智能噴嘴在連鑄的應(yīng)用

牛猛學(xué)

（天津天鐵冶金集團(tuán)熱軋板有限公司，河北056404）

0 引言

板坯連鑄機(jī)的功能是將高溫液態(tài)鋼水通過結(jié)晶器冷卻，形成有一定厚度的坯殼，并以一定速度拉出，在扇形段（二冷區(qū)）強(qiáng)制冷卻（二次冷卻）后快速降溫并進(jìn)一步凝固，后經(jīng)矯直冷卻和火焰切割成為成品板坯，其中扇形段的強(qiáng)制冷卻是影響板坯質(zhì)量的關(guān)鍵工序[1，2]。

本文對天鐵熱軋板公司1號板坯連鑄存在的問題進(jìn)行了分析，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，闡明了影響1號板坯連鑄二冷區(qū)強(qiáng)制冷卻效果的原因。 同時(shí)將二冷區(qū)傳統(tǒng)氣霧型噴嘴與智能型噴嘴進(jìn)行了對比分析，并對智能型噴嘴系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成進(jìn)行介紹，總結(jié)和分析了智能型噴嘴系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)效。

1 熱軋板公司1號板坯連鑄機(jī)存在的問題

1.1 熱軋板公司1號板坯連鑄機(jī)

熱軋板公司1號板坯連鑄機(jī)為兩機(jī)兩流、 直弧、連續(xù)彎曲、連續(xù)矯直、小輥徑密排輥機(jī)型。 鑄機(jī)弧形半徑為9 m，冶金長度為31.07 m，年生產(chǎn)能力為204 萬噸。 板坯生產(chǎn)的主要規(guī)格為230 mm×900～1650 mm。

1.2 熱軋廠1號板坯連鑄機(jī)存在的問題

目前1號板坯連鑄機(jī)二冷區(qū)使用的水冷噴嘴為傳統(tǒng)氣霧型噴嘴，由于二冷水的硬度高，在高溫情況下容易造成噴嘴結(jié)垢，經(jīng)常堵塞噴嘴，嚴(yán)重影響了板坯二冷區(qū)的水冷效果。 為保證鑄坯的質(zhì)量和正常的生產(chǎn)，每周需花費(fèi)大量人工對扇形段水冷噴嘴經(jīng)行清理，影響了鑄機(jī)的生產(chǎn)效率和節(jié)奏，增加了工人的勞動強(qiáng)度。

1.3 連鑄二次冷卻的重要性及特點(diǎn)

連鑄生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器中有80%的鋼水未凝固，從結(jié)晶器拉出來的鑄坯外部是一層薄的凝固坯殼，中心是液態(tài)鋼水，連鑄二冷區(qū)強(qiáng)制二次冷卻的目的是對鑄坯繼續(xù)冷卻，使鑄坯內(nèi)部液態(tài)鋼水進(jìn)一步凝固，最終形成合格鑄坯。

在二冷區(qū)強(qiáng)制冷卻過程中，鑄坯凝固主要受鑄坯熱傳導(dǎo)、噴霧冷卻及鑄坯質(zhì)量影響，鑄坯在二冷區(qū)的散熱量占整個(gè)凝固過程中散熱量的60%，因此二冷區(qū)的冷卻效果直接影響鑄坯的產(chǎn)量與質(zhì)量，而水冷噴嘴的質(zhì)量和冷卻效率又是影響鑄坯二次冷卻效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

2 噴嘴堵塞問題解決方案的分析

下面介紹一種智能型噴嘴系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)氣霧型噴嘴的結(jié)構(gòu)、原理和性能進(jìn)行對比分析。

2.1 傳統(tǒng)氣霧型噴嘴

優(yōu)點(diǎn)： 傳統(tǒng)氣霧型噴嘴是將壓縮空氣引入噴嘴內(nèi)部與水混合，從而使這種混合介質(zhì)在噴嘴后形成高速“ 氣霧”。由于這種“ 氣霧”中包含細(xì)小水滴，又有較高的噴射速度，打到高溫坯子上易于蒸發(fā)，對鑄坯的冷卻效果較好。傳統(tǒng)氣霧型噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 氣霧型噴嘴結(jié)構(gòu)

