銅上引爐循環水系統的改造

張 偉

（中色（天津）特種材料有限公司，天津300393）

0 引言

在工業生產和科學實驗中，由于設備的運行產生熱或者生產工藝的要求，需要對運行中的設備產生的熱量進行降低或散發，保證相關設備的正常運行和設備功能的正常發揮。目前，根據設備及其工作環境的不同，以及生產工藝的要求，常用的冷卻方式有風冷和液體冷卻兩種方式，液體冷卻又分為油冷和水冷兩種方式。在現實生產中，由于水的對流換熱系數為空氣自然冷卻換熱系數的150倍以上，散熱效率高，且水冷方式的冷卻成本較低，因此水冷方式的應用較為廣泛。本文介紹了中色（天津）特種材料有限公司8000T/6000T無氧銅上引爐生產線水循環系統改造的設計特點、設備配置，以及運行取得的顯著效果。

1 生產線簡介

無氧銅桿上引連鑄生產線位于中國有色集團天津新材料產業園內的銅分公司，寬30 m、長278 m的連鑄車間內。該生產線包含6 000 t、8 000 t兩臺無氧銅線桿上引連鑄機組，主要用于無氧銅線桿產品的上引連鑄生產，生產型式為熔溝式電磁感應熔化、保溫，上引式連續鑄造生產線。其主要參數為：

（1）主要動力參數

電壓：380 V；

頻率：50 Hz；

用電量：≤660 kW；

水：工業水壓力：0.15～0.25 MPa；

循環水壓力：0.2～0.4 MPa；

溫度：25～35℃；

循環用水量：≈65.5 t/h；

壓縮空氣壓力：0.4～0.7 MPa；

用氣量：＜0.2 m3/h。

（2）設備基本參數

機型：SL12-QL-S-B-8/20型上引連鑄機組，1套；

SL14-QG-S-A-12.5/30型上引連鑄機組，1套。

（3）產品品種：

SL12-QL-S-B-12.5/20：φ8～φ20 無氧銅桿；

SL14-QG-S-A-12.5/30：φ12.5～φ30無氧銅桿。

（4）主要產品材料：

電工用銅，含銅量不小于99.95%、氧含量不大于 10×10-6,明顯高于國標 20×10-6。

2 背景技術

無氧銅上引連鑄機組由銅熔化系統、銅熔液液面跟蹤系統、銅熔液冷卻結晶和整體設備的冷卻系統、無氧銅桿牽引系統及無氧銅桿收線系統組成。其中，銅熔液冷卻結晶和整體設備冷卻系統中的冷卻介質是冷卻水，冷卻速度主要與冷卻水的溫度和流量有關，冷卻水的溫度越低、冷卻水的流量越大，冷卻系統的冷卻速度越快。當冷卻系統的冷卻管管徑、壓力等參數固定時，冷卻系統冷卻水的流量也被固定，整個系統的冷卻速度只受冷卻水的初始溫度影響。由于在整個冷卻系統冷卻管徑內部會形成水垢等沉積物，使冷卻管徑降低，導致冷卻水的流量降低。同時，水垢等沉積物會產生隔熱作用,因此會降低整個系統的冷卻速度。為克服水垢沉積物對冷卻速度造成的影響,需要設備部門定期清理冷卻水流通管道和結晶器內的水垢等沉積物。為了保證產品質量，有的廠家在條件允許時使用軟化水或純凈水進行冷卻。

目前，大多數企業的上引連鑄機組冷卻系統是由分別給廠區各個冷卻系統供水的總凈水循環系統對該設備的爐體線圈及結晶器直接進行冷卻，回水經高度落差直接回到車間的自有小水池后，再用水泵送回大循環水池。上述總凈水循環系統的水質無法保證上引爐的水質標準，導致對上引桿的質量造成影響。同時，牽引系統結晶器對水壓要求較高，要求水壓不能低于0.32 MPa。為達到水壓要求，廠區總凈水循環系統則必須重點保證上引爐系統總體供水壓力要達到0.32 MPa以上，因此造成總凈水循環系統水壓調高，水泵電機電流增幅較大，導致能源浪費。另外，總凈水循環系統一旦出現瞬間斷電、停水，會立刻造成上引爐結晶器、保溫線圈等設備損壞及生產線的全線停車。

