循環(huán)水系統(tǒng)在水平連鑄爐中的應(yīng)用及改進(jìn)

劉 宇，劉羽飛，胡斐斐

（江西銅業(yè)集團(tuán)銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

循環(huán)水系統(tǒng)在水平連鑄爐組的應(yīng)用研究已經(jīng)日漸成熟，循環(huán)水的溫度、壓力、清潔度對產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響［1-2］。穩(wěn)定的循環(huán)水溫度可確保均勻的冷卻強(qiáng)度，保證產(chǎn)品穩(wěn)定性［3-4］。保持循環(huán)水的高清潔度可使循環(huán)水管道及結(jié)晶器不易結(jié)垢，從而提高熱交換效率，有效降低帶坯出口的溫度［5-7］。足夠的壓力能確保爐組冷卻效率，提高設(shè)備的安全性能。在循環(huán)水達(dá)到上述要求，滿足生產(chǎn)的前提下，應(yīng)盡可能降低能耗，來提高企業(yè)效益［8-9］。本文將從以上幾個(gè)方面，對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)［10］。

2 概述

2.1 設(shè)備概述

循環(huán)水系統(tǒng)包含供水設(shè)備、冷卻設(shè)備和水處理設(shè)備。供水設(shè)備有循環(huán)水泵、高壓水泵、回水泵，其中循環(huán)水泵為二用一備，高壓水泵為一用一備，回水泵為一用二備。冷卻設(shè)備是三臺冷卻塔，水處理設(shè)備包括兩臺自清洗裝置和一套纖維球過濾器，自清洗裝置安裝于循環(huán)水泵和高壓水泵后端的管道上，利用纖維球過濾器將冷水池的冷水進(jìn)行循環(huán)過濾。

2.2 系統(tǒng)流程概述

如圖1 所示，循環(huán)冷卻水從冷水池流出后分為兩路：一條經(jīng)冷水泵加壓后送至水平連鑄爐的線圈、水套及二次冷卻使用，下簡稱低壓水；另一條經(jīng)高壓泵加壓后送至水平連鑄爐的結(jié)晶器使用，下文簡稱高壓水。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)流程圖

2.3 循環(huán)水系統(tǒng)在水平連鑄爐中的應(yīng)用

低壓水根據(jù)冷卻部位的不同分為線圈水套冷卻水和鑄坯冷卻水。連鑄爐的下爐體由爐料、水冷套、線圈、鐵芯組成，其中水冷套和線圈在工作時(shí)會產(chǎn)生大量熱量，需要通水冷卻，防止過燒損壞。鑄坯冷卻水用來將引拉出來的鑄坯降至常溫，防止溫度傳導(dǎo)給設(shè)備，造成設(shè)備損壞。

高壓水用于結(jié)晶器冷卻。結(jié)晶器的作用是將銅溶液降溫，凝固成一定形狀的鑄坯。結(jié)晶器使用高壓水，是為了快速帶走熱量，但快速冷卻導(dǎo)致鑄坯收縮過快，容易產(chǎn)生裂紋；冷卻速度過慢，則又導(dǎo)致晶粒粗大，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，鑄坯生產(chǎn)過程中結(jié)晶器冷卻水保持壓力溫度恒定，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。經(jīng)過摸索，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器進(jìn)水壓力為0.8MPa、溫度在25～30℃之間時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量最好。因此，改造的首要任務(wù)就是將循環(huán)水溫、水壓控制在這一范圍內(nèi)。

3 循環(huán)水系統(tǒng)改進(jìn)

3.1 增加高壓水溢流管道

由于高壓水只用于爐組結(jié)晶器使用，用水點(diǎn)較少，當(dāng)幾條生產(chǎn)線同時(shí)處理更換結(jié)晶器時(shí)，用水點(diǎn)全部關(guān)閉，會造成高壓泵憋壓，容易損壞水泵。因此我們在高壓水泵后增加一根溢流管，通過調(diào)節(jié)溢流管上的閥門開口度和水泵后的閥門開口度，控制水壓到水平連鑄爐組生產(chǎn)需要的范圍，同時(shí)達(dá)到防止水泵憋壓的目的。

