高压水除鳞系统的自动化控制
张小松 河北钢铁集团唐钢股份 自动化公司
（河北省唐山市 063000 手机号：[1**********]）
【摘要】 在热轧钢材生产中，钢坯表面的氧化铁皮是影响钢材表面质量的主要原因之一，京唐钢铁股份有限公司热轧带钢厂，投入了一套高压水除鳞装置。本文叙述了高压水除鳞的机理，重点介绍高压水系统的自动控制，对系统的设计及基本的计算方法简要说明。
【关键词】 热轧生产 高压水除鳞 自动控制
Autocontrol High Pressure Water Descaling
Zhang XiaoSong
【Abstract 】 For manufacturing of hot-rolled steel products ,one of the key elements affecting the product quality is the furnace heating-caused scale on surface of the stock .A hi-pressure water descaler is jointly developed by Jingtang Hot-rolled Strip Steel Plant. The design of high pressure water flow system and the basic calculation method were introduced, and the automatic controlling for the whole system.
【Key Words】 Hot Rolling Production , High Pressure Water Descaling, Automatic Control
0 前言
在热轧钢材生产过程中，钢坯表面的炉生氧化铁皮是影响钢材表面质量的主要原因之一，由于它的存在，使钢材表面产生凹坑、麻点、氧化铁压入等多种产品缺陷。为了解决这一问题，国内外已经采用多种除鳞方法，相比之下，高压水除鳞技术具有适应钢种范围广，除净率高，综合成本低等优点。在热态除鳞和冷态除鳞中得到了广泛应用，成为当今除鳞方法的主流。2008年9月京唐钢铁股份有限公司热轧带钢厂（简称京唐钢铁）投入了1套高压水除鳞装置，并于当年的12月投入使用，到目前为止，该设备运转正常，除鳞工作可靠，除鳞效果良好。
1 高压水除鳞的机理
钢坯从加热炉中出炉后, 其表面覆盖的氧化铁皮急速冷却, 炉内生成的氧化铁皮呈现网状裂纹。在高压水的喷射之下, 氧化铁皮表面局部急冷, 产生很大收缩, 从而使氧化铁皮裂纹扩大, 并有部分翘曲。经高压水流的冲击, 在裂纹中高压水的动压力变成流体的静压力
而打入氧化铁皮底部, 使氧化铁皮从钢坯表面剥落, 达到了清除氧化铁皮之目的。
图1 高压水除鳞机理示意图
根据上述机理, 在设计除鳞设备时, 应特别考虑轧制速度、轧制温度、喷嘴的水流量、喷嘴处的水流压力等因素的影响。目前高压水除鳞系统的设计及应用, 还存在一些问题。为了总结提高高压水除鳞效果, 本文对系统一些主要问题进行一定探讨, 以供有关设计、生产管理人员参考。
2 除鳞系统技术参数确定
2.1 高压水额定工作压力的确定
系统工作压力是影响除鳞质量的主要因素，其值取决于所轧钢种氧化铁皮的状况。对于形成一次氧化铁皮为“干结构”， 采用较低水压（12～15MPa ）和水量（2～3g ∕cm ）即可除去。 对于许多合金钢来说， 其氧化铁皮与钢坯表面粘着较紧" 要用较高水压（18～20MPa ）的水才能有效地除去. 根据京唐钢待除鳞钢坯一般为普碳钢和部分合金钢的具体情况， 一般系统工作压力为（17～19MPa ）考虑到管路的压力损失，确定高压泵的额定工作压力为22MPa 。
2.2高压泵额定流量的确定
确定高压泵额定流量的依据是钢坯断面尺寸，除鳞速度；
京唐钢铁热轧带钢坯料的断面规格（mm ）最大的为230mm ×2150mm ，除鳞速度为0.8～
