高壓水除鱗系統的改進與應用

侯鐵軍，張洪亮，張春雷，徐 信

（承德建龍特殊鋼有限公司 河北省鍛造用鋼技術創新中心，河北承德 067201）

1 問題

某鋼廠棒材生產線高壓水除鱗系統于2006 年1 月投產，至今已運行15 年，工藝標準及裝備水平逐漸落后，出現傳動部件老化、水泵密封面磨損等現象。原工藝設計額定壓力25 MPa，適用于普碳鋼、優碳鋼的使用。隨著特鋼產品的研發，合金結構鋼、鋼球鋼、軸承鋼、非調質鋼等比例逐漸增多，尤其是Si、Ni 含量高的鋼種（27SiMn、8620H 等）表面氧化鐵皮粘附性強，表面鐵皮不易與鋼坯剝離（圖1），主要問題如下：

圖1 鋼坯除鱗情況

（1）高壓水除鱗系統設計額定壓力25 MPa，因設備老化，實際最高工作壓力22 MPa。

（2）除鱗系統能力不足，常規鋼種的出鋼溫度需要達到1090 ℃，含Si、Ni 高的鋼種出鋼溫度需達到上限1170 ℃才能保證鋼坯的除鱗效果，加熱爐煤氣消耗高，且棒材表面容易二次氧化。

2 除鱗原理

高壓水除鱗原理：①利用水的急冷，使氧化鐵皮與坯料體產生溫差，坯料表面的氧化鐵皮龜裂機械脫鱗[1]；②靠高壓水產生的打擊力鏟除坯料表面的氧化鐵皮。

高壓水除鱗系統工作水源壓力0.2～0.5 MPa，由進水總閥門至自清洗過濾器，經高位水箱然后通過出口管道分配給各臺高壓泵。高壓泵進水分管經低壓蝶閥（選擇工作式或非工作狀態）及膨脹節（可減少泵及管線振動和噪聲）再到高壓泵的低壓集水器，由于高壓泵的往復運動和進、排液閥的開啟、閉合，高壓管線上的水又受到噴嘴阻力，管線上的水建立壓力（可人為設定及控制），因高壓泵的液力端裝有止回閥，因此高壓水只能經高壓單向截止閥、高壓軟管至高壓除鱗環，通過噴嘴射向鋼坯，以清除鋼坯表面氧化層。為了達到最佳效果，在高壓管上還安裝各種附件，如：蓄能器，能吸收管線高壓水的壓力脈沖，使高壓水更平穩和噴嘴開啟及關閉時的水壓沖擊力，管線上的安全閥可保證額定的工作壓力，一旦超壓自動排出，既可以保護設備安全又能保證人員安全。

3 新增高壓水除鱗系統

新增高壓水除鱗系統[2]以解決除鱗效果不佳的問題，主要組成：高壓泵站1 個，高壓水除鱗裝置1 套（壓力35 MPa），自清洗過濾器1 臺，額定壓力35 MPa 的電動往復泵3 臺（355 kW 變頻電機，二用一備），西門子變頻柜3 臺（一拖一），西門子PLC柜1 臺、受電柜1 臺。

3.1 系統流程

凈環水→自清洗過濾器→高位水箱→手動蝶閥→高壓泵組→高壓單向截止閥→除鱗環→噴嘴

3.2 系統參數

除鱗水壓：根據高壓水除鱗使用數據，確定高壓泵額定水壓35 MPa。

噴嘴孔徑及數量：根據鋼坯尺寸及鋼種，選用進口噴嘴，孔徑2.5 mm，在壓力35 MPa 時的單個流量為52.4 L/min，四面除鱗噴嘴數量共計為16 只，水量為838 L/min（50.3 m3/h），噴嘴位置見圖2；考濾噴嘴磨損后水量的補償，選用每臺高壓泵的流量為30 m3/h，總流量為60 m3/h，高壓泵額定壓力35 MPa，采用變頻調速調節泵的流量、壓力。

圖2 噴嘴布置示意

3.3 除鱗裝置

由箱體、除鱗環、防撞導衛、退鋼導位、擋水罩等組成，安裝在加熱爐后輥道上。噴嘴使用進口萊克勒品牌，具有打擊力大，使用壽命長等特點。擋水罩進、出口設置雙鏈簾，防止高壓水及鱗片飛濺（進口擋水罩長度≥3 m）。除鱗集管和箱體連接要定位，與管道采用法蘭軟連接，便于拆卸和更換。

（1）除鱗點：1 個。

（2）除鱗方式：四面除鱗。

（3）坯料規格：240 mm×240 mm，200 mm×200 mm，長度9 m。

（4）除鱗線速度：坯料速度0.85～1 m/s。

（5）坯料溫度：950～1150 ℃。

（6）鋼種材料：優碳鋼、合金結構鋼、鋼球鋼、軸承鋼、非調質鋼、彈簧鋼等。

3.4 除鱗方式

利用現有熱金屬檢測儀HMD，安裝位置改到除鱗箱前2～3 m處檢測坯料位置，將檢測信號傳送給PLC，通過PLC 控制閥的開、閉，從而實現間斷式除鱗。

3.5 能源介質需求

（1）除鱗系統用水：凈環水，水壓0.2～0.5 MPa，最大用量60 m3/h。

（2）壓縮空氣壓力：0.4～0.6 MPa。

（3）除鱗系統電源：電壓380 V/220 V±5%、50 Hz；總裝機容量1080 kW。

3.6 電控

主電機采用變頻啟動，電氣控制系統采用PLC 對信號進行聯鎖控制，主電機與油泵電機、風扇電機、壓力開關、油溫開關聯鎖，并與管道上的壓力開關、閥門限位開關、熱金屬檢測器、水箱液位計及二位三通電磁閥聯鎖。

（1）允許啟動高壓泵條件：進、出口閥門上限到打開，油泵電機工作正常，油壓正常，進口水壓力正常，二位三通電磁閥不得電，水箱液位低不報警。

（2）在以下情況下報警：進口水壓及潤滑油壓力＜0.2 MPa，泵的出口壓力＞35 MPa，泵的油溫＞75 ℃，水箱液位低。

（3）在以下情況下自動停車：進口水壓及潤滑油壓力＜0.15 MPa時延時15 s，泵的出口壓力＞36 MPa，泵和減速機的油溫≥80 ℃時，水箱缺水。

3.7 系統節能措施

通過安裝在除鱗水泵液力端的氣缸開、閉實現除鱗系統間歇性提供高壓水，在不除鱗時氣缸打開，水泵處于10 Hz 的低頻空負荷運轉，不僅不消耗水，還能節電節能。

4 投用效果

（1）新除鱗系統使用后，系統最高使用壓力可達到35 MPa（原最高使用壓力22 MPa）。

（2）鋼坯除鱗效果明顯改善：含Cr、Si、Ni 的特殊鋼種除鱗完全、效果明顯改善（8620H、30CrMnSiA 等），除鱗效果見圖3；據統計，2021 年1—7 月因鋼坯除鱗不凈造成棒材產生麻面的修磨量為零。

圖3 新除鱗系統使用后鋼坯除鱗效果

（3）鋼坯出爐溫度降低：常規鋼種的出鋼溫度降到1050 ℃左右，比改造前降低30 ℃，節省煤氣，減少氧化燒損。

（4）節能效果：改進后的系統在不除鱗時，安裝在水泵液力端的氣缸打開，水泵處于10 Hz 的低頻運轉，實現除鱗水零消耗，節電節能。