3 500 mm爐卷軋機(jī)高壓水除鱗系統(tǒng)射流參數(shù)設(shè)計(jì)

李建強(qiáng),李書(shū)磊,張侃倉(cāng)

(洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院,河南 洛陽(yáng) 471039)

1 前言

為了徹底清除生產(chǎn)過(guò)程中熱軋機(jī)產(chǎn)生的氧化鐵皮,要經(jīng)過(guò)多次除鱗。清除氧化鐵皮通常有三種方法[1]:機(jī)械法、爆破法、高壓水沖擊清除氧化鐵皮法。高壓水除鱗系統(tǒng)用于清除坯料在加熱過(guò)程中產(chǎn)生的爐生氧化鐵皮和軋件軋制過(guò)程中產(chǎn)生的一次氧化鐵皮,進(jìn)而提高軋制產(chǎn)品的表面質(zhì)量、減小軋輥磨損及提高鋼坯的機(jī)械性能。目前,熱軋工藝普遍采用高壓水除鱗技術(shù)去除鋼坯表面的氧化鐵皮,除鱗效果頗佳[2]。

2 高壓水除鱗原理

高壓水除鱗主要利用高壓水泵產(chǎn)生高壓水,高壓水經(jīng)過(guò)噴射系統(tǒng)形成高速射流,高速射流對(duì)熱軋鋼坯表面產(chǎn)生熱變、打擊、振動(dòng)、沖刷等作用,并以一定的角度打擊到鋼坯的表面。鋼坯上附著的氧化鐵皮表面局部急速冷卻,產(chǎn)生快速收縮,進(jìn)而使得氧化鐵皮裂紋擴(kuò)大,部分產(chǎn)生翹曲;高壓水進(jìn)入氧化鐵皮和鋼坯之間則可以產(chǎn)生水楔,起到剝離氧化鐵皮的作用,同時(shí)進(jìn)入氧化鐵皮和鋼坯之間的水楔在高溫下產(chǎn)生高溫蒸汽,加速氧化皮剝落;高壓水還可以將破碎、剝離的氧化鐵皮從鋼坯表面沖洗干凈,從而達(dá)到清除表面氧化鐵皮之目的[3]。

3 高壓水除鱗系統(tǒng)參數(shù)分析

為了能夠徹底清除鋼坯表面的氧化鐵皮,對(duì)噴嘴噴射出的射流要求如下:

(1)足夠大的射流打擊力;

(2)射流沿水流寬度上分布均勻;

(3)射流要有一定的傾斜角度,對(duì)脫離母體的鱗片形成一定的吹掃力。

由流體力學(xué)理論可知,噴嘴孔口噴出的射流速度 v為

式中,v為噴嘴孔口流速,m/s;Cv為速度系數(shù);ρ為水的密度,kg/m3;P為射流壓力,Pa。

單個(gè)噴嘴流量Q為

式中,Q為單個(gè)噴嘴流量,m3/s;Cd為流量系數(shù);As為噴嘴出流截面積。

除鱗噴嘴噴出的射流幾何形狀近似為四棱錐結(jié)構(gòu),其噴射區(qū)域可視為矩形,如圖 1所示。圖 1中α為噴嘴的噴射角,Φ為噴嘴的散射角,β為入射角,H為噴嘴出口至鋼坯表面的垂直距離。

圖 1 噴嘴射流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖 1可知,噴射區(qū)域面積為

當(dāng)β=0,即射流垂直噴射時(shí),上式可簡(jiǎn)化為

式中,Pi為單位面積上的打擊力,MPa。

由公式 (7)知,鋼坯表面所承受的打擊力與射流流量、噴嘴出流截面積、噴射角、散射角、入射角和噴射距離有關(guān),而這些參數(shù)影響系統(tǒng)的除鱗效果。

3.1 系統(tǒng)工作壓力

由公式 (1)(2)(4)(7)可知射流壓力 P與鋼坯表面的打擊力 Pi成正比。因此,可以通過(guò)提高射流壓力來(lái)增強(qiáng)鋼坯表面的打擊力,從而達(dá)到較好的除鱗效果。但是,除鱗管路系統(tǒng)壓力許可范圍是有限度的,并非壓力越大除鱗效果越好。過(guò)高的射流壓力不但會(huì)增加高壓泵電機(jī)容量和耗電量,同時(shí)也將縮短噴嘴的使用壽命。目前高壓水除鱗系統(tǒng)射流壓力通常為 15～20 MPa。