缺點(diǎn)：如果二冷水水質(zhì)較硬，鈣含量較高，在高溫環(huán)境下循環(huán)使用過程中，容易在噴嘴出口處形成水垢，在扇形段使用后期，由于水垢對噴嘴的堵塞，將會影響二次冷卻水的噴射角度和出水量，從而影響板坯的冷卻效果。

2.2 智能型噴嘴

智能型噴嘴，是在傳統(tǒng)氣霧型噴嘴的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，加以改善而來。 重新設(shè)計(jì)了過濾裝置，用于過濾噴嘴前水中的雜質(zhì)，避免在噴嘴處形成水垢；增設(shè)了一路氣管與一路水管，氣管通過閥芯切斷出水管，水管用于沖洗濾網(wǎng)處雜質(zhì)，從而達(dá)到自清洗的目的，由于沖洗時(shí)間極短，影響可以忽略不計(jì)。 智能型噴嘴克服了傳統(tǒng)氣霧型水冷噴嘴容易堵塞的缺陷，二次冷卻效果明顯提高。 智能型水冷噴嘴、噴頭外形結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能噴嘴系統(tǒng)使用噴嘴

3 智能型噴嘴系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成

3.1 智能型噴嘴系統(tǒng)工作原理

智能型噴嘴冷卻系統(tǒng)是連鑄扇形段噴水冷卻設(shè)備的重要?jiǎng)?chuàng)新，該創(chuàng)新的核心部件是具有在線反沖洗功能的氣動自清洗氣霧噴嘴，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣霧噴嘴在線分組按順序自動反沖洗。 每組噴嘴反洗時(shí)間為1～2 s，從而使線上噴嘴在生產(chǎn)過程中堵塞率大幅度降低，其抗堵塞能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)氣霧噴嘴。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠保證鑄坯按設(shè)計(jì)水流量均勻冷卻，提高鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低工人勞動強(qiáng)度。

氣動自清洗氣霧噴嘴是二次冷卻系統(tǒng)的核心部件，該噴嘴及系統(tǒng)獲得多項(xiàng)國家發(fā)明專利。 噴嘴由水-氣兩路過濾反沖洗單元組成，兩個(gè)單元的過濾片將水-氣介質(zhì)攜帶的機(jī)械雜質(zhì)截留，當(dāng)需要反沖時(shí)，控制氣路驅(qū)動活塞帶動換向桿運(yùn)動，切換到反沖洗位置，此時(shí)，排污口打開，截留的雜質(zhì)隨反流的氣-水經(jīng)排污口噴出，時(shí)間1～2 s 完成[4]。 噴嘴動作壓力：0.5～0.6 MPa，噴嘴動作介質(zhì)為無水無油壓縮空氣。

3.2 智能型噴嘴系統(tǒng)構(gòu)成

智能型噴嘴系統(tǒng)主要由下列部分構(gòu)成:

（1）觸摸屏及控制軟件。 用于總體控制與調(diào)整每個(gè)扇形段的反沖洗時(shí)間間隔。

（2）PLC 分布/集成控制系統(tǒng)。 用于接收控制軟件的指令，通過控制各個(gè)扇形段氣動閥來調(diào)整噴嘴的反沖洗。

（3）扇形段氣動控制閥組及附件。 用于直接控制噴嘴的動作。

（4）氣動自清洗氣霧噴嘴、組合噴淋架、控制管路和氣源組成了系統(tǒng)噴嘴的反沖洗組件，直接控制噴嘴的反沖洗動作。

3.3 智能型噴嘴控制系統(tǒng)構(gòu)成

智能型噴嘴控制系統(tǒng)主要包括：主控制器、分控制器、電磁閥組、壓空系統(tǒng)、空氣過濾器、水過濾器、智能噴嘴等組成。 智能型噴嘴控制系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 智能型噴嘴系統(tǒng)控制原理圖