1.2m ∕s ， 一次性除鳞后钢坯表面无氧化铁皮。根据实际经验和国际上有关高压水热态除鳞的通用设计准则， 对于普碳钢和低合金钢采用（2～3g ∕cm ）的高压水可以有效地清除炉生氧化铁皮，为此，取除鳞速度为0.8m ∕s ， 钢坯断面尺寸为230mm ×2150mm ，高压水总流量为 222
（0.8×0.23×2+0.8×2.15×2）×0.02×3600=274(m∕h)
根据上述计算, 结果综合考虑其他因素, 取高压泵总流量为:280 m∕h
3 除鳞系统的自动控制
3.1根据轧制除鳞工艺设计二套除鳞系统
相对一个系统而言降低了重叠除鳞流量，减少除鳞点压力波动和重叠除鳞次数，保证除鳞质量和均匀的冷却；
3.2采用偶合器调速，实现离心泵“按需供给”
● 降低运行成本
● 避免离心泵出现闭点压力和过热烧泵现象，提高系统运行可靠性；
● 降低蓄能器持续峰值压力，降低系统高压风险投资；
● 减少离心泵高速高压运行时间，提高高压系统耐压元件使用寿命；
● 避免蓄能器冒顶，提高系统运行的可靠性；提高生产效率
3.3粗轧泵站采用蓄能器与泵站二处布置
● 供水压力源靠近除鳞点，压力降少，有利除鳞质量；
● 蓄能器靠近除鳞点减少离心泵负荷和管路冲击；
● 二个压力源为三个除鳞点供水，系统压力均衡。
3.4 FSB系统采用离心泵直接供水
● 除鳞点压力恒定，没有波动；除鳞质量好；
● 系统管网无冲击震动，运行可靠性高；
● 采用中间坯全除鳞和中间坯让头二种除鳞工艺，满足不同钢种除鳞需要。
3.5 粗、精轧泵站控制系统与轧制线除鳞和换辊等非生产停机作业间隔，实现离心泵根据轧制除鳞需要供水，除鳞点压力22MPa 可调，实现非生产停机作业期间，泵站至除鳞点压力约1.5MPa ，有利轧机区域作业人员安全。 33
图2 高压水除鳞系统简图
4 电控仪表
4.1基础自动化部分
两个泵站设置两套PLC 控制系统，采用西门子PLC S7-317、配多个ET-200M 工作站，对高压水除鳞泵、高压电机、液力偶合器、液压站、联合油站、除鳞机、除鳞阀、蓄势器等设备实现远程控制及信号采集，根据除鳞系统的工艺要求及除鳞设备的特殊性，编制安全可靠的运转程序保证除鳞系统安全、可靠、自动节能运行。
4.2工控机人机界面部分
每个泵站设置两套工控机及一个触摸屏分别设在控制室、现场操作台，地下除鳞泵站。工控机采用西门子6AG4011工控机及WCC 监控软件, 通过数据采集，对高压水除鳞系统各部分运行情况进行监控，人机界面内容有：泵站主画面、泵组分画面 、系统操作画面、系统故障报警画面、故障和事故记录、趋势画面。
图3 高压水除鳞系统人机界面
4.3仪表部分：
一次仪表采用德国进口HYDAC 压力变送器及温度传感器对除鳞泵、高压电机、液力偶合器、液压站、联合油站等设备的测压点及测温点进行信号反馈，对高压水除鳞系统的主要参数除在人机介面实时监控。
4.4除鳞泵站与轧线计算机通讯
（1） 除鳞泵站供给轧线计算机通讯内容
● 除鳞泵站启动条件具备信息
● 除鳞泵站运转正常信息
● 除鳞泵站提供压力信息
● 除鳞泵站处于换辊等短时间不用高压水信息
● 除鳞泵站警报和事故停机信息
● 除鳞泵站正常停机信息
（2）轧线计算机提供给除鳞泵站信息
● 喷射阀开闭状态信息
● 除鳞系统压力设定值信息
● 换辊等短时间不用高压水信息
● HSB 除鳞信息
（3）通讯网络：以太网或PROFIBUS-DP
（4）除鳞泵站与轧制线设备连锁控制内容
● 离心泵启动条件所有喷射阀处于关闭状态；
● 蓄能器水位达到下事故水位，所有喷射阀自动关闭；
5 粗轧除鳞泵站控制
5.1工作原理
在离心泵和电机之间安装液力偶合器。电机恒速运行，通过改变偶合器勺管位置—传递力矩，实现离心泵转速—排出压力调整。当蓄能器压力或水位达到设定上限时，液压执行器控制勺管下行，排出偶合器转子内工作油，偶合器泵轮和涡轮产生转速差，离心泵低速低压空载节能运行；当蓄能器压力或水位达到设定下限时，液压执行器控制勺管上行，偶合器转子内工作油充满，偶合器泵轮和涡轮在液动力作用下同步转动，离心泵高速高压负载运行, 从而实现离心泵根据轧制-除鳞用水量供水，如同柱塞泵-蓄能器除鳞系统工作制度，以蓄能器提供除鳞水量为主，离心泵供水为辅，因此，蓄能器容量选择直接关系到能否满足轧制-除鳞工艺要求和离心泵升降速次数。
