循环水系统在水平连铸炉中的应用及改进

2022-02-01刘羽飞胡斐斐

铜业工程 2022年6期

刘宇，刘羽飞，胡斐斐

（江西铜业集团铜板带有限公司，江西南昌 330096）

1 引言

循环水系统在水平连铸炉组的应用研究已经日渐成熟，循环水的温度、压力、清洁度对产品质量有较大影响［1-2］。稳定的循环水温度可确保均匀的冷却强度，保证产品稳定性［3-4］。保持循环水的高清洁度可使循环水管道及结晶器不易结垢，从而提高热交换效率，有效降低带坯出口的温度［5-7］。足够的压力能确保炉组冷却效率，提高设备的安全性能。在循环水达到上述要求，满足生产的前提下，应尽可能降低能耗，来提高企业效益［8-9］。本文将从以上几个方面，对循环水系统进行进一步优化改进［10］。

2 概述

2.1 设备概述

循环水系统包含供水设备、冷却设备和水处理设备。供水设备有循环水泵、高压水泵、回水泵，其中循环水泵为二用一备，高压水泵为一用一备，回水泵为一用二备。冷却设备是三台冷却塔，水处理设备包括两台自清洗装置和一套纤维球过滤器，自清洗装置安装于循环水泵和高压水泵后端的管道上，利用纤维球过滤器将冷水池的冷水进行循环过滤。

2.2 系统流程概述

如图1 所示，循环冷却水从冷水池流出后分为两路：一条经冷水泵加压后送至水平连铸炉的线圈、水套及二次冷却使用，下简称低压水；另一条经高压泵加压后送至水平连铸炉的结晶器使用，下文简称高压水。

图1 循环水系统流程图

2.3 循环水系统在水平连铸炉中的应用

低压水根据冷却部位的不同分为线圈水套冷却水和铸坯冷却水。连铸炉的下炉体由炉料、水冷套、线圈、铁芯组成，其中水冷套和线圈在工作时会产生大量热量，需要通水冷却，防止过烧损坏。铸坯冷却水用来将引拉出来的铸坯降至常温，防止温度传导给设备，造成设备损坏。

高压水用于结晶器冷却。结晶器的作用是将铜溶液降温，凝固成一定形状的铸坯。结晶器使用高压水，是为了快速带走热量，但快速冷却导致铸坯收缩过快，容易产生裂纹；冷却速度过慢，则又导致晶粒粗大，影响产品质量。因此，铸坯生产过程中结晶器冷却水保持压力温度恒定，是保证产品质量的关键因素。经过摸索，发现结晶器进水压力为0.8MPa、温度在25～30℃之间时，产品质量最好。因此，改造的首要任务就是将循环水温、水压控制在这一范围内。

3 循环水系统改进

3.1 增加高压水溢流管道

由于高压水只用于炉组结晶器使用，用水点较少，当几条生产线同时处理更换结晶器时，用水点全部关闭，会造成高压泵憋压，容易损坏水泵。因此我们在高压水泵后增加一根溢流管，通过调节溢流管上的阀门开口度和水泵后的阀门开口度，控制水压到水平连铸炉组生产需要的范围，同时达到防止水泵憋压的目的。

3.2 安装自动控温装置

结晶器理想供水温度为25～30℃之间。冷水池水温是通过调节冷却塔的流量和冷却风机的开关来控制的，由于夏季与冬季的温差较大，依靠人工调节既不方便也不及时。为了改变这一局面，我们在循环水供水管道上安装一支电接点温度表，温度表与控制冷却风机的电路相关联，并设定好上下限，温度升至上限时，自动开启冷却风机，温度降至下限时，关闭冷却风机，这在一定程度上达到了自动控温的目的。

3.3 低压循环水系统恒压改造

循环水泵按照设计为两用一备。实际运行时，若只开一台循环泵，供水压力和流量无法满足生产需要，生产设备用水得不到保证。若开启两台，供水量大大超过用水量，造成资源浪费。在满足生产的前提下，我们引进已广泛用于供水系统的变频调速技术，来降低供水能耗。

供水系统由1#、2#和3#循环水泵及相应的管路及阀门组成，设计运行方式为两用一备，管网分布如图2 所示。

图2 变频供水系统装置示意图

当供水设备开始供电，变频器输出给其中一台水泵电机，管网水压达到设定值，变频器的输出频率稳定在某一频率上。压力变送器获得的压力信号送入PLC 系统的模拟量输入模块，PLC 中的控制程序根据给定量和压力信号进行PID 运算，输出一个模拟信号给变频器。

