粗轧机除鳞导卫装置研究

范玉林

1.一重集团大连设计研究院有限公司助理工程师，辽宁 大连 116600

工业技术的发展和工艺水平的提高，不仅对轧钢主机提出了更高要求，而且对除鳞导卫的要求也越来越高。当代先进的除鳞导卫装置除具有基本的钢板导向作用外，还要满足板坯除鳞、轧辊冷却及烟尘抑制等各项工艺要求。本文将简述除鳞导卫装置的结构和功能，并探讨打击力的影响参数，为以后的设计和改进提供参考。

1 结构比较

1.1 热连轧机除鳞导卫装置结构分析

某1580 mm生产线上R2轧机的入口、出口导卫装置位于操作侧和传动侧机架之间，机架上装有导向键，上导卫装置可沿导向键上下移动；导卫架体通过导向键定位，并留有滑动间隙。下导板用于主机前后辊道、机架辊和工作辊护板之间的钢板过渡，防止钻钢事故发生（见图1）。

（1）上导卫架体

图1 热连轧机除鳞导卫装置

上导卫架体与支承辊平衡钩之间靠提升液压缸连接，工作时随轧辊开口度变化沿导向键做升降运动。上导卫架体下端为导板，与下导板形成喇叭口状，便于钢板的导入。为承受钢板头部的刮蹭和撞击，导板需有一定厚度；在工作过程中，提升缸提供一定的过平衡力，使导板端部紧紧贴合在工作辊护板的下面，避免因受到刮蹭而与工作辊护板脱开。在上导卫架体上安装有除鳞集管、冷却集管和烟尘抑制集管，其导板与工作辊护板为随动关系，一方面保证高压水在辊缝及板坯厚度变化时仍保持有效除鳞高度（喷嘴到板坯表面的垂直距离），并保护喷嘴等免受运动板坯撞击，另一方面，可防止冷却水直接落到钢板表面，保证钢板在轧制过程中的温度要求。当换工作辊时，由提升缸将其落下使上导板与工作辊护板脱开，保证换辊推拉顺利。

（2）高压水除鳞装置

上除鳞集管固定在上导卫架体上，随导卫架体一起升降，保证高压水的有效喷射高度。下除鳞集管安装在下导板下面，位置固定，不需调整。

（3）轧辊冷却装置

上导卫架体和下导板下面都安装有轧辊冷却装置，分别为工作辊和支承辊进行冷却。入口和出口轧辊冷却喷嘴采用交叉布置，以获得更均匀的冷却效果。

（4）烟尘抑制装置

主要是通过上下集管喷嘴喷出水雾，吸附和遮挡轧制过程中产生的烟尘颗粒，从而达到抑制烟尘的环保作用。

（5）水幕拦截和收集装置

当板坯未到达下部除鳞或刚刚完成轧制时，喷出的下部除鳞水由收集罩遮挡和收集后，从侧面排水口排入冲渣沟。而轧制时喷出的上除鳞高压水经过钢板的反射，连同氧化皮一起向外飞溅，此时拦截装置喷出水幕与收集罩一起将除鳞水和氧化皮拦截下来，最终流入冲渣沟。

当然，在不同的热轧机组中，除鳞导卫的布置可能会有所不同，比如，只有出口或入口单侧除鳞装置等等。

1.2 中厚板轧机除鳞导卫装置

中厚板轧机的除鳞导卫在结构上和热连轧粗轧机除鳞导卫基本相同，也具有包括导卫、除鳞、轧辊冷却、烟尘抑制和收集拦截功能（见图2）。其不同之处在于：

（1）因中厚板坯料有较短规格的板坯，一般中厚板轧机的机架辊＞2根，所以导卫结构中没有单独的下导板；

（2）中厚板轧机工作辊与支承辊的辊径比要比热连轧小，为与工作辊护板贴合，上导板向轧机中心线伸展较长，导致其重心相对于提升缸铰接轴心有较大的偏心。当上导卫做升降运动时滑板与机架导向键之间的受力不均；

