電渣爐冷卻水系統(tǒng)的發(fā)展

蘇龍丹，王 昭，董君偉

(東北大學(xué) 材料先進(jìn)制備技術(shù)工程研究中心，沈陽(yáng) 110006)

電渣爐冷卻水系統(tǒng)的發(fā)展

蘇龍丹，王 昭，董君偉

(東北大學(xué) 材料先進(jìn)制備技術(shù)工程研究中心，沈陽(yáng) 110006)

本文從冷卻水系統(tǒng)的水量、水質(zhì)、水溫等幾個(gè)方面分析了其對(duì)設(shè)備使用壽命和鋼錠凝固質(zhì)量的影響，并對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種電渣爐循環(huán)水系統(tǒng)形式進(jìn)行了比較，得出帶熱交換器的雙重冷卻水系統(tǒng)是目前最為科學(xué)的，此種冷卻水系統(tǒng)可以保證設(shè)備使用壽命和鋼錠的凝固質(zhì)量.

冷卻水系統(tǒng);電渣爐;冷卻塔;敞開(kāi)式;封閉式

隨著電渣重熔技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電渣爐冷卻水系統(tǒng)也越來(lái)越受關(guān)注.

冷卻水系統(tǒng)水量不夠會(huì)造成主體設(shè)備損壞或引起安全事故，如電纜冷卻水不足時(shí)，隨著導(dǎo)線溫度的升高導(dǎo)線電阻也增加，直接導(dǎo)致重熔電耗的增加;結(jié)晶器和底水箱水量不足時(shí)，結(jié)晶器和底水箱銅板溫度升高，會(huì)因變形影響設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)爆炸等事故.

水質(zhì)的影響也很重要，循環(huán)水中CaO和MgO含量較大時(shí)(硬度大于200 mg/L)易產(chǎn)生污垢沉積于傳熱面上，影響正常傳熱，使傳熱效率下降，冷卻水系統(tǒng)能耗增加.如1.5 mmCaCO3垢將增加10%～20%冷卻水系統(tǒng)能耗，12 mm污垢將增加70%左右的冷卻水系統(tǒng)能耗，25 mm污垢將設(shè)備效率下降95%，污垢還會(huì)引起間接腐蝕、滋生微生物和造成輸水困難.當(dāng)循環(huán)水中進(jìn)水水溫大于55℃，冷卻水中鈣鎂離子更易于生成水垢.

電渣爐冷卻水系統(tǒng)的冷卻形式、水質(zhì)、水溫等因素直接影響到設(shè)備使用壽命和鋼錠質(zhì)量.因此，對(duì)于電渣爐冷卻水系統(tǒng)必須給予足夠的重視.

1 目前國(guó)內(nèi)電渣爐冷卻水的形式

電渣爐冷卻水系統(tǒng)主要有4種形式:直排式、帶冷卻塔的敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)、帶冷卻塔的封閉式循環(huán)水系統(tǒng)、帶熱交換器的循環(huán)水系統(tǒng).

1.1 直排式冷卻水系統(tǒng)

電渣爐冷卻水系統(tǒng)最初采用直流式即直排式冷卻水系統(tǒng).在直排式冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水僅通過(guò)需冷卻部件一次后就被排放掉了.此種方法投資少、操作簡(jiǎn)便，但其水質(zhì)難保證，用水量大，運(yùn)行費(fèi)用高，不能滿足工藝對(duì)水質(zhì)的要求，也不符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的要求.隨著國(guó)家管制加強(qiáng)和工藝方面對(duì)水質(zhì)越來(lái)越嚴(yán)格的要求，直流式冷卻水方式已經(jīng)逐漸被淘汰.

1.2 帶冷卻塔的敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)

帶冷卻塔的敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)通常也叫做無(wú)壓回水系統(tǒng)，這是一種最簡(jiǎn)單冷卻水系統(tǒng)，即循環(huán)水經(jīng)結(jié)晶器、底水箱等需冷卻的部件后直接排入一個(gè)敞開(kāi)的回水槽中，再?gòu)幕厮壑幸揽恐亓α骰氐綇S區(qū)冷水池中.此系統(tǒng)主要由冷水池、泵站、分水器、需冷卻部件、回水槽、開(kāi)式冷卻塔等構(gòu)成，其原理圖如圖1所示.一般應(yīng)用此種水循環(huán)系統(tǒng)均為噸位較小的爐子，在國(guó)內(nèi)民營(yíng)企業(yè)應(yīng)用比較普遍.

