超聲波防除垢技術在水冷坩堝中的應用

摘 要：分析紫銅坩堝結垢的特點和危害及超聲波防除垢的原理；比對傳統的防除垢技術和超聲波防除垢技術進行了比較；對超聲波防除垢安裝后實際情況進行了分析。應用試驗表明：超聲波防除垢技術對水冷紫銅坩堝防除垢效果明顯，解決了紫銅坩堝多年的結垢問題，同時節能效果顯著。

關鍵詞：水垢；超聲波；水冷紫銅坩堝

1 水冷紫銅坩堝結垢特點及危害

水冷紫銅坩堝是鈦材真空熔煉的的關鍵設備之一，根據調查顯示我公司所有的水冷坩堝都存在結垢問題，結垢后的水冷紫銅坩堝換熱效率下降50%，并且紫銅坩堝容易發生變形，每年給我公司帶約為600～800萬人民幣的經濟損失。

1.1 結垢特點

鈦材在熔煉過程中，熔池的溫度達到1700℃，鈦溶液在坩堝中需要結晶，就需要通過紫銅坩堝的換熱能力，降低鈦溶液的內能。由于紫銅坩堝的工作溫度較高，導致垢質大量析出。根據測量得：紫銅坩堝每月的結垢厚度約為0.7～0.8mm，需要每月進行清洗除垢，否則會因水垢太厚，換熱效率太低而無法進行使用。

1.2 結垢后的危害

1.2.1 增大能耗

結垢后的紫銅坩堝導熱系數較小，使得換熱性能下降。而且垢層的存在減小了冷卻水的流通面積，增加了流動阻力，直接導致了動力設備能耗的增加。

1.2.2 增加生產銅坩堝維護成本

為了補償結垢后紫銅坩堝傳熱能力降低的問題，需要在設計紫銅坩堝換熱時增加水流量，使得冷卻水循環系統的水泵功率增加，增加了電能的損耗。

1.2.3 縮短紫銅坩堝壽命

由于結構問題，紫銅坩堝的換熱效率降低，使坩堝一直處于高溫工作狀態，紫銅坩堝容易發生熱應力變形。變形后的紫銅坩堝造成熔化后的鈦錠難以順利取出，造成坩堝報廢。

2 超聲波防除垢的工作原理

超聲波的輻射能對被處理液體介質直接產生大量的空穴和氣泡，也就是把液體拉裂而形成無效極微小的局部空穴，當這些空穴氣泡破裂或互相擠壓時，產生一定范圍的強大的壓力峰，這一強匿力峰能使積垢物質粉碎懸浮于液體介質中，并使已生成的積垢層破碎使其易于脫落，這就是超聲波的空化效應。當超聲波由金屬外表面向里傳播時，即會引起金屬界面上的垢質跟隨金屬振動。但由于垢質的性態和彈性阻抗不同，垢質與金屬會在換熱界面上形成剪切應力作用，導致金屬換熱界面上的垢質層疲勞、裂紋、疏松、破碎而脫落，這就是超聲波的剪切效應。

3 常用防垢技術與超聲波防除垢技術的比較

目前工業領域運用較多的傳統防垢技術主要有阻垢劑、離子交換及高頻磁場技術，這些技術的優點是能實現在線防垢，缺點是防垢不徹底，仍需進行定期除垢，設備仍處于帶垢運行狀態；同時需要輔助設備，使得成本增加。

傳統的除垢方法主要有酸洗、堿洗的化學方法，機械清洗以及膠球系統。酸洗和堿洗方法除垢，可以清除比較細致，但是會對紫銅坩堝造成一定的腐蝕，清洗后的液體排放還會造成對環境的二次污染；并且如果水垢比較厚時，需要較長時間進行浸泡，嚴重影響熔煉設備的運行率；同時清洗時需要大量的水，造成水資源的浪費。機械清洗雖然對水垢的厚度沒有要求，清理的也比較徹底，但需設計制造專門的水垢清理設備，在清理的過程中還需要專人操作，并且需要在熔煉設備切換條件下進行，影響了正常生產，增加了清理成本。與傳統的除垢技術相比，超聲波除防垢技術有以下優點：

3.1 使用超聲波防除垢技術，不需要進行酸、堿洗清理污垢，會延長紫銅坩堝的使用壽命。

3.2 使用超聲波防除垢技術，減少了熔煉設備切換紫銅坩堝的次數，減少了設備的停機時間。

3.2 從提高生產效率、消除化學除垢和提高機械設備壽命計算，超聲波防除垢技術具有較好的經濟效益。

3.4 超聲波防除垢技術，不對環境造成危害，具有較好的社會效益。

4 超聲波防除垢的安裝方法及節能分析

4.1 超聲波設備的安裝

我公司應用的c-5000型防垢器主要由超聲波功率發生器、傳輸電纜和裝于冷卻水外水套的壓電式換能器組成如圖1所示。功率發生器機箱安裝在安裝熔煉設備的下爐室位置，將換能器安裝在冷卻水的外水套上如圖1所示。

4.2 超聲波防除垢設備的應用效果分析

針對我公司對水冷坩堝污垢治理情況進行調查與分析發現，超聲波防除垢技術的應用切實地解決了我公司水冷紫銅坩堝的結垢問題，提高了傳熱效率，降低了能耗，減少了環境污染，同時給企業帶來了巨大的經濟收益。以下是引用了超聲波防除垢技術，并且對安裝設備前后運行參數進行跟蹤調查。

圖3 是安裝超聲波以前每個月清理時的實物照片，水垢的平均厚度約為≥0.4mm，并且十分堅硬；圖4 是安裝超聲波以后的每個月觀察時的照片，水垢的平均厚度≤0.1mm。由以下的兩個照片對比觀察：安裝前的水垢每月的積累的水垢厚度嚴重影響了生產，必須停機清理；而安裝超聲波后的水垢符合生產要求，不用停機清理。由以上的分析可知安裝超聲波以后，紫銅坩堝表面的水垢符合生產要求，減少了停機時間。

5 結束語

如何有效的防、除垢，已經成為工業領域關注的熱點問題，這個問題的解決將是節能減排的新突破點。目前的方法也很多，酸洗、堿洗、阻垢劑、機械清洗等，但其在不同程度上增加了成本，有的還會造成環境的二次污染。與傳統方法相比，超聲波防除垢技術是一種高效、環保的先進技術，具有廣闊的市場潛力，而且我公司的應用案例表明，超聲波防除垢技術能去的良好的節能減排的效果。

參考文獻

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