3.2 安裝自動控溫裝置

結(jié)晶器理想供水溫度為25～30℃之間。冷水池水溫是通過調(diào)節(jié)冷卻塔的流量和冷卻風(fēng)機(jī)的開關(guān)來控制的，由于夏季與冬季的溫差較大，依靠人工調(diào)節(jié)既不方便也不及時(shí)。為了改變這一局面，我們在循環(huán)水供水管道上安裝一支電接點(diǎn)溫度表，溫度表與控制冷卻風(fēng)機(jī)的電路相關(guān)聯(lián)，并設(shè)定好上下限，溫度升至上限時(shí)，自動開啟冷卻風(fēng)機(jī)，溫度降至下限時(shí)，關(guān)閉冷卻風(fēng)機(jī)，這在一定程度上達(dá)到了自動控溫的目的。

3.3 低壓循環(huán)水系統(tǒng)恒壓改造

循環(huán)水泵按照設(shè)計(jì)為兩用一備。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，若只開一臺循環(huán)泵，供水壓力和流量無法滿足生產(chǎn)需要，生產(chǎn)設(shè)備用水得不到保證。若開啟兩臺，供水量大大超過用水量，造成資源浪費(fèi)。在滿足生產(chǎn)的前提下，我們引進(jìn)已廣泛用于供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)，來降低供水能耗。

供水系統(tǒng)由1#、2#和3#循環(huán)水泵及相應(yīng)的管路及閥門組成，設(shè)計(jì)運(yùn)行方式為兩用一備，管網(wǎng)分布如圖2 所示。

圖2 變頻供水系統(tǒng)裝置示意圖

當(dāng)供水設(shè)備開始供電，變頻器輸出給其中一臺水泵電機(jī)，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值，變頻器的輸出頻率穩(wěn)定在某一頻率上。壓力變送器獲得的壓力信號送入PLC 系統(tǒng)的模擬量輸入模塊，PLC 中的控制程序根據(jù)給定量和壓力信號進(jìn)行PID 運(yùn)算，輸出一個(gè)模擬信號給變頻器。

當(dāng)管網(wǎng)壓力不足時(shí)，變頻器輸出頻率增大，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增加，使管網(wǎng)壓力上升，達(dá)到使用要求。如果用水量增加較多，變頻器的輸出頻率達(dá)到最大值仍不能滿足使用要求，則變頻器將變頻運(yùn)行的水泵電機(jī)切換為工頻直接供電運(yùn)行，再用變頻器啟動另一臺泵進(jìn)入變頻運(yùn)行方式，自動調(diào)節(jié)輸出頻率，直至管網(wǎng)壓力和設(shè)定值一致。

當(dāng)用水量減少，管網(wǎng)壓力升高，變頻器輸出頻率降低，泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，維持管網(wǎng)保持相對穩(wěn)定的壓力。當(dāng)用水量大幅降低，即使變頻器輸出頻率降至最低設(shè)定值，管網(wǎng)壓力依然過高，此時(shí)，PLC控制關(guān)閉一臺工頻供電水泵，同時(shí)調(diào)節(jié)變頻器輸出，直至管網(wǎng)壓力與設(shè)置值一致。

經(jīng)過變頻改造后，有效降低了水泵的無功功率。經(jīng)測算，改造前兩臺水泵運(yùn)行功率為260kW，改造后兩臺水泵運(yùn)行功率為240kW，由此每年可節(jié)約用電17.5 萬千瓦時(shí)。

3.4 增加管道除垢防垢器

水在管道內(nèi)不停地循環(huán)，鈣鎂離子等含量會越來越高，長時(shí)間使用會造成管道結(jié)垢。水垢的導(dǎo)熱系數(shù)不到一般金屬的百分之一，每1mm 厚的水垢可造成約5%能耗的增加。同時(shí)，管道產(chǎn)生水垢后，流量變小，影響結(jié)晶器冷卻效率，使得產(chǎn)品質(zhì)量隨之降低。

除垢防垢器采用一種由銅、鋅、鎳等十多種金屬組成的特殊合金材料。這種合金材料與水接觸后形成大量的微小原電池。在原電池化學(xué)反應(yīng)的作用下，可以提高碳酸鈣的溶解度，抑制碳酸鈣晶核的形成和長大。循環(huán)水經(jīng)除垢防垢處理后，流體中析出的碳酸鹽一般都以較為松散、不易粘結(jié)的亞穩(wěn)態(tài)晶體形式存在，這種亞穩(wěn)態(tài)晶體易被流體帶走，從而起到阻垢防垢的作用。同時(shí)流體經(jīng)過除垢防垢器時(shí)會發(fā)生碰撞、摩擦和沖刷，在紊流狀態(tài)下使溶液中的固態(tài)顆粒在一定時(shí)間和距離內(nèi)始終處于懸浮分散狀態(tài)，避免污垢物在管道中沉積。

