高压水除磷系统在柳钢热轧生产线上的使用和创新

万祖勇 刘汉洪

摘 要：随着生产的不断发展和市场要求的不断提高，客户对热轧板卷的表面质量要求也越来越高，而高压水除磷系统正是传统热连轧生产线上影响钢卷表面质量最核心的设备，它的稳定顺行直接关乎钢卷的表面质量，文章将主要阐述高压水除磷系统在柳钢热连轧生产线上的使用和创新。

关键词：高压水除磷系统；表面质量；使用和创新

中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0050-03

在传统热连轧生产线中，刚出炉的红钢坯温度能够达到1 260 ℃多 ，而红坯在高温情况下和空气中的氧气、水分等极易发生氧化作用，在表面生成一层氧化膜，也叫氧化铁皮。红坯在粗轧机组和精轧机组上进行轧制时，由于轧机压下作用力巨大，容易将氧化铁皮直接压入钢材，从而影响到钢材的表面质量，因此去除钢板表面氧化铁皮显得十分重要。

传统的板坯除磷方法有很多，如超声波除磷、水除磷等。我国目前的除磷方法主要还是集中在高压水除磷方面。生产中如果遭遇除磷系统运行异常，会导致大批量的氧化铁皮压入、钢板表面暗淡、黑斑、色斑等等出现，同时也会造成巨大的经济损失。合理科学的除磷关乎钢材的表面质量，同时也关乎我国经济的发展水平。柳钢热轧厂高压水除磷系统由于其高压力、大流量、高能耗的特点，也有许多问题等待我们解决，如何降低本厂高压水除磷系统的高能耗，成为了我们面临的一个重要的攻关课题。

1 高压水除磷系统在柳钢热轧生产线上的应用

1.1 柳钢热轧厂高压水除磷系统的基本配置情况

柳钢热轧厂拥有2032和1450两条热连轧生产线，其中高压水除磷系统两线各有一条，分别独立控制。其设备配置、工作原理基本相同，两条高压水除磷系统均由国内领先的重庆水泵厂设计安装调试。该系统主要由自清洗过滤器、除磷电机、泵组、蓄能器、阀组（含最小流量阀、最低液面阀、高压电动闸阀、旁通阀、喷射阀、节流装置等）、高低压管路、各除磷点、高压空压机、电气控制部分组成。

系统低压水进口压力：0.4～0.7 MPa；

泵出口压力：18.0～22.0 MPa；

除磷泵型号：ZDSS 360-200；

流量：50～400 m3/h；

转速：2 890～2 980 r/min；

主电机型号：YKS 3150-2/1180；

功率：3 150 kW；

转速：2 985 r/min；

电压：10 kV；

额定电流：206 A。

自清洗过滤器过滤精度为100 μ，高压储气罐和气水罐各一个，每个10 m3，压力：20～23.0 MPa，高压空压机两台，其中V-3/230和V-3/350各一台。

1.2 柳钢热轧厂除磷工艺流程简介

柳钢热轧厂生产过程中钢板除磷流程基本可概述如下：红钢坯在出炉以后经过除磷前辊道进入炉后除磷箱中完成初次除磷，离开炉后除磷箱经机前延伸辊道缓慢进入R0粗轧机，在R0粗轧机咬钢之前启动机前第一次除磷，粗轧机一般设置为5道次或者7道次往返轧制，经粗轧机程序设定的机前机后多次除磷后，中间坯的氧化铁皮已被大量清除，粗轧机抛钢后经中间辊道传输到热卷箱头尾转换，进入精轧机组前，在精除磷箱进行精细除磷，精除磷后的钢板经精轧机组连续轧制后途经层流辊道上下均匀冷却在卷取机组上完成热卷，后经打捆、转运、喷字、多方检定后入库存放，成为合格的待售商品。

1.3 高压水除磷的基本原理

柳钢热轧厂高压水除磷系统配备有独立的源源不断的低压浊环水供水系统。低压浊环水经全自动自清洗过滤器过滤后，达到高压水除磷系统所使用的除磷水要求标准，然后由高压离心水泵迅速增压，通过高压管路将高压水导入除磷集管，通过集管喷嘴高速喷射出来，当通过喷嘴的高压水被打到高温的钢坯上下表面时，会发生下列物理变化过程：