5.2离心泵控制
（1）自动启动条件：
除鳞泵吸水阀门处于开启状态、出水阀门处于关闭状态；
循环阀处于关闭状态；
喷射阀处于关闭状态；
液力偶合器处于低速状态；
进水压力≥0.25MPa
液压站系统压力≥ 6MPa
润滑油压 ≥0.12MPa
偶合器工作油压≥0.12MPa
（2）报警条件：
进水压力≤0.15MPa，出口阀、最低液面阀、喷射阀自动关闭；
润滑油压≤0.07MPa；
偶合器工作油压≤0.08MPa；
泵、偶合器、电机各轴承温度≥70°C
电机定子温度≥95°C
泵体温度≥60°C
润滑油站、工作润滑油站油箱油位达到下报警油位
（3）跳闸条件：
进水压力≤0.08MPa
润滑油压≤0.05MPa
偶合器工作油压≤0.06MPa
泵、偶合器、电机各轴承温度≥80°C
电机定子温度≥105°C
泵体温度≥70°C
润滑油站、工作润滑油站油箱油位达到下事故油位
5.3系统安全运行控制
（1）低压供水事故断水，防止“烧泵” “跑气”控制
低压供水压力低于0.12MPa ，离心泵自动降速运行，泵出口阀自动关闭，同时最低液面阀喷射自动关闭；压力低于0.08MPa ，离心泵跳闸停止运行；
（2）防止蓄能器“跑气”和 “气罐进水”控制
防止蓄能器“跑气”措施：
采用下控式最低液面阀保证快速关闭，而且气闭性好；如果关不严蓄能器水位下降到第
二事故水位，轧制线喷射阀自动关闭，双保险。
● 防止蓄能“气罐进水”措施：
当蓄能器气体容量少时，水位升高，造成冒顶，损坏液位计浮子，高压水进入气罐，影响蓄能器有效容积。采用上事故水位控制，当蓄能器水位达到上事故水位，压力还没有达到要求，说明蓄能器内气体少了，报警同时，离心泵自动降速运行，停止供水，保证系统安全。
5.4主副泵控制
二台工作离心泵设置主副泵工作制，目的，满足轧制除鳞工艺流量条件下，减少离心泵升降速次数，降低运行成本，提高离心泵使用寿命。
● 主泵根据蓄能器液位或压力信号，升速或降速。
● 副泵根据轧制线除鳞信号升速，根据蓄能器液位或压力信号降速。
6 精轧除鳞泵站控制
6.1不让头除鳞工艺
喷射阀始终开启，依靠离心泵升降速除鳞。
当HMD 检测到中间坯头部时，液力偶合器液压执行器控制勺管上行，偶合器转子内工作油充满，偶合器泵轮和涡轮在液动力作用下同步转动，离心泵高速高压负载运行，向除鳞点供高压水，进行中间坯表面除鳞；当HMD 检测到中间坯尾部时，液力偶合器液压执行器控制勺管下行，排出偶合器转子内工作油，偶合器泵轮和涡轮产生转速差，离心泵低速低压空载运行，向除鳞点供低压水（1.3MPa ），进行高压管路充填低压水，防止除鳞时管路震动。
6.2让头除鳞工艺
喷射阀与离心泵升降速连锁控制除鳞
当HMD 检测到中间坯头部时，离心泵自动升速运行，喷射阀处于关闭状态，泵排出高压水通过预充水阀进行高压管路充填，防止管路冲击，喷射阀根据设定时间自动开启，让出中间坯头部，对中间坯进行除鳞；
当HMD 检测到中间坯尾部时，离心泵自动降速运行，2秒钟后，喷射阀自动关闭，结束除鳞，由于离心泵降速2秒钟后，系统压力＜3MPa ，而且预充水阀始终开启，因此，避免了因喷射阀关闭产生的水力冲击。
图4 精轧高压水除鳞泵组出口水压
6.3运行情况
新上高压水除鳞系统自2008年12月投用以来，设备运转正常，完成了设计功能，满足了生产要求。控制系统可根据现场情况，及时检测出高压电机轴瓦温度变化，并报警跳闸，避免重大设备事故，应用效果良好。
7 结束语
(1)由于蓄能装置的使用，大大增强了系统吸收能量的功能，消除了水锤冲击的现象。增压装置达到了增压和蓄能的效果。在不增加其他装备的情况下，使用高压水直接将低压气体增至高压，事实证明可以达到预期效果。这也为其它流体增压提供了又一个可行的思路。
(2)选择了适合的喷嘴并合理布置，同时系统压力波动很小，使得钢坯氧化铁皮的除净率大大提高。
(3)钢坯温降小，满足钢坯轧制的稳定需要。
(4)经过验证此套高压水除鳞设备运行的稳定；提高了产品的表面质量；降低消耗，节约了能源。事实证明了新装备的可行性，达到了预期的效果。