关于高压水除鳞系统设计的计算研究

赵小康，张铁罕，朱纹成

（重庆水泵厂有限责任公司，重庆 400033）

热轧生产中采用高压水除鳞的目的是为了去除坯料在炉内加热和轧制过程中表面产生的一次和二次氧化铁皮，以提高成品钢的表面质量和延长轧辊使用寿命。由于轧线轧制的产品和生产工艺不同，除鳞系统类型及设备配置就有相应的不同，故对高压水除鳞系统应进行相应的设计。高压水除鳞的设计主要有以下几部分组成：（1）除鳞箱的设计；（2）除鳞泵站的设计；（3）除鳞系统的控制系统设计。

1 除鳞箱的设计

主要以除鳞集管为核心的设计，根据钢坯尺寸不同、材质不同，除鳞集管也就不同。以热轧普碳钢1780 板材为例：该板坯主要是对上下面进行除鳞，故设计除鳞集管为上、下2 根集管。首先通过对除鳞板坯材质来确定除鳞喷嘴的打击力大小（打击力的大小决定除鳞效果，普碳钢需0.5N/mm 以上，特殊钢种则需1.0N/mm 以上），通过打击力的大小来选择喷射高度以及喷嘴的型号。所有喷嘴均为642.XXX.27 系列喷嘴型号如下：

此次根据打击力选用642.686.27 喷嘴，垂直喷射高度120mm，前倾角β ＝15°，自旋角γ ＝15°，相邻喷嘴重叠量大于等于5mm，工作压力20MPa，打击力为0.77N/mm。

图1

其次，通过板坯的宽度确定除鳞集管的喷嘴数量，钢坯采用炼钢一系列连铸车间生产的无缺陷连铸板坯，坯规格如下：

坯料厚度：230mm，坯料宽度：800 ～1650mm；坯料长度：4500 ～5300mm(短坯)；7900 ～10800mm(定尺坯)；坯料最大重量：32.5t。

（1）通过对集管及板坯的放样如图2 所示：确定集管的喷嘴数量为上下集管各28 个以及单个集管在20MPa时的除鳞水量为50.91L/min×28=85.53m3/h，上下集管共用水170m3/h，双组集管用水量为340m3/h；

图2

（2）通过除鳞水量后计算出集管的主管内径大小为φ125，具体计算公式为：2；其中Q 为流量，v 为流速（流速小于2m/s）；

（3）通过管子壁厚公式计算出集管的主管壁厚为20，高压管路壁厚的选取计算，根据《管道工程安装维修手册》中的计算公式如下：

式中：Sjs——管子的理论算壁厚，mm。

S——管子的计算壁厚，mm。

P——计算压力，MPa。

Φ——管子外径，mm。

[σ]——管子材料的选用应力，MPa。

C——管子的壁厚附加值，mm。

C1——管子壁厚负偏差和弯管减薄量。

C2——管子腐蚀和磨损量。

管子的压力按22.0Mpa 这一等级计算，管路系统的材料选用20 钢，其许用应力：壁厚为≤10mm [σ]＝133MPa；壁厚为＞10mm [σ]＝127MPa。

管子的尺寸偏差：A1 ＝0.167×26 ＝4.34mm。

弯管的减薄量：A2=0.15×26 ＝3.9mm。

除鳞箱体设计依照详细的辊道图纸进行相应的设计，包含除鳞箱体的固定、集管的固定以及箱体的防水，如果除鳞钢坯厚度及宽度变化很大，上集管提升可以考虑用液压缸进行提升，采用软管连接。

2 除鳞泵站的设计

除鳞泵站的设计主要是以高压水出水量以及出水压力来设计。故按照先前的计算，算出除鳞系统基本参数：除鳞点压力22 MPa；除鳞泵站压力25MPa；除鳞泵流量400m3/h；高压空压机压力30MPa；高压空压机流量 3m3/h。

除鳞泵站设备组成部分：

（1）泵选用变频离心泵Q=300m3/h,P=25.0MPa，2 台（1用1 备）变频电机：电压：10kV，N=3150kW；

（2）自清洗过滤器规格：DN400，PN1.0，0.15mm；

（3）泵进出口阀组：

止回阀作用：保护除鳞泵，当除鳞泵停止运行、低速运行时，蓄能器及高压管路仍处于高压状态，止回阀会迅速关闭，防止水锤损坏除鳞泵。电动闸阀作用：除鳞泵为大流量、高扬程的离心泵，启动时必须闭阀启动，离心泵启动后应迅速打开出口阀。

