高壓水除磷系統在柳鋼熱軋生產線上的使用和創新

萬祖勇 劉漢洪

摘 要：隨著生產的不斷發展和市場要求的不斷提高，客戶對熱軋板卷的表面質量要求也越來越高，而高壓水除磷系統正是傳統熱連軋生產線上影響鋼卷表面質量最核心的設備，它的穩定順行直接關乎鋼卷的表面質量，文章將主要闡述高壓水除磷系統在柳鋼熱連軋生產線上的使用和創新。

關鍵詞：高壓水除磷系統；表面質量；使用和創新

中圖分類號：TG333 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0050-03

在傳統熱連軋生產線中，剛出爐的紅鋼坯溫度能夠達到1 260 ℃多 ，而紅坯在高溫情況下和空氣中的氧氣、水分等極易發生氧化作用，在表面生成一層氧化膜，也叫氧化鐵皮。紅坯在粗軋機組和精軋機組上進行軋制時，由于軋機壓下作用力巨大，容易將氧化鐵皮直接壓入鋼材，從而影響到鋼材的表面質量，因此去除鋼板表面氧化鐵皮顯得十分重要。

傳統的板坯除磷方法有很多，如超聲波除磷、水除磷等。我國目前的除磷方法主要還是集中在高壓水除磷方面。生產中如果遭遇除磷系統運行異常，會導致大批量的氧化鐵皮壓入、鋼板表面暗淡、黑斑、色斑等等出現，同時也會造成巨大的經濟損失。合理科學的除磷關乎鋼材的表面質量，同時也關乎我國經濟的發展水平。柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統由于其高壓力、大流量、高能耗的特點，也有許多問題等待我們解決，如何降低本廠高壓水除磷系統的高能耗，成為了我們面臨的一個重要的攻關課題。

1 高壓水除磷系統在柳鋼熱軋生產線上的應用

1.1 柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統的基本配置情況

柳鋼熱軋廠擁有2032和1450兩條熱連軋生產線，其中高壓水除磷系統兩線各有一條，分別獨立控制。其設備配置、工作原理基本相同，兩條高壓水除磷系統均由國內領先的重慶水泵廠設計安裝調試。該系統主要由自清洗過濾器、除磷電機、泵組、蓄能器、閥組（含最小流量閥、最低液面閥、高壓電動閘閥、旁通閥、噴射閥、節流裝置等）、高低壓管路、各除磷點、高壓空壓機、電氣控制部分組成。

系統低壓水進口壓力：0.4～0.7 MPa；

泵出口壓力：18.0～22.0 MPa；

除磷泵型號：ZDSS 360-200；

流量：50～400 m3/h；

轉速：2 890～2 980 r/min；

主電機型號：YKS 3150-2/1180；

功率：3 150 kW；

轉速：2 985 r/min；

電壓：10 kV；

額定電流：206 A。

自清洗過濾器過濾精度為100 μ，高壓儲氣罐和氣水罐各一個，每個10 m3，壓力：20～23.0 MPa，高壓空壓機兩臺，其中V-3/230和V-3/350各一臺。

1.2 柳鋼熱軋廠除磷工藝流程簡介

柳鋼熱軋廠生產過程中鋼板除磷流程基本可概述如下：紅鋼坯在出爐以后經過除磷前輥道進入爐后除磷箱中完成初次除磷，離開爐后除磷箱經機前延伸輥道緩慢進入R0粗軋機，在R0粗軋機咬鋼之前啟動機前第一次除磷，粗軋機一般設置為5道次或者7道次往返軋制，經粗軋機程序設定的機前機后多次除磷后，中間坯的氧化鐵皮已被大量清除，粗軋機拋鋼后經中間輥道傳輸到熱卷箱頭尾轉換，進入精軋機組前，在精除磷箱進行精細除磷，精除磷后的鋼板經精軋機組連續軋制后途經層流輥道上下均勻冷卻在卷取機組上完成熱卷，后經打捆、轉運、噴字、多方檢定后入庫存放，成為合格的待售商品。

1.3 高壓水除磷的基本原理

柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統配備有獨立的源源不斷的低壓濁環水供水系統。低壓濁環水經全自動自清洗過濾器過濾后，達到高壓水除磷系統所使用的除磷水要求標準，然后由高壓離心水泵迅速增壓，通過高壓管路將高壓水導入除磷集管，通過集管噴嘴高速噴射出來，當通過噴嘴的高壓水被打到高溫的鋼坯上下表面時，會發生下列物理變化過程：

