電工用銅線坯生產(chǎn)過程能源消耗與節(jié)能措施淺析

陳全，張亞好

(1.中色科技股份有限公司，河南洛陽471039;2.洛陽卓聯(lián)液壓機械有限公司，河南洛陽471000)

連鑄連軋生產(chǎn)工藝在銅桿生產(chǎn)上的成功應(yīng)用，始于美國南方線材公司于1965年建立的世界第一條銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線(SCR法)。其后，德國克虜伯公司和意大利康梯紐斯公司也先后研制成功了具有自己特色的銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線(Contirod法和Properzi法)［1］。盡管這三種生產(chǎn)方法在設(shè)備結(jié)構(gòu)、裝機水平和自動化程度等方面存在較大的差別，但其工藝流程基本相同，即經(jīng)豎式熔化爐(簡稱豎爐)熔化、保溫爐調(diào)溫后，通過澆包注入鑄造機進行鑄造，鑄坯經(jīng)銑棱后經(jīng)多道次連續(xù)軋制達到要求的線桿尺寸，然后在冷卻管中進行在線冷卻、清洗，涂蠟后進入卷線機進行在線卷取，生產(chǎn)線運行過程中，預(yù)留有中間包(備用的澆包)預(yù)熱。連鑄連軋生產(chǎn)線設(shè)備如圖1所示。

圖1 連鑄連軋生產(chǎn)線簡圖Fig.1 Diagram of CCR production line

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2012年底，我國大陸地區(qū)電工用銅線坯(光亮銅桿)的年產(chǎn)能約990萬t，實際年產(chǎn)量約505萬t，其中，90%以上產(chǎn)能的電工用銅線坯的生產(chǎn)均來自引進設(shè)備。引進的連鑄連軋技術(shù)生產(chǎn)電工用銅線坯，能源消耗均優(yōu)于《銅及銅合金線材單位產(chǎn)品能源消耗限額》的單位先進值。以目前國內(nèi)的產(chǎn)能計算，生產(chǎn)過程中節(jié)約1%的能源，每年可節(jié)約標煤達5000萬t，更為企業(yè)在微薄的利潤下增加一些競爭力。

本文就利用連鑄連軋技術(shù)生產(chǎn)電工用銅線坯工程中的能源消耗與相關(guān)的節(jié)能措施進行淺要分析，以供參考。

1 生產(chǎn)過程的能源消耗

利用連鑄連軋技術(shù)生產(chǎn)電工用銅線坯過程中的能源消耗主要是天然氣(或LPG)、電，動力介質(zhì)消耗主要是壓縮空氣、循環(huán)水。

其中，天然氣主要用于陰極銅熔化、銅液保溫、中間包烘烤等;電主要用于陰極銅熔化用助燃風機、銅線坯軋制等;壓縮空氣主要用于氣缸驅(qū)動、產(chǎn)品吹掃等;循環(huán)水主要用于鑄造機冷卻水的冷卻、軋制過程中的乳液冷卻等。

動力介質(zhì)的能源消耗最終為電。

根據(jù)相關(guān)設(shè)備廠家提供的年產(chǎn)15萬t銅線坯的詢價書［2－3］，以及已經(jīng)投產(chǎn)的銅線坯生產(chǎn)企業(yè)的實際能耗統(tǒng)計，整理出噸成品能源消耗的比重，如表1和表2所示。

表1 能源消耗比重Tab.1 Proportion of energy consumption

由表1可看出，天然氣的消耗占銅線坯能源消耗的比例最大，根據(jù)連鑄連軋生產(chǎn)線的特點，使用天然氣的裝置主要有豎爐、上流槽、保溫爐、下流槽、澆包等。

表2 生產(chǎn)線天然氣消耗情況Tab.2 Proportion of natural gas consumption in production line

由表2可看出，豎爐在天然氣消耗方面是主體，其次是流槽系統(tǒng)，弄清能源消耗點后，節(jié)能才有針對性。

2 各裝置能源消耗與節(jié)能情況分析

2.1 豎爐

豎爐是美國熔煉公司(ASARCO)在20世紀60年代研制開發(fā)的銅熔煉設(shè)備，最初與SCR開發(fā)的銅線桿連鑄連軋設(shè)備配套用于生產(chǎn)電工用銅線坯［4］。因其具有小時熔化能力大、節(jié)能、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，不僅在銅線桿生產(chǎn)領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，且在銅加工行業(yè)作為主要熔煉設(shè)備也在日益得到推廣應(yīng)用。

豎爐爐膛是垂直的，截面是圓形，自上而下為煙氣排出管、加料口、防撞塊、爐膛、出銅口、爐底。耐火材料由內(nèi)到外依次襯有碳化硅耐火磚、高級隔熱材料、輕質(zhì)鑄造耐火材料等，如圖2所示。

圖2 豎爐結(jié)構(gòu)［2－3］Fig.2 Shaft furnace structure

豎爐天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量主要消耗在三方面:銅板熔化、煙氣排放和爐表散熱。只要正常生產(chǎn)，減少停爐次數(shù)，銅板熔化吸收的熱是一定的。下面就怎樣減少排煙帶走的熱量與爐表散熱進行淺述。