3 冷卻系統現狀及存在不足

3.1 冷卻系統現狀

上引爐系統，是由中色天津新材料產業園區總凈水循環系統對其設備爐體線圈及結晶器直接進行冷卻，回水經高度差直接回到車間自有小水池后，經水泵送回大循環水池。

3.2 存在不足

（1）由于大循環用水量大，采用純凈水的費用較高，因此普遍采用普通水質，無法保證上引爐的水質標準，即大循環水在循環冷卻過程中無法保證水的純凈度，在對上引桿結晶器進行冷卻時，對上引桿的表面質量造成影響。

（2）由于大循環用水采用普通水，容易在結晶器等需要冷卻處結成水垢等沉積物，導致冷卻管徑的減小，降低冷卻水的流量。同時，水垢等沉積物會產生隔熱作用,降低整個系統的冷卻速度。為了克服水垢沉積物對冷卻速度造成影響,需要設備部門定期清理冷卻水流通管道和結晶器內的水垢等沉積物,影響生產的同時，提高了生產成本。

（3）上引連鑄機組的冷卻系統，特別是結晶器對冷卻水的壓力要求較高，要求水壓不能低于0.32 MPa。園區大循環系統對車間的總體供水壓力要達到0.32 MPa以上，如果考慮到水壓的衰減，園區大循環系統對車間的總體供水壓力甚至更高，從而造成了大系統水泵電機電流增加較大；或者采用加壓的方式，保證冷卻水的壓力，從而造成能源浪費。

（4）園區大循環系統一旦出現故障，將瞬間斷電停水，立刻造成無氧銅上引爐結晶器、保溫線圈等設備損壞及生產線的全線停車。

4 改造目的

改造目的：解決長期存在的因該無氧銅上引設備水壓、水質及冷卻水連續性要求較高等，造成的整個園區凈循環系統水壓調高，電流增大而導致的能源浪費、上引相關冷卻設備的損壞，造成該生產線全線停車問題。

5 機構及裝置

本系統主要由4大部分組成：熔液冷卻結晶系統、冷卻換熱系統、自動補水系統和調壓系統。熔液冷卻結晶系統由2臺揚程為40 m的單極離心泵進行供水，一用一備，離心泵的揚程40 m，保證了上引連鑄機組的冷卻系統，特別是結晶器對冷卻水的壓力要求較高，水壓不能低于0.32 MPa要求，外接上引連鑄機組的熔液冷卻結晶系統。

冷卻換熱系統（見圖1），冷卻換熱系統的核心部件為一臺55 m2高效板式換熱器，分為熱進、熱出、冷進和冷出4個出口，熔液冷卻結晶系統分別接熱進和熱出后對上引連鑄的結晶器進行冷卻，園區大循環系統接冷進冷出對熔液冷卻結晶系統的水源進行冷卻，也稱二次冷卻。熔液冷卻結晶系統的水源采用純凈水，能夠保持冷卻速度，達到正常使用要求。

自動補水系統由補水管路（見圖1）、液控浮漂及控制系統組成。當二次冷卻水的液位低于浮漂下線時，液控浮漂將向控制系統發出補水指令，隨即控制系統將立即開啟電磁閥進行補水（見圖2），當二次冷卻水的液位將達到上限時自動停止補水，從而實現自動補水功能，有效保證了水源的充足。

調壓系統是在供水管路加入溢流管（見圖1），在無氧銅引出桿較少，需冷卻水量不大的情況下，通過調節溢流管截門來調節供水壓力，以保證正常的壓力需求。

圖1 原理圖

6 改造后效果

改造后，設備自循環系統由于水量較少，采用純凈水保證了水質，不至于受到其它介質的污染，避免了結晶器內部水垢的形成，也較好地保證了產品質量。生產產品含銅量不小于99.95%、氧含量不大于10 ppm，明顯高于國標20×10-6。

圖2 效果圖

系統改造后，無氧銅上引系統結晶器對水壓的要求由自循環系統控制，不受大循環系統的壓力影響，為此，大循環系統壓力降到0.2～0.25 MPa即可滿足園區生產需求，電能也隨著壓力的下調而較前期節省30%。改造前凈循環水系統月均耗電10.533萬kW·h，改造后月均耗電7.085萬kW·h，月均節電約3萬kW·h。

大循環系統一旦出現瞬間或短時間斷電停水，不會對無氧銅上引系統產生任何影響，可以避免由此帶來的設備損壞。

7 結語

綜上所述，該條水循環技改完成以后，每年中色（天津）特種材料有限公司可節約成本費用（電耗）35萬元左右，其設計特點及技改后的相關技術數據可對有色金屬冶煉設備冷卻系統的節能工作起到一定的借鑒作用。同時，由于加入二次循環系統，對提高產品質量、延緩設備壽命和提高系統可靠性方面都起到了積極的作用。