①由于薄的扇形高壓水束形成的沖擊力更大一些，所以通過噴嘴的高壓水束就像一把鋒利的切割機器，將氧化鐵皮與鋼材母體剝離，產生細小的縫隙。

②剛出爐的鋼坯表面氧化鐵皮溫度很高，當高壓水噴在氧化鐵皮表面時，水分快速蒸發吸熱，氧化鐵皮急劇變冷收縮，產生橫向切割力，將表面氧化物與鋼坯分離。

③通過噴嘴的水珠進入縫隙，與鋼材母坯接觸的水珠急劇蒸發，周圍壓力驟增，類似于一個小型爆破效果，將表面氧化鐵皮進一步剝離母體。

④高壓噴嘴和鋼材母體具有一定的傾斜角度，因此強大的扇形水束能夠充分沖刷已經松動的表面氧化鐵皮。

1.4 高壓水除磷系統核心組成部分的功用

1.4.1 自清洗過濾器

低壓濁環水的水質不能滿足除磷泵系統用水要求，設置自清洗過濾器，可以除去水中的懸浮物、顆粒及其他雜質，以保證泵的流量、壓力的穩定，減少泵、噴嘴及管路系統的磨損，提高除磷系統的使用壽命。

1.4.2 高壓除磷泵

高壓除磷泵為除磷系統的關鍵設備，他將電能轉換為機械能再轉換為液壓勢能，最后由液壓勢能轉換為動能，打擊在鋼坯表面上進行除磷。

1.4.3 蓄能器

它在高壓管路系統中能夠起到儲存液壓勢能、調節能量、均衡壓力、緩沖系統的震蕩、減少泵的輸出流量、降低功率損耗、減少系統發熱、防止水錘發生等作用。柳鋼熱軋廠高壓除磷系統使用的是直接接觸式充氣蓄能器，就是蓄能器中上部分充滿氣體下部分充滿液體，氣體和液體直接接觸，當系統壓力高于氣體壓力時，氣體被壓縮，吸收能量，緩沖系統的壓力和流量脈動，液面上升；當系統壓力低于氣體壓力時，氣體膨脹，釋放能量，緩沖系統的壓力和流量脈動，液面下降，氣體如此周而復始壓縮和膨脹，吸收和釋放能量，吸收系統的壓力和流量脈動，使系統運行盡量趨于平穩。

1.4.4 高壓空壓機

高壓空壓機主要是用來向蓄能器中補充高壓壓縮空氣，保持蓄能器使用壓力均衡，以維持高壓水系統的穩定順行。

1.4.5 最小流量閥

主要用來保護高壓除磷泵，在噴射閥關閉后，蓄能器補水完畢時，系統不需要水量，此時又不能關閉除磷泵（因為除磷噴射周期短，大電機不能頻繁的啟停）除磷泵無流量輸出時，就會發熱，在泵的出口設置一個最小流量閥，自動開啟排放一部分水，通過節流孔板來調節流量的大小，讓除磷泵輸出一定的水量，通過最小流量閥帶走一部分熱量。電機在除磷泵小流量輸出時，功率會大大降低，這樣就可以保持系統的平衡。

1.4.6 最低液面閥

設置在蓄能器與高壓管路之間，根據蓄能器的液面及系統的壓力自動控制最低液面閥的開閉，保證蓄能器里的液面在設定值，嚴禁空氣進入高壓管路系統，在閥關閉時，它又相當于一個單向閥，外面的水可以進入蓄能器，里面的水又不能出來，這樣能有效防止跑水，進而造成跑氣。

1.4.7 噴射閥

設置在除磷點之前，主要用來開啟和關閉高壓水，控制高壓除磷集管和噴嘴的噴射和停止，在噴射閥前設置有一個高壓的電動閘閥，用來作為日常的檢修閥和安全閥使用。

1.5 柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統的啟動與控制

1.5.1 系統的啟動

系統初次開始運行時，在除磷泵啟動前，關閉噴射閥，最小流量閥，打開泵的出口高壓電動輸出閥，最低液面閥，先向蓄能器加水到設定液位時，停止加水，關閉最低液面閥和泵出口輸出閥，手動啟動高壓空壓機，向蓄能器中補氣，使蓄能器內壓力達到設定的壓力后，停止空壓機。高壓管路進行充分排氣后，打開最小流量閥，啟動除磷泵，整個系統就可以進入自動運行狀態。

1.5.2 蓄能器的控制

若蓄能器的液位到達最低設定值時，高壓液位計會傳出信號給控制系統，控制系統自動關閉最低液面閥，以防止高壓氣體竄入管路系統，此時最低液面閥有單向閥的功能，即高壓水只能進入蓄能器；當蓄能器水位恢復到正常狀態時，最低液面閥恢復正常狀態；若蓄能器的液位達到最高設定值且壓力值達到規定范圍下限時，控制系統自動啟動空壓機向蓄能器補氣。在蓄能器上設有安全閥，以防止誤操作而造成除磷系統超壓現象的發生，保障系統的安全運行。

1.5.3 系統除磷

當鋼坯到達除磷箱，系統自動打開噴射閥，除磷泵和蓄能器同時供水除磷，除磷完畢，噴射閥自動關閉，泵向蓄能器補水，蓄能器的壓力到泵的關死壓力，泵無流量輸出，蓄能器補水完畢。