除垢防垢器中的合金材料作為一種特殊的催化體，可以改變?nèi)軇?、溶質(zhì)的活度，從而使流體中各種物質(zhì)分子、離子之間結(jié)合的物理化學(xué)條件發(fā)生改變，有效抑制垢、藻、腐蝕的形成，并使已結(jié)晶附著在管壁上的陳垢逐步消溶脫落。

4 水溫控制方法

冷卻強(qiáng)度是水平連鑄爐組生產(chǎn)鑄坯的關(guān)鍵因素之一。冷卻強(qiáng)度與水壓、流量、水溫有著密切的關(guān)系?？焖贉?zhǔn)確地將水溫控制在工藝范圍內(nèi)，是保障水平連鑄生產(chǎn)高質(zhì)量運(yùn)行需要解決的重要問題。

4.1 調(diào)整冷卻風(fēng)機(jī)功率

除了控制冷卻塔的啟停，還可以通過調(diào)整冷卻風(fēng)機(jī)功率來調(diào)節(jié)水溫。冷卻塔是通過熱水泵將熱水池的熱水供至冷卻塔上方，再從管道噴出，通過下方填充的冷卻塔填料來進(jìn)行熱交換；同時(shí)也可開啟冷卻風(fēng)機(jī)，通過增加空氣流速提高換熱效率。我們除了可以控制冷卻風(fēng)機(jī)的啟停外，還可以通過調(diào)整冷卻風(fēng)機(jī)的葉片角度，來提高風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力，以此達(dá)到加快熱交換的目的。但調(diào)整葉片角度后，電機(jī)負(fù)荷增加，相應(yīng)的能耗也會增加。

4.2 增大冷卻塔循環(huán)量

熱水池的水除一部分供至冷卻塔冷卻外，另一部分直接通過旁通管回流至水池。在冬季外部溫度較低時(shí)，可通過調(diào)整進(jìn)入冷卻塔的水流量來達(dá)到控制循環(huán)水池溫度的目的。若循環(huán)水全部經(jīng)過冷卻塔還不能滿足要求，可增加循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)量，打開管道末端水點(diǎn)，通過增加經(jīng)過冷卻塔的水流量，進(jìn)一步提高冷卻效率。

4.3 補(bǔ)充新水

循環(huán)水系統(tǒng)采用市政供水管道補(bǔ)水。由于市政供水管道一般都埋在地下，新水的溫度要比循環(huán)水溫度低很多。在夏季水溫居高不下時(shí)，也可通過補(bǔ)充新水的方式達(dá)到降低水溫的效果。

5 供水安全的保障

鑒于循環(huán)水對于水平連鑄爐組的重要性，我們在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一座安全水塔，并從水塔中引出一根安全水水管與循環(huán)水管道交匯，以確保在停電等突發(fā)狀況時(shí)的穩(wěn)定供水和安全生產(chǎn)。

如圖3 所示，在循環(huán)水水泵與安全水塔管道上加裝一個(gè)閘閥和單向閥，當(dāng)水泵正常供水時(shí)，循環(huán)水壓約為0.5MPa，水塔水壓約為0.4MPa，這時(shí)循環(huán)水壓大于安全水壓。打開循環(huán)水供水管路上的單向閥，壓差使右側(cè)單向閥關(guān)閉，此時(shí)使用的是水泵供水。當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，循環(huán)水供水管路上的壓力降低，當(dāng)壓力低于安全水塔水壓時(shí)，安全水管路上的單向閥打開，此時(shí)安全水就能供給到爐組，保障爐組生產(chǎn)，避免事故的發(fā)生。

圖3 循環(huán)水與安全水交匯示意圖

6 結(jié)束語

綜上所述，通過對循環(huán)水系統(tǒng)溫度、壓力、清潔度、節(jié)能等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行一系列改進(jìn)，循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行中存在的一些問題得到較好解決，系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性得到了提升。循環(huán)水系統(tǒng)在企業(yè)實(shí)際運(yùn)用中還存在更多改進(jìn)優(yōu)化的地方，需要不斷地探索研究，并在現(xiàn)有技術(shù)上不斷取得突破。