蒸发式空冷器在连铸机上的应用分析＊

郭春梅

（厦门海洋职业技术学院，福建 厦门 361100）

0 引言

钢铁工业是我国国民经济的支柱产业，是体现国民经济发展水平和国家综合实力的重要标志。我国的钢铁产量居全球第一，随着钢铁工业大型化、自动化、连续化、机械化程度的提高，炼钢钢水的铸坯工艺从20 世纪90 年代采用的简单、低效、高危、高耗能的固定模铸锭方式，转变到高速、高效、安全、节能的连铸机生产方式。由于国外技术封锁，国内企业相关人员只能自行研究开发连铸机设备。为进一步提升连铸机高效、节能、节水的能力，对连铸机重要部件——结晶器的循环水冷却系统进行攻关和国产化替代。连铸机结晶器在连铸过程中，受钢水的冲击和长期处在高温环境下作业，机体产生大量热能，为保证连铸机在高温状况下正常、安全地运行，需要冷却水不断地对壳体进行冷却处理。由此可见，高效安全的冷却水系统对连铸机正常生产十分重要。冷却水系统的主要换热设备是各种空冷器。从国内外的发展经验看，冷却水系统有一个发展的过程，从开式循环水系统发展到闭式循环水系统，闭式循环水系统又从板式换热器发展到蒸发空冷器。目前，工业生产中常用的设备冷却方式包括风冷（干空气冷却）、水冷和油冷。各种冷却技术对机器温度的调节有不同的影响，对产品的生产过程也有不同的作用。其中，风冷采用可循环空气作为冷却介质，其冷却效果受环境因素影响较大；水冷是工业设备温度控制中散热效果较好的冷却方式，冷却能力强，但耗水量大；油冷的运行成本则是3种冷却方式中最高的。随着经济的快速发展，水资源短缺和污染问题日益严重，我国于2022 年6 月发布了《工业能效提升计划》，明确指出要大力推广节能提效的工艺技术装备。因此，开发高效、节能、节水、环保的新型冷却系统和设备势在必行。蒸发式空气冷却器改变了传统的水冷却和干空气冷却的单一模式，综合水冷与风冷的优点，利用换热管表面水膜蒸发相变的潜热传递机制，具有闭合循环路径短、所需传热温差小、冷却能力强、结构紧凑、节能节水等优点［1］。本文通过对某厂蒸发式空冷器在连铸机上的实际应用案例进行分析，进一步阐述其特点，通过智能化地计算空冷器的各项参数，提高设计的效率和准确性，为蒸发式空冷器的设计制造和推广使用提供参考。

1 蒸发式空冷器结构及工作原理

蒸发式空冷器的结构如图1所示，其工作原理是将水箱中的循环冷却水，利用水泵输送至喷淋器，喷淋器将冷却水喷射到下方的换热管表面，使换热管（或换热板片）表面形成连续均匀的薄水膜，同时利用风机从进风格栅窗口吸入空气，空气自下而上流动，横扫水平放置的换热板片或换热管，使管子外表面的水膜蒸发，强化管外传热［2-3］。管外的热传递不仅依赖于水膜和气流之间的显热传递［4］，还依赖于换热管表面水膜的快速蒸发，蒸发过程吸收大量的热量并加速了换热管外的传热。热交换管外表面水膜的蒸发增加了通过管束的空气湿度，使空气湿度接近饱和。风机从管束中抽取饱和湿空气，使其通过位于喷雾器上方的除雾器，去除饱和湿空气携带的水滴，除去水滴后的热空气从风扇出口排放到大气中。由于风机的向上气流在风机下方形成负压空间，加速了换热管外表面水膜的蒸发速度，有利于加速管外的传热。在表面蒸发空气冷却器中，冷却后的软水在管束内水平流动，冷却水在管束外自上而下喷射。空气自下而上流动，在冷却水、空气和被冷却的软水之间形成交叉流。冷却水和空气呈逆流，从工艺布局上提升了传热和传质过程的效率。

图1 蒸发式空冷器结构简图

从结构角度看，蒸发式空冷器最大的特点是冷却塔和板式换热器（列板式水冷却器）的集成，替代了单独循环水冷却系统，减少了设备占地面积。此外，蒸发式空冷器使用热交换管束作为传热管，提高了热交换效果；并且，由于蒸发式空冷器中使用了光管束，使空气阻力降低，因此所需风量较小［5-6］。此外，冷却水在设备中循环使用，降低了蒸发消耗，使设备更加节水，降低了运行成本。基于上述优点，蒸发式空冷器被广泛应用于工业机械的冷却中。

2 空冷器在连铸机上的作用

钢铁冶金技术正朝着高效、优质、低消耗与低排放的方向发展，其中的连铸技术在当代钢铁工业发展中占据重要地位。连铸技术作为钢铁生产过程中承上启下的关键环节，不仅要保证钢铁质量、提高成材率及附加值，还要节能增效。

2.1 连铸机概况

连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进铸造技术，连续铸钢的铸造工艺过程是将熔化的金属不断浇入结晶器中，利用水不断地冷却结晶器，金属凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却凝固后切成坯料。通过连续铸钢工艺，可获得任意长度的铸件。连铸机结构（如图2 所示）由钢水包、回转塔、中间罐、结晶器、冷却喷嘴、电磁感应搅拌器、支撑导辊、引锭杆、火焰切割器等部件组成，连铸技术的发展应用改变了我国金属材料生产低效率、高消耗的现状，连铸机钢坯可以实现直接装炉轧制，不仅提高了钢铁的综合成材率和铸坯质量［7］，还节约能源，利于实现机械自动化，适用于板坯宽厚比大的钢坯铸造。