①由于薄的扇形高压水束形成的冲击力更大一些，所以通过喷嘴的高压水束就像一把锋利的切割机器，将氧化铁皮与钢材母体剥离，产生细小的缝隙。

②刚出炉的钢坯表面氧化铁皮温度很高，当高压水喷在氧化铁皮表面时，水分快速蒸发吸热，氧化铁皮急剧变冷收缩，产生横向切割力，将表面氧化物与钢坯分离。

③通过喷嘴的水珠进入缝隙，与钢材母坯接触的水珠急剧蒸发，周围压力骤增，类似于一个小型爆破效果，将表面氧化铁皮进一步剥离母体。

④高压喷嘴和钢材母体具有一定的倾斜角度，因此强大的扇形水束能够充分冲刷已经松动的表面氧化铁皮。

1.4 高压水除磷系统核心组成部分的功用

1.4.1 自清洗过滤器

低压浊环水的水质不能满足除磷泵系统用水要求，设置自清洗过滤器，可以除去水中的悬浮物、颗粒及其他杂质，以保证泵的流量、压力的稳定，减少泵、喷嘴及管路系统的磨损，提高除磷系统的使用寿命。

1.4.2 高压除磷泵

高压除磷泵为除磷系统的关键设备，他将电能转换为机械能再转换为液压势能，最后由液压势能转换为动能，打击在钢坯表面上进行除磷。

1.4.3 蓄能器

它在高压管路系统中能够起到储存液压势能、调节能量、均衡压力、缓冲系统的震荡、减少泵的输出流量、降低功率损耗、减少系统发热、防止水锤发生等作用。柳钢热轧厂高压除磷系统使用的是直接接触式充气蓄能器，就是蓄能器中上部分充满气体下部分充满液体，气体和液体直接接触，当系统压力高于气体压力时，气体被压缩，吸收能量，缓冲系统的压力和流量脉动，液面上升；当系统压力低于气体压力时，气体膨胀，释放能量，缓冲系统的压力和流量脉动，液面下降，气体如此周而复始压缩和膨胀，吸收和释放能量，吸收系统的压力和流量脉动，使系统运行尽量趋于平稳。

1.4.4 高压空压机

高压空压机主要是用来向蓄能器中补充高压压缩空气，保持蓄能器使用压力均衡，以维持高压水系统的稳定顺行。

1.4.5 最小流量阀

主要用来保护高压除磷泵，在喷射阀关闭后，蓄能器补水完毕时，系统不需要水量，此时又不能关闭除磷泵（因为除磷喷射周期短，大电机不能频繁的启停）除磷泵无流量输出时，就会发热，在泵的出口设置一个最小流量阀，自动开启排放一部分水，通过节流孔板来调节流量的大小，让除磷泵输出一定的水量，通过最小流量阀带走一部分热量。电机在除磷泵小流量输出时，功率会大大降低，这样就可以保持系统的平衡。

1.4.6 最低液面阀

设置在蓄能器与高压管路之间，根据蓄能器的液面及系统的压力自动控制最低液面阀的开闭，保证蓄能器里的液面在设定值，严禁空气进入高压管路系统，在阀关闭时，它又相当于一个单向阀，外面的水可以进入蓄能器，里面的水又不能出来，这样能有效防止跑水，进而造成跑气。

1.4.7 喷射阀

设置在除磷点之前，主要用来开启和关闭高压水，控制高压除磷集管和喷嘴的喷射和停止，在喷射阀前设置有一个高压的电动闸阀，用来作为日常的检修阀和安全阀使用。

1.5 柳钢热轧厂高压水除磷系统的启动与控制

1.5.1 系统的启动

系统初次开始运行时，在除磷泵启动前，关闭喷射阀，最小流量阀，打开泵的出口高压电动输出阀，最低液面阀，先向蓄能器加水到设定液位时，停止加水，关闭最低液面阀和泵出口输出阀，手动启动高压空压机，向蓄能器中补气，使蓄能器内压力达到设定的压力后，停止空压机。高压管路进行充分排气后，打开最小流量阀，启动除磷泵，整个系统就可以进入自动运行状态。

1.5.2 蓄能器的控制

若蓄能器的液位到达最低设定值时，高压液位计会传出信号给控制系统，控制系统自动关闭最低液面阀，以防止高压气体窜入管路系统，此时最低液面阀有单向阀的功能，即高压水只能进入蓄能器；当蓄能器水位恢复到正常状态时，最低液面阀恢复正常状态；若蓄能器的液位达到最高设定值且压力值达到规定范围下限时，控制系统自动启动空压机向蓄能器补气。在蓄能器上设有安全阀，以防止误操作而造成除磷系统超压现象的发生，保障系统的安全运行。

1.5.3 系统除磷

当钢坯到达除磷箱，系统自动打开喷射阀，除磷泵和蓄能器同时供水除磷，除磷完毕，喷射阀自动关闭，泵向蓄能器补水，蓄能器的压力到泵的关死压力，泵无流量输出，蓄能器补水完毕。

