2个除鳞环，除鳞环与高压水管采用软管连接，根据钢坯规格不同，更换第2个除鳞环。除鳞箱内安装挡水链条。除鳞箱结构是钢板焊接件，其作用是安装除鳞环及收集鳞皮和水。

2）除鳞环。除鳞环由不锈钢块经加工焊接而成，喷头焊接在除鳞环内侧。这种结构的除鳞环能保证喷头前倾角、旋转角安装准确，避免了高压水在喷水除鳞时水流互相干涉而抵消能量，彻底解决国内外采用普通钢管制作的除鳞环工作一段时间后喷头体与除鳞环本体焊缝开裂、喷头体脱落及除鳞环锈蚀穿孔等问题，使用寿命可达5 a以上。

3）喷嘴。喷嘴安装在喷头里，每个喷头嵌装4个红宝石，根据不同钢坯除鳞需要水量，确定喷嘴孔径大小，即满足除鳞干净，又能控制水量，保证除鳞钢坯温降＜20 ℃。除鳞箱内两组除鳞环喷嘴喷射距离均为150 mm；喷射宽度分别为90、85 mm；喷嘴间距分别是55～85 mm和50～85 mm。喷嘴与轧件之间的夹角称为喷射倾角，均为15°，目的在于使水射流沿着一个方向飞溅，便于鳞皮及废水收集；喷嘴与轧件横断面的夹角称为旋转角，也均为15°，目的在于避免水射流相互干涉抵消能量；喷头均与钢坯前进方向逆向安装，重叠量均为6 mm。

3.7 高低压水管选型

1）高压水输送管。当水压20 MPa时，高压管道流速不能超过4.5 m/s。根据经验，管道的流速（vg）一般限制在3～4 m/s，取4 m/s；体积流量（wg）根据泵的理论流量38 m3/h乘以效率（e），取36 m3/h，高压管子内径（dg）按下式计算［1］：，即 56.5mm。取高压管内径为 65 mm。按 GB 8163-87 要求，选取流体输送无缝钢管，壁厚12 mm。

2）低压供水管。取体积流量40 m3/h，略大于泵的理论流量。低压供水一般水流速度为2 m/s。用与高压管相同的计算公式，计算［2］得低压管内径为84 mm。取低压管内径为100 mm。按GB/T 3091－1993要求，选取输送流体用焊管，壁厚7 mm。

4 结 语

高压水除鳞系统投用3 a多来，运行稳定，氧化铁皮去除效果好，钢材表面质量和轧辊孔型使用寿命显著提高，且系统具有以下先进技术：1）高压泵动力端的曲轴采用4点支承的独特结构设计，增强了在交变载荷工作条件下抗冲击的能力，保证高压泵运行平稳，克服了因受力不均而引起的磨损。2）高压密封是由5种软硬不同的密封材料组合而成的自紧式密封，结构形式新颖。3）柱塞杆由碳化钨和不锈钢等粉末冶金材料压制烧结而成，使用寿命达12个月以上。4）喷嘴采用红宝石镶嵌，使用寿命可达2 a。5）多边形除鳞环采用锻造不锈钢块经亚弧焊加工而成，前倾角和旋转角定位焊接方便，从而保证了高压水喷射角度准确，提高了鳞皮除尽率，并且使用寿命大幅提高。

参 考 文 献：

［1］   机械设计手册编委会.机械设计手册第二卷［M］.北京：机械工业出版社，2004：11-19.

［2］   缪树启，刘焱，王萍辉，等.高压水打击力对钢坯除鳞效果的研究［J］.冶金设备，2009（4）：1-5.