通過設(shè)備方提供的報價資料［2－3，5］與銅板熔化吸熱、煙氣排放情況，初步計算出各種熱量的比例，如表3所示。

表3 豎爐燃氣量消耗Tab.3 Proportion of shaft furnace gas consumption

因為豎爐爐膛是垂直的，其熔煉方式屬于“逆流作業(yè)”。首先是燒嘴將爐體下方的銅板熔化，從上加入的電解銅板不斷往下落，高溫燃燒氣體(煙氣)逆電解銅板流向向上“穿梭”于電解銅板之間，與銅板進行充分換熱，煙氣溫度由爐底的約1200℃降低到加料口的約400℃，加料口作為補新風口，最終排煙溫度降低到300℃左右。

為了在有效高度不到10m的爐膛內(nèi)把燃燒煙氣的溫度充分交換至銅板，需要合理設(shè)計煙氣上升線路。

因為爐膛的特殊性，為了讓熱空氣穿梭于電解銅板之間“逆流而上”，銅板之間必須要有足夠的空隙，這就需要一定的布料技巧與設(shè)備。第一次布料需采用人工方式，布料的好壞將直接影響到能源的消耗，最底層的銅板豎直沿出銅口方向布置，第二層與第一層交叉，依次類推，超過最上排燒嘴后可采用加料裝置進行加料，加入的銅板散落在底料上。開爐正常生產(chǎn)后，按照小時產(chǎn)能進行加料，如圖3所示。

圖3 豎爐加料裝置［3］Fig.3 Shaft furnace charging gear

上述加料方式將成捆的銅板散開，便于建立氣流空隙。通過這種逆流換熱，底部熔化溫度在1200℃左右，煙氣溫度在300～500℃之間。

也有廠家考慮300～500℃的煙氣溫度能否再降低，或者進行二次換熱。

目前，引進設(shè)備爐表溫度在熔化段一般均為200℃左右，加料口上方的排煙段在150℃以下。某設(shè)備供應(yīng)商通過在爐殼內(nèi)側(cè)增加一層隔熱材料，可將熔化段的爐表溫度降至150℃以下，如圖4所示。根據(jù)爐膛溫度以及耐火材料的布置情況，可以采用不同材質(zhì)、不同厚度的隔熱材料A和B，減少爐表散熱。

2.2 流槽節(jié)能

流槽的作用是承接銅液的轉(zhuǎn)移，并確保在銅液轉(zhuǎn)移過程中的質(zhì)量。連鑄連軋生產(chǎn)的是低氧銅桿，含氧量控制在250ppm以下，所以需要在流動的銅液上方增加保護氣氛。

圖4 豎爐增加隔熱層［3］Fig.4 Extra insulation layer of shaft furnace

豎爐其它節(jié)能措施還有，采用先進的豎爐自動控制系統(tǒng)，在熔化速率設(shè)定的情況下，通過對爐內(nèi)溫度、氣氛檢測、物料變化等反饋后直接控制燃燒速率、空燃比等，達到節(jié)能的目的;加強日常維護、提高耐火材料壽命等，減少停爐次數(shù)。

引進設(shè)備的流槽均采用密閉式，如圖5所示，流槽蓋布置有燒嘴。工作中，為確保外界氧不進入流槽內(nèi)，流槽內(nèi)燃燒氣氛為正壓。

圖5 流槽結(jié)構(gòu)［3］Fig.5 Lauder structure

實際生產(chǎn)時，車間內(nèi)大部分熱量均是從流槽散發(fā)出去的，如何利用這部分熱量，一直是相關(guān)技術(shù)人員在探索的，如利用此部分熱量烘烤中間包，或把此部分熱與助燃空氣進行交換以提高助燃空氣溫度等。

2.3 其它節(jié)能情況分析

生產(chǎn)過程中，電的消耗主要在助燃風機、連軋機等電機，目前引進的生產(chǎn)線大部分采用變頻電機，節(jié)能比較顯著。

根據(jù)天氣情況，及時開停車間照明;及時調(diào)整凈循環(huán)冷卻水是否需要上塔冷卻。

3 結(jié)論

本文對電工用銅線坯生產(chǎn)過程能源消耗與節(jié)能措施進行淺析，得出以下結(jié)論:

(1)采用先進的裝備、技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量、成品率，減少因機械故障而導致的不必要的停機等不利影響，是節(jié)能的前提;加強生產(chǎn)過程管理，規(guī)范操作程序，是節(jié)能的重要手段;

(2)連鑄連軋生產(chǎn)線能源消耗主要是天然氣，而豎爐又是天然氣的主要消耗設(shè)備，做好豎爐的節(jié)能工作，是節(jié)能的重點;

(3)在余熱利用方面探索一些新方法，有利于降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品市場競爭力;

(4)重視主體設(shè)備以外的節(jié)能工作。

［1］段軍偉.我國光亮銅桿連鑄連軋生產(chǎn)技術(shù)淺析［J］.有色金屬加工，第35卷(5):20－24.

［2］美國南方線材公司提供的連鑄連軋生產(chǎn)線報價資料。

［3］德國西馬克梅爾公司提供的連鑄連軋生產(chǎn)線報價資料。

［4］張玉杰.淺析燃氣豎爐在我國銅加工行業(yè)應(yīng)用前景［J］.《有色金屬再生與利用》2004年第4期 ，8－9.

［5］王秉銓主編，工業(yè)爐設(shè)計手冊(第2版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1996.