表1

（4）最小流量阀组：

表2

作用：保护除鳞泵，使除鳞泵不会因温度升高而损坏泵，其工作原理是：当安装在除鳞泵的温度传感器检测到壳体温度超过一定值时，系统自动开启最小流量阀排水，排出的水带走热量，降低泵壳体温度；当泵体温度降到一定值时，最小流量阀关闭。

（5）低压缓冲水罐：设计压力：1MPa；工作压力：0.8MPa；有效容积：10m3。

吸收除鳞泵运行时对低压进口管路系统的冲击震动，在除鳞阀开启瞬间可以防止低压管路系统供水不足。

（6）蓄势器系统设计：除鳞喷水时间为钢坯长度/辊道速度=13S,故一次喷水量为1.23m3。通过克拉伯龙方程公式计算出蓄能器气体体积12.7m3，保证水罐液位下降时压力减低小于2mpa，水罐直径为1.2m。

除鳞系统设有1 个10m³水罐，2 个10m³气罐,设计压力：30MPa ；工作压力：28MPa；除鳞压降1.15mpa。

水罐与气罐组成蓄能器系统,主要有2 个作用：一是蓄能，二是吸收水锤。

（7）高压空压机流量：3.0m3/h，压力：30 Mpa，2 台。

在气罐压力低于规定值时，开启高压空压机向气罐充气，达到规定值后，停止供气。

（8）蓄能器系统阀组：

表3

作用：最低液面阀起保护系统作用，当外界管路系统出现故障时，蓄能器的液位降至低液位时，最低液面阀迅速关闭，防止蓄能器内的高压气体进入高压管路，防止安全事故的发生。

（9）除鳞喷射阀组：

表4

喷射阀作用：控制系统的除鳞，与泵机组、系统压力和轧线进行连锁。

充水阀作用：在系统不除鳞时，喷射阀关闭，在喷射阀到除鳞机之间的高压管路会进入空气，在喷射阀开启时，管路里的空气会急剧压缩，引起振动。充水阀组设置在除鳞机及喷射阀之间，能有效防止空气进入高压管路。

（10）泵房内高低压管路的设计：泵房内主管路设计按照不高于4m/s 进行设计，采用GB/T5310 φ273×40无缝钢管，弯头按照GB/T 12459-2017 国标3D 弯头设计，三通按照GB/T 12459-2017 设计，管夹和管夹支座等用锻件制作，具体的详细流程图如图3 所示。

图3

3 除鳞系统的控制系统的设计

根据系统工艺，2 台除鳞泵的工作方式为一工作一备用，系统采用变频控制，2 台高压电机采用2 台变频器控制。高压电气设备安装在除鳞泵站内新建高压电气室。

3.1 高压柜配置

表5

3.2 系统低压控制柜

根据系统低压控制部分的控制对象和检测点分布情况，本系统低压控制部分的柜、箱、台数量如下：

受电柜∶ 1 面；低压控制柜∶ 1 面；PLC 控制柜∶ 1 面。

泵组I/O 远程站：2 个；公用I/O 远程站：1 个。

就地操作台：1 套；工控机：1 套。

3.2.1 受电柜

内装受电开关，保证来电电源和泵站各用电设备之间有明显断开点和开关功能，使用户检修时能得到充分的安全保障。柜门装有电压表和电流表，能直观看到高压水除鳞系统的用电情况。

3.2.2 低压控制柜

完成除鳞系统内部高压空压机、加热器、油泵等AC380V 和AC220V 控制设备的控制。

3.2.3 PLC 控制柜

PLC 是系统控制的大脑，它对采集到的所有信号进行统一处理，然后将指令下达到各执行元件上，保证系统正常、有序的运行。PLC 柜带有UPS 不间断电源1 套，容量：5000VA。

PLC 配置方案：PLC 柜负责本系统控制程序，可通过以太网与轧线控制系统进行数据和信号交换。PLC 控制包含泵站电气、仪表、现场控制阀。PLC 采用西门子S7-1500 产品, 带以太网通讯接口。I/O 点富裕量15%。提供博图STEP 7 软件和Wincc 软件。按照轧线控制要求提供数据交换接口。

3.2.4 泵组I/O 远程站

因为在高压除鳞泵启动和运行过程中有较多的温度、压力、阀门开闭状态等信号需要监控、处理，因此我们给每台泵组配有1 台ET200MP 控制箱。该控制箱作为整个PLC 系统的从站，负责接收泵组压力、温度、阀门位置开关等信号，控制泵组阀门开（闭）以及高压电机。这样可使模拟量信号就近输入PLC 模块，将检测仪表信号线降到最短，减少信号干扰，也便于系统维护。