3.2 噴射角α

在一定的壓力和流量下,噴嘴的噴射角對(duì)除鱗系統(tǒng)的打擊力影響非常大。目前,噴嘴常用的噴射角有 22°、26°、30°、40°。噴射角越小 , 噴射面積越小,則射流平均打擊力越大。由公式(7)可知噴射角和射流單位面積打擊力 Pi之間的關(guān)系

由公式 (9)知噴射寬度 B與噴射角之間的關(guān)系為

由公式(8)、(10)可知射流平均打擊力隨噴射角減小而增大,噴射寬度隨噴射角減小而減小。減小噴射角則減小了噴射面積,那么要滿足鋼坯的除鱗效果則必須增加噴嘴的數(shù)量。在一定的流量下,每個(gè)噴嘴的出流量減小,噴嘴的孔徑則變小。相對(duì)而言,噴射角減小帶來(lái)的打擊力增加量大于因每個(gè)噴嘴流量減小帶來(lái)的沖擊力減小量。

此外,根據(jù) Lechler實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在α=22°、26°、30°、40°時(shí)噴射角存在 3°～5°偏差[6]。

3.3 噴射距離H

噴射距離為噴嘴出口至鋼坯表面的垂直距離,在噴嘴噴射角一定的情況下,噴射距離是噴射面積的唯一變量。由公式 (7)可知平均打擊力與噴射距離 H的平方成反比關(guān)系,其值直接影響到鋼坯表面的平均打擊力、噴射寬度和噴嘴數(shù)量。在系統(tǒng)壓力、流量因素一定的情況下,噴射距離在允許的范圍內(nèi)盡可能小,噴射距離根據(jù)射流理論和經(jīng)驗(yàn)一般取為 150～200 mm[4]。而實(shí)際噴射時(shí),由于射流邊界與空氣之間的相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)以及重力等原因,導(dǎo)致當(dāng)噴射高度增大時(shí),與理論噴射寬度之間的差值也會(huì)越來(lái)越大。由公式(7)可知

由公式 (11)可以看出,當(dāng)噴射距離由 150 mm增至200 mm時(shí),打擊面積有所增加,但平均打擊力減少 13.4%。

3.4 噴嘴的布置

噴嘴的布置直接影響到鋼坯的除鱗效果,所有噴嘴都偏向同一個(gè)方向,射流指向鋼坯,圖 2為噴嘴布置安裝示意圖。根據(jù) Lechler公司實(shí)驗(yàn)證明,入射角β、偏轉(zhuǎn)角γ以及重疊量 D對(duì)除鱗效果影響較大。

圖 2 噴嘴布置安裝示意圖

3.4.1 入射角β

入射角也稱(chēng)安裝角,其作用主要用于鏟削和清掃鋼坯上的氧化鐵皮。入射角大,射流打擊力小,鏟削能力強(qiáng);入射角小,射流打擊力大,則鏟削能力差。考慮射流的鏟削和清掃作用,通過(guò)Lechler公司證明高壓水除鱗系統(tǒng)入射角的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般取為 5°～15°,當(dāng)散射角 φ=2°時(shí),入射角從 5°增加至 15°時(shí),由公式 (7)知

由式(12)可知,入射角的變化對(duì)平均打擊力的影響幾乎忽略不計(jì)。

3.4.2 偏轉(zhuǎn)角

偏轉(zhuǎn)角γ如圖 3所示,主要用于避免相鄰兩股射流之間的相互干涉,避免高壓水相互撞擊而抵消能量。偏轉(zhuǎn)角γ一般取 5°、10°、15°為宜,偏轉(zhuǎn)角過(guò)大或者過(guò)小都勢(shì)必影響除鱗效果。

圖 3 偏轉(zhuǎn)角γ示意圖

3.4.3 重疊量D對(duì)除鱗效果的影響

重疊量過(guò)大,重疊區(qū)流量集中,造成鋼坯表面局部過(guò)冷,前后水流相互干涉,影響除鱗效果,同時(shí)用水量增加,能耗增大。重疊量過(guò)小,邊部達(dá)不到除鱗效果。為避免因邊部打擊力的減弱和噴嘴的噴射角誤差而引起的覆蓋不充分而產(chǎn)生除鱗效果不良,除鱗管路的射流需在噴射寬度上有適當(dāng)?shù)闹丿B量 D,如圖 4所示。

