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高压水除鳞课件资料
高压水除鳞系统的自动化控制
张小松
【摘要】 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
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。
再有,氧化铁皮的化学成分及位层的组成与钢材的原料成分、加热温度、加热时间、炉内气氛条件和轧制工艺有密切关系。
对于碳钢而言,氧化铁皮表层为Fe2O3,中间层为Fe3O4,内层为FeO。
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喷嘴的选择及安装
2.1喷嘴的选择
高压水除鳞效果的好坏,在很大程度上取决于喷嘴的结构及喷口的形状。
除鳞喷嘴的基本要求有三点:
(1)喷出水流要宽而扁,要形成象锋利的刀子一样的水流。
(2)水流的打击力沿水流宽度上的分布要尽可能均匀。
对普碳钢在炉内生成的氧化铁皮来说,均匀的打击力希望为2×10
~2.5×10
Pa。
高压水压力一般为16~28MPa。
(3)喷嘴的材料要求耐磨
根据计算,当水压达到16MPa时,喷嘴口处的水流速度可达144m/s左右。
因此没有耐磨的材料,喷嘴就要经常更换,增加停轧时间,影响生产效率。
根据试验得知,矩形断面的喷口不适用于高压水除鳞,因为这种喷口在边缘上的冲击力大,而在中间的冲击力小。
试验资料及生产实践表明,椭圆形的喷口断面最佳。
各种不同的轧制钢材,有它最合适的高压水的消耗量(喷射强度)。
如热轧带钢生产线上,一般碳钢及低合金钢的高压水消耗量为:
605Lt轧件,在初轧机架上为350Lt,在精轧机架上消耗为225Lt。
对于不同钢种、不同材质需不同的喷射强度。
单只喷嘴的水耗量Q(L/S),可按下式进行计算:
Q1=F·V·1000
式中:
F:
喷嘴喷口截面积(m
)
V:
喷嘴喷出口的流速(m/s)
V=μ
式中:
μ:
流量系数,外伸圆柱形管嘴μ=0.82(根据不同喷嘴形状,其值在0.8~1之间)
g:
重力加速度(9.8m/s
)
p:
工作压力(m水柱)
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。
3.4FSB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。
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PLCS7-317、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。
4.3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。
4.4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。
4.5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:
延时()秒
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)防止高压水进入低压管网控制
措施:
防离心泵反转:
泵出口止回阀采用液动力关闭,而且受压面积大关闭力大,容易关严;备用泵停止后,泵出口液动阀自动关闭;另外,有压力传感器检测低压管网压力,当压力超过0.8MPa,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;三道保险。
(3)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主付泵控制
二台工作离心泵设置主付泵工作制,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。
●付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。
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。
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