铜板带热轧机高压除鳞工艺的改进分析

陈长军

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

随着工业技术的高速发展，铜及铜合金板带材，尤其是高精度板带消费量呈逐年上升，中国已经成为世界精铜生产、加工和消费大国。然而国内铜加工行业大而不强，产品表面质量、尺寸精度和性能指标尚难以达到真正高精度铜材的要求，高端产品仍主要依赖进口。

1 技术背景

在铜锭加热和热轧过程中，由于铜锭坯表面温度较高且处于含氧环境中，不可避免的会形成氧化铜皮。在轧制前如果不能将这层氧化皮去除，轧制过程中它们会被轧辊压入到带坯表面，影响其表面质量，同时残留的氧化皮还会加速轧辊的磨损，降低轧辊的使用寿命。

为了解决氧化皮对轧制带来的不利影响，提升铜板带材的表面质量和成材率，通常铜带热轧机都会设置一套高压除鳞装置，用高压水的冲击力来去除氧化皮(高压除鳞)是最通行有效的作法。

2 前期高压除鳞装置的优缺点

在除鳞系统中，高压泵产生的高压水进入除鳞喷嘴。在喷嘴的作用下，高压水形成一个具有极大冲击力的扇形水束，喷射到铜锭(坯)表面。在这个高压扇形水射流束的作用下，氧化皮经历了被切割、急冷收缩并与基体母材剥离，最终被冲刷离开铜锭(坯)表面的过程，从而将氧化皮清除掉。

前期的高压除鳞方案是从轧机工艺润滑系统配置一台增压泵(2MPa～4MPa)并配置高压管路，在热轧机两侧各设置一道喷射梁，其上安装有喷嘴，以实现除磷功能。如图1所示，该装置结构简易，安装和维护方便，但喷射时高压水大量飞溅，不利于轧制液的回收利用，污染车间环境。高压水在开放的环境中喷射，还会带来较大的安全风险。另外，由于压力较低，只有2MPa ～4MPa，无法形成大的打击力，影响了除鳞效果进而影响产品表面质量。

1-喷射梁；2-高压管路图1 传统高压除鳞装置的结构简图Fig.1 Structural diagram of traditional high pressure descaling device

3 对高压除鳞方案的改进

为了实现更好的除鳞效果，需要对该装置进行改进，以满足生产工艺的要求。改进的高压除鳞系统工作原理如图2所示。工艺流程为，净乳化液经过滤器过滤后进入除鳞泵低压供水管路，经高压除鳞泵加压后再进入高压水管路系统。除鳞时，泵循环阀关闭，泵与高压蓄能器一起向各除鳞点供水，由蓄能器补偿与稳定除鳞流量及压力。在系统不除鳞时关闭除鳞阀，此时泵先向高压蓄能器补水，当系统压力达到上工作压力时打开循环阀，此时高压除鳞泵处在卸荷状态，既减小了泵的机械磨损，提高了泵的使用寿命，又大大节约了电能，同时蓄能器压力处于上工作压力，随时满足系统中下一块坯料的除鳞需求。

图2 高压除鳞系统工作原理图Fig.2 Working schematic diagram of high-pressure descaling system

如图3所示，除鳞箱为封闭式结构，上下箱体均布置有高压喷管。

1-上箱盖；2-上喷管；3-翻盖液压缸；4-下箱体；5-下喷管图3 高压除鳞装置除鳞箱结构图Fig.3 Structure diagram of descaling box of high-pressure descaling device

除鳞箱的上箱体为翻转式，每道次除鳞完毕后通过液压缸自动打开，不影响板带坯的轧制。整个高压水系统的自动化系统采用现场总线+基础级+监控级计算机组成。基础级及现场总线主要完成高压水系统内部各工艺功能的控制。监控级计算机是通过通讯网络接收和采集有关信息，实现对高压水系统的运行管理。

4 除鳞集管设计中的关键考虑事项

(1)喷嘴出口流速。流速越高，提供的打击力越大，导致操作成本较高，这是因为泵的容量越大，所需要的能量就越高。

(2)压力。系统压力越大，提供的打击力越大。压力增加，喷嘴的磨损也会随之增加，从而提高了喷嘴成本，使得维护所需的时间也更长。本系统配置高压大流量五柱塞除鳞泵，根据现场实际经验，流量为30m3/h，额定压力22MPa，入口水压力为0.2MPa～0.4MPa。

(3)喷雾距离。离目标距离越远，则打击力越小。距离越远，需要的喷嘴越少，采购成本降低，且喷嘴损坏的风险降低了，维护时间也就减少了。喷射距离越近，打击力较大，但同时也需要更加精密喷雾覆盖宽度的喷嘴。如果覆盖宽度不精确，可能达不到完全除鳞，或者在过冷却的区域出现斑纹，其原因是重叠量过多。本系统上、下喷嘴距离板坯表面的距离均在130mm～150mm，除鳞效果较好。

(4)扭转角。喷嘴应准确放置，以防相邻喷雾的干扰，且保持好扭转角，一般为15°。

(5)重叠量。通常的重叠量为有效覆盖宽度的10%左右。

(6)偏垂角。喷嘴应准确放置，这样力就可分解为水平力和垂直力，一般为 15°。

(7)集管设计。要减少喷雾的不稳定性，必须选择合适的集管尺寸使液体的速度变化减至最小。避免可能在喷嘴进水点附近造成内部漩涡和增加进水紊乱的设计，要最小化速度变化并消除集管中的压降，速度应保持在3.7m/s以下，以达到最佳效果。

(8)喷嘴的选择。由于喷嘴的选择直接关系到除氧化皮效果和运行成本，根据除鳞工艺的要求，本方案选用小流量、大打击力的除氧化皮环喷嘴。

如图4所示，此喷嘴具有更大的打击力，以及更宽的有效覆盖宽度，使用喷射稳流器降低喷嘴中的紊乱，因此具有更好的除鳞效果。此外，喷头由新的碳化钨材料构成，保证了较长的磨损寿命，从而降低了维护时间和喷嘴更换成本。喷嘴具体相关参数为，单个喷嘴流量：Q单=0.66L/s(20MPa时)；喷射角度α=26°；喷射垂直角β=8°；喷射偏心角γ=15°；喷射距离S=150mm；喷射宽度B=2S×tan(α/2)=70mm；重叠量A>5mm。

图4 新型高压除鳞专用喷嘴结构Fig.4 New high-pressure descaling special nozzle structure

5 结论

改进后的除鳞系统可与生产工艺的轧制道次实现连锁，提高了生产效率，机组的自动控制水平也大幅提高；除鳞装置的箱式结构对设备的安全和环保性能有极大的提升，坯料经此高压除鳞系统后，产品表面光洁，外观质量显著提高，增强了产品的市场竞争力。