（3）由于中厚板轧机辊身比较长，整个喷水集管的喷水量相当大。但由于除鳞集管和冷却集管有足够的空间作成多腔体形式，可以实现分段控制，避免水资源浪费；

因此，对于规格比较大的热连轧机，如结构允许，除鳞集管也应设计成分段腔体的形式。

图2 中厚板轧机除鳞导卫装置

2 射流参数分析

高压水打击力的大小是决定能否达到除鳞效果的关键因素。下面从计算公式入手，分析除鳞打击力各参数对除鳞效果的影响。

对于单个喷嘴，其打击力可按下式计算[1]：

式中，F—打击力（N）；ρ—水的密度，取1×103kg/m3；Q—单位时间内流量 （m3/s）；Kq—流量系数，取0.85；v—射流出射后速度（m/s）；Kv—空气中减速系数，当距离为200 mm、300 mm、500 mm时，取值分别为1、0.95和0.85。

另外，根据流体伯努利方程[2]，在忽略比位能变化情况下可近似得出：

式中，P—射流压力（Pa）。将式（2）代入式（1）中，可得：

除鳞喷嘴喷出的射流几何截面通常为长条形，为计算方便起见，将射流看成近似四棱锥形状（见图 3）。

根据几何关系，喷射区域面积为

带入式（3），可得单位面积打击力

式中，Pi—喷嘴单位面积打击力（Pa）。

由式（5）可知，除鳞打击力既与喷嘴流量、喷射压力有关，也与喷嘴本身喷射角和安装位置等参数有关。

喷射压力P 喷射压力的1/2次方与打击力成正比。因此可采取提高系统压力的方法提高打击力，但系统压力一方面受高压水泵系统的限制，另一方面，过高的喷射压力会加剧喷嘴磨损。近年来，热轧板带除鳞水压力多在15～28 MPa范围内；

喷嘴流量Q 喷嘴流量与打击力成正比。当然，要获得更高的打击力，不能仅靠提高喷嘴流量，还要考虑除鳞系统的节能要求，这也是除鳞系统优化设计的重点；

喷射距离H 打击力与喷射距离H的平方成反比。减小H值，对提高打击力影响非常明显。但受导卫结构及辊系开口度等因素影响，喷射距离受到一定的限制。根据理论和经验，喷射距离在120～200 mm范围内，可以作出很合理的喷嘴间距、喷射角度等布置，能在节约水量的同时，得到不错的除鳞效果[3]。

入射角β 依据式（5）验算可知，入射角大小对打击力的影响不是很大。目前喷嘴入射角一般为 5°、10°和 15°。

总之，在高压水系统的压力和总流量既定的前提下，首先应根据工艺确定所需的打击力，利用打击力公式计算出单个喷嘴的流量；然后以此流量作为最小流量值，参照专业化和系列化的喷嘴样本进行选型，根据板带的喷射总宽度确定喷嘴数量，进而得出高压水总流量。喷嘴选型和布置应在系统容量允许前提下，以总耗水量最小为最佳方案。

3 结语

（1）文中的除鳞导卫装置只是目前已广泛应用的典型结构，在实际应用中仍不可避免地暴露出各种缺陷和不足，需不断总结经验，对结构做出更合理的改进。目前最关键的问题在于如何提高上导卫的抗撞击性，避免其脱落损坏，这方面仍有待于进一步的研究；

（2）文中的打击力公式与模拟结果是比较接近的。但就公式本身而言，它是理想化的近似公式，并且由于模拟计算也只是对实际射流的理论模拟，而实际的除鳞效果还与喷嘴及高压水系统的性能等因素有关。所以无论是文中打击力公式还是喷嘴厂家的软件模拟，都只能用作设计的参考，两者都有待于生产实际的最终检验。当然，随着研究的不断深入，打击力公式会进一步得到修正和完善，计算模拟结果也会更接近生产实际。

[1]Lechler公司高压水除鳞喷嘴样本.

[2]高殿荣吴晓明.工程流体力学.北京：机械工业出版社,1999.8.

[3]张元奇 黄维学.热轧板带高压水除鳞优化设计.一重技术.2009 No.4 P.7-10.