圖 4 重疊量示意圖

3.5 射流流量 Q

系統(tǒng)壓力不變時(shí),射流流量 Q與噴嘴出流截面積As成正比。而在流量一定的情況下,減少?lài)娮熘睆?同樣可以提高射流打擊力。因此,噴嘴出流截面積是高壓水除鱗系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù),直接決定系統(tǒng)最高工作壓力和流量。

在系統(tǒng)壓力恒定、噴嘴出口速度不變的情況下,射流打擊力 F與射流流量 Q成正比。因此,在射流壓力滿足除鱗效果的前提下,適當(dāng)?shù)奶岣呱淞髁髁?Q可以有效的增強(qiáng)除鱗效果。此外水流狀態(tài)、射流厚度以及打擊力分布的均勻性也將影響系統(tǒng)的除鱗效果[4]。

4 3 500 mm爐卷軋機(jī)高壓水除鱗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

3 500 mm爐卷軋機(jī)除鱗系統(tǒng)管路布置在除鱗機(jī)輥道上方,用來(lái)清除軋件表面爐生 (一次)氧化鐵皮和次生氧化鐵皮,以保證成品的表面質(zhì)量。除鱗系統(tǒng)主要由除鱗輥道、除鱗集管兩大部分構(gòu)成。除鱗集管設(shè)上、下各兩組噴嘴,下噴嘴固定,上噴嘴可調(diào),隨著板坯厚度的變化而調(diào)整,保證噴嘴到板坯距離不變,從而保證打擊力不改變。當(dāng)鋼坯在除鱗輥道上運(yùn)行時(shí),上、下兩排噴嘴同時(shí)噴射高壓水進(jìn)行除鱗。

3 500 mm爐卷軋機(jī)高壓水除鱗系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:

(1)板厚 50～200 mm,板坯最大寬度3 250 mm;

(2)要求表面打擊力 0.4～0.86 N/mm2;

(3)系統(tǒng)工作壓力 20 MPa。

根據(jù)以上分析確定的高壓水除鱗系統(tǒng)工藝參數(shù)見(jiàn)下表 1。

表 1 高壓水除鱗系統(tǒng)工藝參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,選用 642.726.27系列噴嘴進(jìn)行軟件模擬 (以下是按萊克勒噴嘴性能計(jì)算值),結(jié)果如圖 5所示。

圖 5 萊克勒 642.726.27噴嘴性能軟件模擬分析

由圖 5可知,通過(guò)軟件模擬鋼坯在 3 250 mm最大寬度范圍內(nèi),噴嘴間距為 65 mm,布置 51個(gè)噴嘴,兩端噴嘴在射流寬度方向上距離鋼坯最端部距離為 34.8 mm。表面最大打擊力可以達(dá)到0.87 N/mm2,明顯大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)以上分析可知,642.726.27系列噴嘴理論計(jì)算和軟件模擬射流參數(shù)見(jiàn)表 2。

表 2 642.726.27系列噴嘴理論計(jì)算值和軟件模擬射流參數(shù)

綜合考慮噴嘴在鋼坯兩端部的除鱗效果,在其他參數(shù)不變的情況下將噴嘴間距修正為 64.5 mm,將噴嘴數(shù)量變更為 52個(gè),從而可將覆蓋面寬度由原來(lái)的 3 320 mm增至 3 360 mm。噴嘴位置布置如圖 6所示。這樣布置優(yōu)點(diǎn)為一方面可以避免因噴射寬度兩端打擊力的降低而影響除鱗效果;另一方面可以防止因噴射角制造誤差以及噴嘴安裝分布不均勻、角度不準(zhǔn)而引起的覆蓋不充分。

圖 6 噴嘴位置布置圖

綜上所述,確定該高壓水除鱗系統(tǒng)上、下兩排各布置 52個(gè) Lechler 642.726.27系列除鱗噴嘴,可以更好的滿足系統(tǒng)除鱗要求。

5 結(jié)論

結(jié)合高壓水除鱗機(jī)理,建立了相關(guān)射流參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系,分析了各種參數(shù)對(duì)高壓水除鱗效果的影響,提出了相關(guān)射流參數(shù)計(jì)算公式,并通過(guò)軟件模擬分析驗(yàn)證了其正確性,為高壓水除鱗系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)工藝參數(shù)確定了 3 500 mm爐卷軋機(jī)高壓水除鱗系統(tǒng)的射流參數(shù)。

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