图2 板坯连铸流程图［7］

2.2 空冷器在连铸机中的作用

结晶器是连铸机的重要部件，被称为连铸设备的“心脏”，是一种钢水制冷成型设备［4-5］，由框架、水箱和铜板（背板与铜板）、调整系统（调整装置）、减速机、润滑系统（油管油路）、冷却系统和喷淋等设备组成［8］。结晶器使钢液逐渐凝固成所需规格、形状的坯壳，结晶器的振动使坯壳脱离结晶器壁而不被拉断和漏钢，通过调整结晶器的参数，可避免铸坯产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷［9］。因此，在连铸过程中，对钢水温度参数的控制要求严格，温度过高或过低都会影响铸坯质量和生产安全性。

为保证连铸机的主要部件结晶器在高温下正常工作，利用软水对结晶器进行冷却，软水升温后经过蒸发空冷器冷却降温。连铸机结晶器软水的回水通过管道输送到蒸发空冷器冷却后，由水泵增压至连铸结晶器，采用闭路循环的方式使用软水。根据2 300 mm板坯连铸机生产的实际状况，要求软水进入结晶器时的水温为38 ℃，出口水温为48 ℃。软水进入空冷器，通过空冷器冷却到38 ℃后再进入结晶器，不断闭路循环，达到冷却和节水效果（如图3所示）。

图3 连铸结晶器+蒸发空冷器运行示意图

3 应用案例分析

本文以某厂2 300 mm 板坯连铸机为例，分析蒸发式空冷器在连铸机上的应用。某厂项目建设地区现场工况条件如下：①气象条件，干球温度为34 ℃，湿球温度为27.8 ℃，相对湿度为67%。②电源条件，供电电源为380 V，控制电压为220 VAC。

3.1 工艺参数设计

（1）适用冷却介质：软水闭路循环系统（软水密闭循环系统喷淋水质要求见表1，蒸发式空冷器软水系统水质条件见表2）。

表1 软水密闭循环系统喷淋水质要求

表2 蒸发式空冷器软水系统水质条件

（2）总循环水量：1 500 m3/h。

（3）工作介质：软化水；介质进口温度为48 ℃，介质出口温度为38 ℃；设计压力为1.0 MPa。

（4）安装地点：设备安装在软水密闭循环泵站房屋顶；布置方式为并联布置，间距≥1.5 m。

3.2 工艺参数计算

根据该装置现场安装位置的实际情况，初选空冷器结构尺寸为9 m（长）×3 m（宽），软水经过空冷器的总换热量Qr计算公式如下［10］：

其中：c为介质的比热容；m为介质的质量流量；Δt为介质的进出口温差。空冷器交换热量也可以表示如下：

其中：K为传热系数，A为换热面积，Δtm为管内流体与管外流体的平均传热温差。根据热平衡方程：K×A×Δtm=c×m×Δt求出换热面积，再根据2 300 mm 板坯连铸机现场工艺条件，按照空冷器设计标准设置初选空冷器的结构参数。设置空冷器软水进水温度为48 ℃、出水温度为38 ℃，介质处理量为1 500 m3/h；空气温度、相对湿度及风量则根据当前情况设置。将空冷器在连铸机生产线上需要的工艺参数代入空冷器整体模拟智能估算系统（如图4所示），计算出单套空冷器管径、管束数量、喷淋水进水温度、流量等各项参数（见表3）。

表3 仿真计算结果

图4 空冷器仿真设计软件主界面

综上所述：①采用5 台规格为9×3 型的蒸发式空冷器，每台蒸发式空冷器安装风机3 台；蒸发式空冷器单台设备处理量为335 m3/h。②软水进口温度为48 ℃；出口温度为38 ℃。③喷淋水供水方式为集中供水，喷淋水供水压力为0.15～0.30 MPa，5台蒸发式空冷器喷淋水总流量为750 m3/h。④设备能耗为45 kW（风机3 台×15 kW/台），设计压力小于等于1.0 MPa。通过现场反馈，采用以上参数，可以满足连铸机的工艺要求。

4 结语

在连铸机上采用蒸发式空冷器循环降温，保证了连铸机主要工作部件的正常工作，可提高结晶器的使用寿命，降低设备维修成本，并提高连铸板坯的质量和钢材的成材率，达到节能增效的目的。综合考虑现场工艺条件，采用空冷器智能估算系统计算空冷器的参数，可解决传统设计方法中公式多、图表多、凭经验选型的问题，节约计算时间和人工成本，缩短空冷器产品的研发周期，提高设计的准确性和效率，使空冷器冷却效果得到保证。通过现场反馈，空冷器在板坯连铸机上的使用效果良好。在当今水资源紧张的情况下，大力发展节能技术装备前景可观，蒸发式空冷器综合了冷却塔和板式换热器的优点，结构紧凑，所需传热温差小，降温能力强，由于是密闭循环，节能、节水的优势尤为突出，适合在工业生产中推广应用。