在除磷泵向蓄能器補水完畢后，泵運行過程中會產生一定的熱量，當溫度升高到設定值時，系統自動打開除磷泵的最小流量閥，排放掉一定流量的水，帶走部分熱量，可以降低除磷泵泵體溫度，當溫度低于一定值時，系統又自動關閉最小流量閥，此時電機耗費功率最小，可以大大節約電能，由于最小流量閥的后面設置有節流孔板及擴散管，即使最小流量閥打開，泵的排量也不大，因此合理的設計和控制除磷泵的殼體溫度，調節排放量，既能節約電費，又能延長除磷泵的使用壽命。

1.6 主要核心部件常遇到的問題及解決方案

1.6.1 蓄能器

蓄能器的水位發生異常變化，可能的原因有：連續多點除磷時間過久、蓄能器壓縮空氣壓力不足未及時開啟高壓空壓機補氣、磁浮子液位計故障。主要解決方法有：嚴格按操作規程操作、日常注意點檢及時補氣、對液位計進行檢修維護。

1.6.2 除磷泵殼

除磷泵殼體溫度異常報故障，主要原因有以下幾個方面：最小流量閥動作異常、最小流量閥手動閥未打開、節流孔堵塞、定時器調整出現偏差、除磷泵異常。主要解決方法有：檢查最小流量閥閥體或者更換新閥、打開手動控制閥、對節流裝置進行定期清理和定期更換、設置定時器到30 s、對除磷泵進行專業檢查。

1.6.3 除磷管路

除磷管路振動大，主要原因是：除磷過程中噴射閥頻繁關閉打開，原本高速流動的除磷水突然堵塞，動能轉換為彈性勢能，造成管道震動，久而久之，造成各種螺栓松動，高壓管道開裂，輕者耽誤工期，減少產量，重者造成人員傷亡。當管道的閥門進行頻繁開啟和關閉時，管道中的液體壓力發生劇烈的變化進行阻尼運動。這也是水錘的工作原理，會帶來巨大的噪聲和震動。當閥門突然打開時，壓力驟降，壓力過低時，水分蒸發，發生氣穴現象，也會影響除磷的效果。

因此，我們利用大修時間對高壓除磷水管道進行了加固，在管道經過的地方注澆混凝土，并且用35 mm厚的預埋鋼板，降低高壓水管道的中心，管夾支撐部分直接焊在鋼板上，并且在管道和支撐架之間墊上10 mm厚的橡膠墊片減震。在焊接好的支撐架上用400 mm×300 mm×20 mm的鋼板焊接再次固定。由于進行了加固，高壓管道運行暢通，沖擊力明顯減小，噪聲也相對變小，既增加了效益，又保證了工作人員的人身安全。

2 高壓水除磷系統在柳鋼熱連軋生產線上的創新使用

柳鋼熱軋廠高壓水除磷主電機型號：YKS 3150-2/1180、額定功率：3 150 kW；額定轉速：2 985 r/min；電壓：10 kV；額定電流：206 A；頻率：50 Hz。

由于高壓水除磷系統使用頻率高，間隔時間短，而大型的電機又不能頻繁的開關，所以除磷泵的電機一直處于高速運轉狀態，而空轉時又會產生大量的熱能，為了降溫最小流量閥需要不斷的排水，因此浪費了大量的電力，同時也大大增加了用水量，因此噸鋼能耗成本增加，對柳鋼熱軋廠的效益造成了較大的損失。所以對柳鋼高壓水除磷系統進行節能創新顯得十分必要。

采用變頻器控制系統，對高壓水主電機使用頻率進行動態調整。在確保現場生產時各除磷集管上壓力都能高于18 MPa的條件情況下，盡量降低主電機使用頻率，根據蓄能器中壓力大小和液面位置來進行連鎖控制，從而調整高壓離心泵的使用頻率和實時轉速，一般最低可將主電機的使用頻率從50 Hz降低到38 Hz左右。通過變頻器的調節，原本高能耗的離心泵轉速大幅降低，可以大大減少能耗。

對于最小流量閥的實時排水問題，熱軋廠對最小流量閥排出的冷卻余水進行了集中回收過濾、再處理、之后重新進入低壓濁環水系統回收利用，節約水耗。

針對柳鋼熱軋廠現場生產情況，廠部和車間特別制定了高壓水除磷系統管理考核規定，其中最主要的一條是：如果生產現場出現停軋情況，在確定停軋時間可能會超過1 h的情況下，由調度安排值班鉗工及時關閉高壓除磷系統；如果現場停軋時間預估在1 h以內，就要求操作工將變頻降速投到最低門檻。這樣實施以來，高壓水除磷系統的能耗得到了大幅降低，為柳鋼熱軋廠的優質增效和降成本工作起到了很好的效果。

3 結 語

柳鋼熱軋廠高壓水除磷系統投產使用已有10 a之久，在10 a的使用中通過不斷的設備改進、工藝創新、程序優化升級，現在運行已經越來越穩定可靠。但是由于其高壓力、大流量、高耗能的特殊性質，在使用時常常需要注意很多問題，同時也需要在后續的生產中不斷的探索和創新。

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