中厚板高壓水一次除鱗系統優化

龍 鷹

（國家汽車質量監督檢驗中心（柳州）柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州545616）

0 引言

中厚板生產過程中鋼坯一般都需要加熱，鋼坯在加熱過程中會發生氧化，形成很厚的爐生氧化鐵皮，附著在母體表面[1]。軋鋼工序中通過除鱗高壓水產生強大沖擊力和沖刷力，在鋼坯表面形成類似切削、爆破的效果，按設定方向沖掉氧化鐵皮，避免鋼坯表面的氧化鐵皮在軋輥的作用下，壓入母體表面，形成夾雜、麻點、疤痕等，保證成品鋼板獲得良好的表面質量[2]。從除鱗工藝程序看：有如下三個除鱗過程：初除鱗是指除鱗箱內除鱗，也稱為第一次除鱗（爐后），粗除鱗是鋼坯進入粗軋機前再除鱗一次或二次、三次，視實際情況而定，精除鱗是應用在精軋機組前，主要是除掉再生氧化鐵皮（二次鱗）。在某廠生產實際現場，主要存在初除鱗工序中，鋼坯上下及兩側表面除鱗不干凈的問題，導致鋼坯在軋制時，將部分未脫落的氧化鐵皮壓入鋼坯，造成產品質量問題，本文主要針對初除鱗集管進行重新設計與改造，以提高高壓水的打擊能力及覆蓋范圍，滿足高壓水系統對熱鋼坯初次除鱗的要求。

1 高壓除鱗機理及打擊力

1.1 高壓水除鱗機理

當高壓水通過噴嘴打擊鋼坯表面時，對于氧化鐵皮產生四種效應，當然都在零點幾秒內同時發生的四個效應[3]：

（1）冷卻效應：熱金屬母體與氧化鐵皮冷卻后其各自的收縮程度不同，從而兩者界面之間產生切向應力，此力使氧化鐵皮與母體脫落。

（2）破碎效應：由于高壓水的作用，高壓噴嘴射流的打擊力作用于鋼坯表面，使鋼坯表面的氧化鐵皮破碎。

（3）爆破效應：帶有一定壓力的小水滴進入氧化鐵皮的裂縫中，處于高溫下的小水滴迅速氣化體積突然膨脹爆炸，從而使氧化鐵皮既脫落又破碎。

（4）沖刷效應：高壓噴嘴射流的打擊力中的水平分力即為沖刷已破碎氧化鐵皮的主要力量，當然豎直方向的分力也有一定的沖刷作用。

1.2 除鱗打擊力校驗

初除鱗是在除鱗箱內布置有除鱗的上下集管，分別對鋼坯的上下表面及側面進行高壓除鱗，去除附著在鋼坯表面的爐生氧化鐵皮，改造前，除鱗箱上下集管的相關參數如表1所示。

表1 改造前除鱗箱上下高壓集管參數

除鱗集管中高壓水噴嘴打擊力的經驗計算公式為：

式中：Q為在P壓力下每個噴嘴的流量（L/min）；P 為噴嘴進水口壓力（kg/cm2）；H 為噴嘴出口至打擊面的垂直距離（mm）；α為噴嘴的噴射角，一般常用高壓扁平噴嘴 α 為 26°、30°、40°，如有特殊需要也可設計成其他角度值；r為射流厚度夾角，一般為1.5°左右；F為打擊力（MPa）；從公式中可以分析出每個參數對打擊力的影響程度，如圖1所示。

圖1 各參數對打擊力的影響

對于不同鋼種初次除鱗時最小打擊力為[4]：

1）普通碳鋼，低合金鋼所需要最小打擊力為0.3～0.7 MPa；

2）高合金鋼（如含有釩、鈦、鎳、硅等元素較高的合金鋼）所需最小打擊力為0.4～1.0 MPa。

由上述初次除鱗最小打擊力要求來看，改造前，除鱗箱上下高壓集管在系統壓力為18 MPa時，經打擊力公式校驗計算，高壓水噴嘴打擊力為0.461 MPa，打擊力相對偏小，必須對除鱗集管的噴嘴參數及布置進行重新選擇及設計改造，增加高壓水的初次除鱗打擊力。