当管网压力不足时，变频器输出频率增大，水泵转速加快，供水量增加，使管网压力上升，达到使用要求。如果用水量增加较多，变频器的输出频率达到最大值仍不能满足使用要求，则变频器将变频运行的水泵电机切换为工频直接供电运行，再用变频器启动另一台泵进入变频运行方式，自动调节输出频率，直至管网压力和设定值一致。

当用水量减少，管网压力升高，变频器输出频率降低，泵电机转速下降，维持管网保持相对稳定的压力。当用水量大幅降低，即使变频器输出频率降至最低设定值，管网压力依然过高，此时，PLC控制关闭一台工频供电水泵，同时调节变频器输出，直至管网压力与设置值一致。

经过变频改造后，有效降低了水泵的无功功率。经测算，改造前两台水泵运行功率为260kW，改造后两台水泵运行功率为240kW，由此每年可节约用电17.5 万千瓦时。

3.4 增加管道除垢防垢器

水在管道内不停地循环，钙镁离子等含量会越来越高，长时间使用会造成管道结垢。水垢的导热系数不到一般金属的百分之一，每1mm 厚的水垢可造成约5%能耗的增加。同时，管道产生水垢后，流量变小，影响结晶器冷却效率，使得产品质量随之降低。

除垢防垢器采用一种由铜、锌、镍等十多种金属组成的特殊合金材料。这种合金材料与水接触后形成大量的微小原电池。在原电池化学反应的作用下，可以提高碳酸钙的溶解度，抑制碳酸钙晶核的形成和长大。循环水经除垢防垢处理后，流体中析出的碳酸盐一般都以较为松散、不易粘结的亚稳态晶体形式存在，这种亚稳态晶体易被流体带走，从而起到阻垢防垢的作用。同时流体经过除垢防垢器时会发生碰撞、摩擦和冲刷，在紊流状态下使溶液中的固态颗粒在一定时间和距离内始终处于悬浮分散状态，避免污垢物在管道中沉积。

除垢防垢器中的合金材料作为一种特殊的催化体，可以改变溶剂、溶质的活度，从而使流体中各种物质分子、离子之间结合的物理化学条件发生改变，有效抑制垢、藻、腐蚀的形成，并使已结晶附着在管壁上的陈垢逐步消溶脱落。

4 水温控制方法

冷却强度是水平连铸炉组生产铸坯的关键因素之一。冷却强度与水压、流量、水温有着密切的关系。快速准确地将水温控制在工艺范围内，是保障水平连铸生产高质量运行需要解决的重要问题。

4.1 调整冷却风机功率

除了控制冷却塔的启停，还可以通过调整冷却风机功率来调节水温。冷却塔是通过热水泵将热水池的热水供至冷却塔上方，再从管道喷出，通过下方填充的冷却塔填料来进行热交换；同时也可开启冷却风机，通过增加空气流速提高换热效率。我们除了可以控制冷却风机的启停外，还可以通过调整冷却风机的叶片角度，来提高风机旋转时产生的风力，以此达到加快热交换的目的。但调整叶片角度后，电机负荷增加，相应的能耗也会增加。

4.2 增大冷却塔循环量

热水池的水除一部分供至冷却塔冷却外，另一部分直接通过旁通管回流至水池。在冬季外部温度较低时，可通过调整进入冷却塔的水流量来达到控制循环水池温度的目的。若循环水全部经过冷却塔还不能满足要求，可增加循环水系统的循环量，打开管道末端水点，通过增加经过冷却塔的水流量，进一步提高冷却效率。

4.3 补充新水

循环水系统采用市政供水管道补水。由于市政供水管道一般都埋在地下，新水的温度要比循环水温度低很多。在夏季水温居高不下时，也可通过补充新水的方式达到降低水温的效果。

5 供水安全的保障

鉴于循环水对于水平连铸炉组的重要性，我们在循环水系统设计了一座安全水塔，并从水塔中引出一根安全水水管与循环水管道交汇，以确保在停电等突发状况时的稳定供水和安全生产。

如图3 所示，在循环水水泵与安全水塔管道上加装一个闸阀和单向阀，当水泵正常供水时，循环水压约为0.5MPa，水塔水压约为0.4MPa，这时循环水压大于安全水压。打开循环水供水管路上的单向阀，压差使右侧单向阀关闭，此时使用的是水泵供水。当水泵出现故障时，循环水供水管路上的压力降低，当压力低于安全水塔水压时，安全水管路上的单向阀打开，此时安全水就能供给到炉组，保障炉组生产，避免事故的发生。