智能噴嘴在連鑄的應用

牛猛學

（天津天鐵冶金集團熱軋板有限公司，河北056404）

0 引言

板坯連鑄機的功能是將高溫液態鋼水通過結晶器冷卻，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）強制冷卻（二次冷卻）后快速降溫并進一步凝固，后經矯直冷卻和火焰切割成為成品板坯，其中扇形段的強制冷卻是影響板坯質量的關鍵工序[1，2]。

本文對天鐵熱軋板公司1號板坯連鑄存在的問題進行了分析，并結合生產實際，闡明了影響1號板坯連鑄二冷區強制冷卻效果的原因。 同時將二冷區傳統氣霧型噴嘴與智能型噴嘴進行了對比分析，并對智能型噴嘴系統工作原理及構成進行介紹，總結和分析了智能型噴嘴系統的應用實效。

1 熱軋板公司1號板坯連鑄機存在的問題

1.1 熱軋板公司1號板坯連鑄機

熱軋板公司1號板坯連鑄機為兩機兩流、 直弧、連續彎曲、連續矯直、小輥徑密排輥機型。 鑄機弧形半徑為9 m，冶金長度為31.07 m，年生產能力為204 萬噸。 板坯生產的主要規格為230 mm×900～1650 mm。

1.2 熱軋廠1號板坯連鑄機存在的問題

目前1號板坯連鑄機二冷區使用的水冷噴嘴為傳統氣霧型噴嘴，由于二冷水的硬度高，在高溫情況下容易造成噴嘴結垢，經常堵塞噴嘴，嚴重影響了板坯二冷區的水冷效果。 為保證鑄坯的質量和正常的生產，每周需花費大量人工對扇形段水冷噴嘴經行清理，影響了鑄機的生產效率和節奏，增加了工人的勞動強度。

1.3 連鑄二次冷卻的重要性及特點

連鑄生產過程中，結晶器中有80%的鋼水未凝固，從結晶器拉出來的鑄坯外部是一層薄的凝固坯殼，中心是液態鋼水，連鑄二冷區強制二次冷卻的目的是對鑄坯繼續冷卻，使鑄坯內部液態鋼水進一步凝固，最終形成合格鑄坯。

在二冷區強制冷卻過程中，鑄坯凝固主要受鑄坯熱傳導、噴霧冷卻及鑄坯質量影響，鑄坯在二冷區的散熱量占整個凝固過程中散熱量的60%，因此二冷區的冷卻效果直接影響鑄坯的產量與質量，而水冷噴嘴的質量和冷卻效率又是影響鑄坯二次冷卻效果的關鍵環節[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，并與傳統氣霧型噴嘴的結構、原理和性能進行對比分析。

2.1 傳統氣霧型噴嘴

優點： 傳統氣霧型噴嘴是將壓縮空氣引入噴嘴內部與水混合，從而使這種混合介質在噴嘴后形成高速“ 氣霧”。由于這種“ 氣霧”中包含細小水滴，又有較高的噴射速度，打到高溫坯子上易于蒸發，對鑄坯的冷卻效果較好。傳統氣霧型噴嘴結構如圖1 所示。

圖1 氣霧型噴嘴結構

缺點：如果二冷水水質較硬，鈣含量較高，在高溫環境下循環使用過程中，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，是在傳統氣霧型噴嘴的結構基礎上，加以改善而來。 重新設計了過濾裝置，用于過濾噴嘴前水中的雜質，避免在噴嘴處形成水垢；增設了一路氣管與一路水管，氣管通過閥芯切斷出水管，水管用于沖洗濾網處雜質，從而達到自清洗的目的，由于沖洗時間極短，影響可以忽略不計。 智能型噴嘴克服了傳統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、噴頭外形結構如圖2 所示。

圖2 智能噴嘴系統使用噴嘴

3 智能型噴嘴系統工作原理及構成

3.1 智能型噴嘴系統工作原理

智能型噴嘴冷卻系統是連鑄扇形段噴水冷卻設備的重要創新，該創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，整套系統實現了氣霧噴嘴在線分組按順序自動反沖洗。 每組噴嘴反洗時間為1～2 s，從而使線上噴嘴在生產過程中堵塞率大幅度降低，其抗堵塞能力遠遠超越傳統氣霧噴嘴。該系統的應用能夠保證鑄坯按設計水流量均勻冷卻，提高鑄坯質量和生產效率，降低工人勞動強度。

氣動自清洗氣霧噴嘴是二次冷卻系統的核心部件，該噴嘴及系統獲得多項國家發明專利。 噴嘴由水-氣兩路過濾反沖洗單元組成，兩個單元的過濾片將水-氣介質攜帶的機械雜質截留，當需要反沖時，控制氣路驅動活塞帶動換向桿運動，切換到反沖洗位置，此時，排污口打開，截留的雜質隨反流的氣-水經排污口噴出，時間1～2 s 完成[4]。 噴嘴動作壓力：0.5～0.6 MPa，噴嘴動作介質為無水無油壓縮空氣。

3.2 智能型噴嘴系統構成

智能型噴嘴系統主要由下列部分構成:

（1）觸摸屏及控制軟件。 用于總體控制與調整每個扇形段的反沖洗時間間隔。

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

（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構成

智能型噴嘴控制系統主要包括：主控制器、分控制器、電磁閥組、壓空系統、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原理圖見圖3。

圖3 智能型噴嘴系統控制原理圖

4 智能型噴嘴系統的應用及效果

4.1 智能型噴嘴控制系統的應用

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的主控制單元。 其功能有：定時設置（反沖啟動時間間隔）、反沖時間與相鄰間隔時間設置、手動調試導航、實時動態界面、其他設置功能。

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從出水口排出，從而達到清理濾片的目的，沖洗完成后恢復工作狀態。

4.2 智能型噴嘴系統的應用效果

4.2.1 應用前后噴嘴堵塞情況對比

1號板坯連鑄機每次連澆周期為3～5 天，最多為7 天。 根據2020 年統計結果看：

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 根堵塞噴嘴經行清理，大約需要2～3 個小時。 每個扇形段可以使用6個月左右，需要清理10～13 次。

應用智能噴嘴后，扇形段每周檢查一次，每個月有1～2 根水嘴由于密封不嚴有輕微漏水現象，但不影響生產。 在扇形段使用周期的6 個月時間，大大減少了因為冷卻不到位造成的停機現象和更換噴嘴的數量，有效減少了職工的勞動強度。

4.2.2 應用前后坯子表面質量對比

圖4 為1號板坯連鑄機一流與二流熱坯表面質量對比情況，一流為傳統氣霧型噴嘴冷卻系統，二流為智能型噴嘴冷卻系統。 從圖4 可以看出，二流應用智能型噴嘴后，鑄坯的冷卻效果和熱坯表明質量較一流有明顯改善。

4.2.3 應用前后全年板坯質量對比

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

5 結語

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