圖1 帶冷卻塔的敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)Fig.1 Unlimited cooling water with cooling tower

該系統(tǒng)中水源主要來(lái)自未經(jīng)任何處理的河水或地下水，水質(zhì)較差，主要是硬度較高，懸浮物含量和溶解性固體含量超標(biāo).其主要特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、水源成本低、檢測(cè)元件較少(只檢測(cè)底水箱和結(jié)晶器回水溫度即可).整個(gè)水系統(tǒng)水壓較低，對(duì)設(shè)備主體耐壓要求低(結(jié)晶器底水箱除外)，需冷卻部件的各個(gè)冷卻水支路回水易于觀察，一次性投資費(fèi)用少.其主要缺點(diǎn)是冷卻效率低;因灰塵、污物容易進(jìn)入系統(tǒng)中造成排污量大，維護(hù)周期短，維護(hù)費(fèi)用較高;因冷卻水在循環(huán)過(guò)程中要與空氣接觸，部分冷卻水會(huì)被蒸發(fā)損失掉，造成水中各種礦物質(zhì)和離子含量也會(huì)不斷濃縮增大，補(bǔ)給水量大;因其冷卻效率低，影響渣殼形成，影響鋼錠凝固質(zhì)量.

1.3 帶冷卻塔的封閉式循環(huán)水系統(tǒng)

帶冷卻塔的封閉式循環(huán)水系統(tǒng)是指循環(huán)水不與空氣直接接觸，冷卻水經(jīng)水泵組，分水器，在密閉條件下到達(dá)需冷卻部件并在密閉條件下返回閉式冷卻塔，而在閉式冷卻塔中經(jīng)換熱降溫后再循環(huán)使用.帶冷卻塔的封閉式循環(huán)水系統(tǒng)主要由水池、水泵組、需冷卻部件、分集水器、密閉式冷卻塔等構(gòu)成.其水系統(tǒng)原理如圖2所示.

此系統(tǒng)須使用含鹽量很低的軟水或純水等水質(zhì)較好的水源，要求其各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均能保持在工業(yè)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)范圍內(nèi).帶冷卻塔的封閉式循環(huán)水系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是其主要設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、密封性較好、補(bǔ)充水量少(或基本不補(bǔ)充水).另外，水中各礦物質(zhì)和離子含量一般不發(fā)生變化，水質(zhì)能較好保持，受污染機(jī)會(huì)少，排污量少(或基本不排污);水質(zhì)處理方法比較簡(jiǎn)單;維護(hù)周期長(zhǎng)，維護(hù)較容易.其主要缺點(diǎn)是由于此系統(tǒng)是密閉空間，必須帶壓回水才能保證能回至閉式冷卻塔中;一次性投資較大，能耗高;日常維護(hù)費(fèi)用較高，整個(gè)冷卻水系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)較好的冷卻水水量需求量大，水源成本高;需冷卻部件的各個(gè)冷卻水支路回水必須單獨(dú)設(shè)置流量檢測(cè)裝置，以便對(duì)各個(gè)回水支路回水情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止無(wú)回水或回水量不足情況發(fā)生.

在帶冷卻塔的封閉式循環(huán)水系統(tǒng)中，因其水質(zhì)較好，冷卻水能為保證較高的冷卻效率提供必要條件，間接保證渣殼形成，保證鋼錠的表面質(zhì)量和凝固質(zhì)量.

1.4 帶熱交換器的雙重冷卻水系統(tǒng)

帶熱交換器的雙重冷卻水系統(tǒng)指內(nèi)部冷卻水升溫后不與大氣直接接觸，而在換熱器中經(jīng)由外部冷卻水換熱降溫后再回用.外部循環(huán)冷卻水經(jīng)開(kāi)式冷卻塔冷卻后回用.此系統(tǒng)由相對(duì)獨(dú)立的內(nèi)水循環(huán)和外水循環(huán)通過(guò)熱交換器聯(lián)系起來(lái)，內(nèi)水系統(tǒng)能在保證水質(zhì)條件下盡量使內(nèi)水系統(tǒng)最小化;外水系統(tǒng)通過(guò)使用開(kāi)式冷卻塔提高其系統(tǒng)冷卻效率.系統(tǒng)主要由內(nèi)水泵組、熱交換器(內(nèi)水水箱)、需冷卻部件、分集水器、外水泵組、開(kāi)式冷卻塔、水池等構(gòu)成，其原理如圖3所示.