2 高壓一次除鱗系統改造

根據高壓水噴嘴打擊力的經驗計算公式，為增大打擊力，可從以下幾方面對除鱗箱集管進行技術改造。

（1）重新選用一種噴嘴的噴射角及射流厚度夾角較小的型號噴嘴。

（2）減小高壓水的噴射高度，在現有除鱗設備基礎上，除鱗箱上下集管與鋼坯表面距離為210 mm，極限調整到最低高度到170 mm。

（3）在保證單個噴嘴流量不變的情況下，增大高壓水系統壓力。

在實際生產中，高壓水系統壓力是有一定波動范圍的，依據現場高壓水系統數據，除鱗系統在工作時，高壓蓄能汽水罐顯示的3水位高壓水壓力為18 MPa，2水位為 16.57 MPa，4水位為 18.56 MPa，在 5水位時壓力為19.154 MPa。選擇噴嘴型號為SGCI806，噴嘴的噴射角為26°，依據系統壓力、集管噴嘴出口至打擊面的垂直距離及噴嘴射流厚度夾角為參數，計算出除鱗打擊力，結果如表2所示。

表2 除鱗噴嘴打擊力計算結果

從表2數據看來，系統工作壓力保證在16.57～19.15 MPa，集管高度降低到距離鋼坯表面170 mm，并選擇噴嘴射流厚度夾角為1.3°，打擊計算為0.904～0.971 MPa。在高壓水系統壓力為18 MPa，集管噴嘴型號為SGCI806，離鋼坯表面高度170 mm，打擊力為0.942 MPa，相對比改造前的噴嘴型號為SGCD807，高度為210 mm的集管噴嘴除鱗打擊力增大了51.1%，打擊力增加明顯。

初除鱗所用水量的經驗計算公式為：

式中：K為熱鋼坯單位面積上所需的高壓水流量，一般設定為18～ 20 L/m2；B為鋼坯寬度（m）；V 為鋼坯移動速度，一般V=0.8～1.5 m/s；120為推導系數。

依據初除鱗所用水量的經驗公式，上下集管對單塊寬度為1 800 mm、移動速度為1.0 m/s的鋼坯進行除鱗，所需水量為4 320 L/min。改造前，單個噴嘴SGCD807在18 MPa的情況下，流量為96.6 L/min，除鱗箱上下集管對稱安裝共有20*2=40個噴嘴，共消耗水量為1932*2=3 864 L/min，從計算數據可知，改造前初除鱗集管噴嘴所用水量偏低，需要增加用水量。改造后，除鱗箱上下集管對稱分布有48個SGCI 806噴嘴，共消耗水量為48*96.6 L/min=4636.8 L/min，比改造前的3 864 L/min數值大，符合初除鱗所用水量為4 320 L/min要求。

在現有設備基礎上，依據上述數據及計算，改造除鱗箱上下高壓集管，其主要設計參數見表3。

表3 除鱗箱上下高壓集管參數

改造后除鱗箱上下高壓集管，其布置設計方案如圖2所示。

圖2 除鱗箱上下高壓集管的改造方案

采用集管噴嘴與鋼坯表面高度為170 mm的方案，提高高壓水打擊力，為消除鋼坯兩側上下表面除鱗不干凈的情況，上下除鱗集管噴嘴由原來的20個，設計變更為24個布置，系統流量增加約20%。除鱗箱除鱗、粗軋機除鱗及精軋機除鱗，原來同時對生產線上的鋼坯完成一次除鱗工序，水量要求為700 L左右，全部集管按方案增加噴嘴更改后，水量增加要求為850 L左右。原最低液面閥關閉水位為2水位，若將2水位為高壓離心泵提速水位，2-4水位水罐中可用存水約為2 289.6 L，是可以滿足生產要求的。

另外，如果能增加高壓水系統中的高壓蓄能汽水罐的個數，增強高壓水系統的儲水量能力，保證除鱗系統的用水量，可通過對高壓水罐的水位位置重新進行布置，由原來的到2水位高壓水泵開始運轉打壓，調整到4水位打壓（水泵提升水位），5水位泵低速運轉，通過對高壓蓄能氣罐補充高壓壓縮空氣，系統高壓水壓力增加到20 MPa，保證系統壓力相對穩定，即保證壓力波動在1.5 MPa以內，提高高壓水除鱗的打擊力，來增強除鱗箱的一次除鱗效果。

3 結論

本文闡述了除鱗工藝及其存在問題，并分析了高壓水除鱗機理，通過對鋼坯表面除鱗打擊力計算分析及初除鱗所用水量要求的基礎上，對現有軋鋼廠除鱗設備的初次除鱗技術改造進行方案設計。除鱗箱的集管及布置按照該設計方案進行技術改造，使鋼坯初次除鱗的效果明顯增強，有效地解決了由于初次除鱗效果差引起的鋼板質量問題。