4 智能型噴嘴系統(tǒng)的應(yīng)用及效果

4.1 智能型噴嘴控制系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1.1 智能型噴嘴主控制器

智能型噴嘴主控制器包括： 觸摸屏及控制軟件。 該控制器為自清洗二次冷卻系統(tǒng)的主控制單元。 其功能有：定時(shí)設(shè)置（反沖啟動時(shí)間間隔）、反沖時(shí)間與相鄰間隔時(shí)間設(shè)置、手動調(diào)試導(dǎo)航、實(shí)時(shí)動態(tài)界面、其他設(shè)置功能。

4.1.2 智能型噴嘴分控制器

分控制器是由電磁閥組組成。 其主要功能是：通過電磁閥組控制氣霧噴嘴的反沖洗管路，由反沖洗系統(tǒng)的壓縮空氣推動水路閥塊換向，反沖洗水沖洗過濾片處的雜質(zhì)從出水口排出，從而達(dá)到清理濾片的目的，沖洗完成后恢復(fù)工作狀態(tài)。

4.2 智能型噴嘴系統(tǒng)的應(yīng)用效果

4.2.1 應(yīng)用前后噴嘴堵塞情況對比

1號板坯連鑄機(jī)每次連澆周期為3～5 天，最多為7 天。 根據(jù)2020 年統(tǒng)計(jì)結(jié)果看：

投用智能型噴嘴前，每次停澆檢查1～8 段噴嘴，完全堵塞的有噴嘴16～19 根，出水少的有10～16根。 每周需要4～6 人對25～30 根堵塞噴嘴經(jīng)行清理，大約需要2～3 個(gè)小時(shí)。 每個(gè)扇形段可以使用6個(gè)月左右，需要清理10～13 次。

應(yīng)用智能噴嘴后，扇形段每周檢查一次，每個(gè)月有1～2 根水嘴由于密封不嚴(yán)有輕微漏水現(xiàn)象，但不影響生產(chǎn)。 在扇形段使用周期的6 個(gè)月時(shí)間，大大減少了因?yàn)槔鋮s不到位造成的停機(jī)現(xiàn)象和更換噴嘴的數(shù)量，有效減少了職工的勞動強(qiáng)度。

4.2.2 應(yīng)用前后坯子表面質(zhì)量對比

圖4 為1號板坯連鑄機(jī)一流與二流熱坯表面質(zhì)量對比情況，一流為傳統(tǒng)氣霧型噴嘴冷卻系統(tǒng)，二流為智能型噴嘴冷卻系統(tǒng)。 從圖4 可以看出，二流應(yīng)用智能型噴嘴后，鑄坯的冷卻效果和熱坯表明質(zhì)量較一流有明顯改善。

4.2.3 應(yīng)用前后全年板坯質(zhì)量對比

表1 為1號板坯連鑄機(jī)2020 年板坯質(zhì)量考計(jì)表。 由表1 可以看出，從7 月份投入智能型噴嘴后，板坯內(nèi)部質(zhì)量合格率顯著提高，基本能夠完奮斗目標(biāo)的要求。

5 結(jié)語

過安裝使用智能型霧化噴嘴系統(tǒng)，噴嘴堵塞現(xiàn)象明顯減少；二冷區(qū)的冷卻效果和熱坯表明質(zhì)量明顯改善；鑄坯內(nèi)部質(zhì)量合格率顯著提高。 由于智能型霧化噴嘴自清洗的優(yōu)勢，使得二冷區(qū)氣霧噴嘴的使用壽命大幅提高，連鑄機(jī)因噴嘴堵塞造成的事故站頭明顯減少，生產(chǎn)效率明顯提高，工人的勞動強(qiáng)度大幅降低。