圖2 帶冷卻塔的封閉式循環(huán)水系統(tǒng)Fig.2 Limited cooling water with cooling tower

圖3 帶熱交換器的雙重冷卻水系統(tǒng)Fig.3 Double cooling water with heater exchanger

帶熱交換器的雙重冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)是，內(nèi)水和外水相對(duì)獨(dú)立，不發(fā)生直接接觸，因此內(nèi)水可根據(jù)工藝需要采用水質(zhì)較好的軟水或純水，外水可以使用工業(yè)清水或自來(lái)水等水質(zhì)相對(duì)較差的冷卻水，既可以滿足工藝對(duì)水質(zhì)方面要求又盡量縮小內(nèi)水供給范圍，節(jié)約成本.內(nèi)水系統(tǒng)水質(zhì)能較好保持;排污量少;補(bǔ)充水量少;冷卻效率高;維護(hù)周期長(zhǎng);投資費(fèi)用相對(duì)與前兩種方式，介于兩者之間，能耗也介于兩者之間.缺點(diǎn)是設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，維護(hù)較繁瑣，各冷卻回路應(yīng)單獨(dú)設(shè)置流量或溫度檢測(cè)裝置.

2 國(guó)外較先進(jìn)的冷卻水形式

目前國(guó)外能夠生產(chǎn)制做電渣爐設(shè)計(jì)的企業(yè)主要有美國(guó)康薩克公司、奧地利因泰克公司、德國(guó)ALD公司、烏克蘭巴頓電焊研究所等，其水系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式基本都是帶熱交換器的雙重冷卻水系統(tǒng)，只不過(guò)具體爐型相應(yīng)有所改進(jìn)和提高，我們可以從這幾家的冷卻水系統(tǒng)原理中得到驗(yàn)證.

圖4 因泰克水系統(tǒng)原理圖Fig.4 Cooling water schematic of INTECO

圖5 ALD水系統(tǒng)原理圖Fig.5 Cooling water schematic of ALD

由圖4，圖5我們可以看出，因泰克和ALD設(shè)計(jì)的電渣爐冷卻水系統(tǒng)基本是帶熱交換器的雙重冷卻水系統(tǒng)形式.ALD的水系統(tǒng)內(nèi)部冷卻水從水箱經(jīng)泵組到換熱器，再?gòu)脑O(shè)備回到水箱里;外部冷卻水經(jīng)冷卻塔冷卻回用.水箱帶有加熱自動(dòng)補(bǔ)水等功能，通過(guò)檢測(cè)內(nèi)冷卻水經(jīng)換熱器后的水溫，調(diào)節(jié)外部冷卻水水量，進(jìn)一步保證內(nèi)部循環(huán)水水溫恒定.因泰克的水系統(tǒng)內(nèi)部冷卻水從水箱經(jīng)泵組到設(shè)備，冷卻水再進(jìn)入換熱器被降溫后回至水箱.因泰克通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入換熱器的冷卻水流量進(jìn)而保證水溫恒定.另外，因泰克設(shè)計(jì)的水系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)充水水質(zhì)也進(jìn)行處理，以保證整個(gè)系統(tǒng)水質(zhì)基本不變.

ALD和因泰克設(shè)計(jì)的電渣爐冷卻水系統(tǒng)的共性主要有以下幾點(diǎn):1)內(nèi)部冷卻水不與大氣直接發(fā)生接觸;2)內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)水水箱，水箱具有液位檢測(cè)功能，并通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)，根據(jù)液位情況自動(dòng)補(bǔ)水;3)水箱設(shè)置加熱功能;4)水箱的容積都相對(duì)于國(guó)內(nèi)比較小(ALD 1 t電渣爐內(nèi)水水箱4 m3，INTRCO16 t電渣爐內(nèi)水水箱5 m3);5)通過(guò)調(diào)節(jié)換熱器進(jìn)水流量(無(wú)論是內(nèi)水側(cè)還是外水側(cè)進(jìn)入換熱器水流量)控制內(nèi)部循環(huán)水的回水水溫，避免回水溫度過(guò)低，影響電渣爐冷卻水進(jìn)水水溫恒定，降低能耗.

3 結(jié)語(yǔ)

從上述幾種形式的冷卻水系統(tǒng)的各自特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)可以看出，帶熱交換器的雙重冷卻水系統(tǒng)應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，此種冷卻水系統(tǒng)可以保證設(shè)備使用壽命和鋼錠的凝固質(zhì)量.

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The development of cooling water system for ESR

SU Long-dan，WANG Zhao，DONG Jun-wei

(Shenyang Dong Da Materials Engineering Research Center for Advanced Preparation，Shenyang 110006，China)

This text major analyses the effect which the amount of water，the quality of water and the temperature of water from cooling water impact the equipment life and the quality of solidification and compares the internal terms of cooling water with external.The conclusion is that the double cooling water with heater exchanger is science at present，because the term can guarantee the equipment life and the quality of solidification

cooling water;ESR;cooling tower;unlimited;limited

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0157-04

2010-10-15.

蘇龍丹 (1984—)，女，吉林長(zhǎng)春人，助理工程師，E－mail:shuizhongyuhj@163.com.