3.2.5 公用I/O 远程站

3.2.6 工控机系统

工控机的作用体现在2 个方面：

（1）相当于一个软操作台面，在画面中，能对系统各控制对象进行操作；（2）对系统各信号进行实时显示，并将重要数据进行归档保存，以便查阅。工控机设置在生产操作台上，实现远程控制。

3.2.7 接线盒与端子箱

机上所有传感器应带有端子箱，并安装于设备本体上，端子箱防护等级 IP54 及以上（端子箱材质和防护等级设计阶段根据使用场合确定），安装于设备上的端子箱采用防震动设计。

3.3 系统主要电气连锁关系和参数说明

3.3.1 除鳞泵组

（1）进水压力大于0.3MPa 才能启动，低于0.15MPa报警，低于0.1MPa 停车；出口压力在高速运行条件下延时40s，低于17MPa 报警，低于16.5Mpa并延时3s 停车；（2）润滑油压大于0.15MPa 才能启动，低于0.12MPa 时报警，并自动切换到备用油泵运行，低于0.1MPa 时停除鳞泵；（3）油站液位低于0.2m 时报警；（4）泵、电机轴瓦和增速机瓦温度大于75℃报警，大于80℃并延时3s停车；（5）除鳞泵电机定子温度大于125℃报警，大于135℃并延时3s 停车；（6）电机冷却水流动开关信号和电机检漏开关信号缺失，泵组不能启动；（7）壳体温度大于55℃报警并且打开最小流量阀,大于60℃并延时3s停泵；（8）电机冷却风扇启动，才能启动除鳞泵。泵运行时，电机冷却风扇故障，将报警；（9）泵出口气压输出阀关闭，最小流量阀开启，才能启动除鳞泵；（10）高压变频器就绪，才能启动除鳞泵；（11）急停开关不在“急停位”；（12）电机前后端进油压力大于0.12Mpa并且流量大于5ml/s 才能启动泵组。

3.3.2 低压缓冲水罐

（1）液位高于2.4m 或低于1.0m 时将进行报警；（2）液位高于2.6m 或低于0.8m 时将自动关闭出口气动阀。

3.3.3 最小流量阀动作

（1）泵壳体温度高于55℃保持常开；（2）当壳体温度正常时，系统自动状态下，泵输出阀打开，泵运行频率大于40Hz，有喷射阀动作，出口压力低于24MPa 时，最小流量阀关闭，无喷射阀动作时高于25.5MPa 时开启。

3.3.4 最低液面阀

（1）自动状态，泵运行后，出口气动输出阀开限位、蓄能器压力大于20.5Mpa，同时液位大于1.2m，最低液面阀自动打开；（2）自动状态，系统压力小于20MPa，蓄能器液位低于0.9m 时关闭；（3）自动状态，蓄能器液位低于0.6m 时关闭。

3.3.5 蓄能器输出闸阀

（1）自动状态，泵运行后，出口气动输出阀开限位，蓄能器输出阀自动打开；（2）停泵后自动关闭。

3.3.6 除鳞就绪信号

（1）泵出口闸阀有开到位信号（阀门“开”接近开关）；（2）蓄能器输出阀有开到位信号（阀门“开”接近开关）；（3）最低液面阀有开到位信号（阀门“开”接近开关）；（4）蓄能器液位在1.3m 以上；（5）系统压力在20.5MPa 以上；（6）泵组有运行信号。

3.3.7 润滑油站

（1）液位低于0.2m 报警；（2）泵组运行前，启动油泵后，油压大于0.1Mpa，启动另一台油泵则当前油泵停止运行；（3）泵组运行后，运行的油泵油压低于0.12MPa 自动启动备用油泵，若压力高于0.17MPa 可手动停运行油泵，若压力低于0.17MPa，2 台油泵同时运行。

3.4 主要阀门说明

3.4.1 最小流量阀

（1）气压驱动驱动，常开阀（送电关闭），开闭都有接近开关信号输出，阀杆上行时开启；（2）启泵前应开启，停泵后自动开启。

3.4.2 最低液面阀

（1）气压驱动，常闭阀（送电开启），开闭都有接近开关信号输出，阀杆上行时开启；（2）关闭时具有单向导通功能，压力水高于蓄能器即可进入，但蓄能器内的水不能排出。

3.4.3 蓄能器输出闸阀

（1）气压驱动，开闭都有接近开关信号输出，阀杆上行时开启；（2）停泵后自动关闭。

4 结语

综上所述，在设计高压水除鳞系统时，除鳞箱、除鳞泵站及除鳞系统的控制系统的设计3 个部分能否得到最优化设计，将会影响到整个系统运行的安全性和高效性，所以我们必须要切实加强对其进行合理化的设计，才能达到更好的除鳞效果。