在除磷泵向蓄能器补水完毕后，泵运行过程中会产生一定的热量，当温度升高到设定值时，系统自动打开除磷泵的最小流量阀，排放掉一定流量的水，带走部分热量，可以降低除磷泵泵体温度，当温度低于一定值时，系统又自动关闭最小流量阀，此时电机耗费功率最小，可以大大节约电能，由于最小流量阀的后面设置有节流孔板及扩散管，即使最小流量阀打开，泵的排量也不大，因此合理的设计和控制除磷泵的壳体温度，调节排放量，既能节约电费，又能延长除磷泵的使用寿命。

1.6 主要核心部件常遇到的问题及解决方案

1.6.1 蓄能器

蓄能器的水位发生异常变化，可能的原因有：连续多点除磷时间过久、蓄能器压缩空气压力不足未及时开启高压空压机补气、磁浮子液位计故障。主要解决方法有：严格按操作规程操作、日常注意点检及时补气、对液位计进行检修维护。

1.6.2 除磷泵壳

除磷泵壳体温度异常报故障，主要原因有以下几个方面：最小流量阀动作异常、最小流量阀手动阀未打开、节流孔堵塞、定时器调整出现偏差、除磷泵异常。主要解决方法有：检查最小流量阀阀体或者更换新阀、打开手动控制阀、对节流装置进行定期清理和定期更换、设置定时器到30 s、对除磷泵进行专业检查。

1.6.3 除磷管路

除磷管路振动大，主要原因是：除磷过程中喷射阀频繁关闭打开，原本高速流动的除磷水突然堵塞，动能转换为弹性势能，造成管道震动，久而久之，造成各种螺栓松动，高压管道开裂，轻者耽误工期，减少产量，重者造成人员伤亡。当管道的阀门进行频繁开启和关闭时，管道中的液体压力发生剧烈的变化进行阻尼运动。这也是水锤的工作原理，会带来巨大的噪声和震动。当阀门突然打开时，压力骤降，压力过低时，水分蒸发，发生气穴现象，也会影响除磷的效果。

因此，我们利用大修时间对高压除磷水管道进行了加固，在管道经过的地方注浇混凝土，并且用35 mm厚的预埋钢板，降低高压水管道的中心，管夹支撑部分直接焊在钢板上，并且在管道和支撑架之间垫上10 mm厚的橡胶垫片减震。在焊接好的支撑架上用400 mm×300 mm×20 mm的钢板焊接再次固定。由于进行了加固，高压管道运行畅通，冲击力明显减小，噪声也相对变小，既增加了效益，又保证了工作人员的人身安全。

2 高压水除磷系统在柳钢热连轧生产线上的创新使用

柳钢热轧厂高压水除磷主电机型号：YKS 3150-2/1180、额定功率：3 150 kW；额定转速：2 985 r/min；电压：10 kV；额定电流：206 A；频率：50 Hz。

由于高压水除磷系统使用频率高，间隔时间短，而大型的电机又不能频繁的开关，所以除磷泵的电机一直处于高速运转状态，而空转时又会产生大量的热能，为了降温最小流量阀需要不断的排水，因此浪费了大量的电力，同时也大大增加了用水量，因此吨钢能耗成本增加，对柳钢热轧厂的效益造成了较大的损失。所以对柳钢高压水除磷系统进行节能创新显得十分必要。

采用变频器控制系统，对高压水主电机使用频率进行动态调整。在确保现场生产时各除磷集管上压力都能高于18 MPa的条件情况下，尽量降低主电机使用频率，根据蓄能器中压力大小和液面位置来进行连锁控制，从而调整高压离心泵的使用频率和实时转速，一般最低可将主电机的使用频率从50 Hz降低到38 Hz左右。通过变频器的调节，原本高能耗的离心泵转速大幅降低，可以大大减少能耗。

对于最小流量阀的实时排水问题，热轧厂对最小流量阀排出的冷却余水进行了集中回收过滤、再处理、之后重新进入低压浊环水系统回收利用，节约水耗。

针对柳钢热轧厂现场生产情况，厂部和车间特别制定了高压水除磷系统管理考核规定，其中最主要的一条是：如果生产现场出现停轧情况，在确定停轧时间可能会超过1 h的情况下，由调度安排值班钳工及时关闭高压除磷系统；如果现场停轧时间预估在1 h以内，就要求操作工将变频降速投到最低门槛。这样实施以来，高压水除磷系统的能耗得到了大幅降低，为柳钢热轧厂的优质增效和降成本工作起到了很好的效果。

3 结 语

柳钢热轧厂高压水除磷系统投产使用已有10 a之久，在10 a的使用中通过不断的设备改进、工艺创新、程序优化升级，现在运行已经越来越稳定可靠。但是由于其高压力、大流量、高耗能的特殊性质，在使用时常常需要注意很多问题，同时也需要在后续的生产中不断的探索和创新。

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