循環水系統在水平連鑄爐中的應用及改進

劉 宇，劉羽飛，胡斐斐

（江西銅業集團銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

循環水系統在水平連鑄爐組的應用研究已經日漸成熟，循環水的溫度、壓力、清潔度對產品質量有較大影響［1-2］。穩定的循環水溫度可確保均勻的冷卻強度，保證產品穩定性［3-4］。保持循環水的高清潔度可使循環水管道及結晶器不易結垢，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，提高設備的安全性能。在循環水達到上述要求，滿足生產的前提下，應盡可能降低能耗，來提高企業效益［8-9］。本文將從以上幾個方面，對循環水系統進行進一步優化改進［10］。

2 概述

2.1 設備概述

循環水系統包含供水設備、冷卻設備和水處理設備。供水設備有循環水泵、高壓水泵、回水泵，其中循環水泵為二用一備，高壓水泵為一用一備，回水泵為一用二備。冷卻設備是三臺冷卻塔，水處理設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行循環過濾。

2.2 系統流程概述

如圖1 所示，循環冷卻水從冷水池流出后分為兩路：一條經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；另一條經高壓泵加壓后送至水平連鑄爐的結晶器使用，下文簡稱高壓水。

圖1 循環水系統流程圖

2.3 循環水系統在水平連鑄爐中的應用

低壓水根據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會產生大量熱量，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，防止溫度傳導給設備，造成設備損壞。

高壓水用于結晶器冷卻。結晶器的作用是將銅溶液降溫，凝固成一定形狀的鑄坯。結晶器使用高壓水，是為了快速帶走熱量，但快速冷卻導致鑄坯收縮過快，容易產生裂紋；冷卻速度過慢，則又導致晶粒粗大，影響產品質量。因此，鑄坯生產過程中結晶器冷卻水保持壓力溫度恒定，是保證產品質量的關鍵因素。經過摸索，發現結晶器進水壓力為0.8MPa、溫度在25～30℃之間時，產品質量最好。因此，改造的首要任務就是將循環水溫、水壓控制在這一范圍內。

3 循環水系統改進

3.1 增加高壓水溢流管道

由于高壓水只用于爐組結晶器使用，用水點較少，當幾條生產線同時處理更換結晶器時，用水點全部關閉，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，通過調節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需要的范圍，同時達到防止水泵憋壓的目的。

3.2 安裝自動控溫裝置

結晶器理想供水溫度為25～30℃之間。冷水池水溫是通過調節冷卻塔的流量和冷卻風機的開關來控制的，由于夏季與冬季的溫差較大，依靠人工調節既不方便也不及時。為了改變這一局面，我們在循環水供水管道上安裝一支電接點溫度表，溫度表與控制冷卻風機的電路相關聯，并設定好上下限，溫度升至上限時，自動開啟冷卻風機，溫度降至下限時，關閉冷卻風機，這在一定程度上達到了自動控溫的目的。

3.3 低壓循環水系統恒壓改造

循環水泵按照設計為兩用一備。實際運行時，若只開一臺循環泵，供水壓力和流量無法滿足生產需要，生產設備用水得不到保證。若開啟兩臺，供水量大大超過用水量，造成資源浪費。在滿足生產的前提下，我們引進已廣泛用于供水系統的變頻調速技術，來降低供水能耗。

供水系統由1#、2#和3#循環水泵及相應的管路及閥門組成，設計運行方式為兩用一備，管網分布如圖2 所示。

圖2 變頻供水系統裝置示意圖

當供水設備開始供電，變頻器輸出給其中一臺水泵電機，管網水壓達到設定值，變頻器的輸出頻率穩定在某一頻率上。壓力變送器獲得的壓力信號送入PLC 系統的模擬量輸入模塊，PLC 中的控制程序根據給定量和壓力信號進行PID 運算，輸出一個模擬信號給變頻器。

當管網壓力不足時，變頻器輸出頻率增大，水泵轉速加快，供水量增加，使管網壓力上升，達到使用要求。如果用水量增加較多，變頻器的輸出頻率達到最大值仍不能滿足使用要求，則變頻器將變頻運行的水泵電機切換為工頻直接供電運行，再用變頻器啟動另一臺泵進入變頻運行方式，自動調節輸出頻率，直至管網壓力和設定值一致。

當用水量減少，管網壓力升高，變頻器輸出頻率降低，泵電機轉速下降，維持管網保持相對穩定的壓力。當用水量大幅降低，即使變頻器輸出頻率降至最低設定值，管網壓力依然過高，此時，PLC控制關閉一臺工頻供電水泵，同時調節變頻器輸出，直至管網壓力與設置值一致。

經過變頻改造后，有效降低了水泵的無功功率。經測算，改造前兩臺水泵運行功率為260kW，改造后兩臺水泵運行功率為240kW，由此每年可節約用電17.5 萬千瓦時。

3.4 增加管道除垢防垢器

水在管道內不停地循環，鈣鎂離子等含量會越來越高，長時間使用會造成管道結垢。水垢的導熱系數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，管道產生水垢后，流量變小，影響結晶器冷卻效率，使得產品質量隨之降低。

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。在原電池化學反應的作用下，可以提高碳酸鈣的溶解度，抑制碳酸鈣晶核的形成和長大。循環水經除垢防垢處理后，流體中析出的碳酸鹽一般都以較為松散、不易粘結的亞穩態晶體形式存在，這種亞穩態晶體易被流體帶走，從而起到阻垢防垢的作用。同時流體經過除垢防垢器時會發生碰撞、摩擦和沖刷，在紊流狀態下使溶液中的固態顆粒在一定時間和距離內始終處于懸浮分散狀態，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，可以改變溶劑、溶質的活度，從而使流體中各種物質分子、離子之間結合的物理化學條件發生改變，有效抑制垢、藻、腐蝕的形成，并使已結晶附著在管壁上的陳垢逐步消溶脫落。

4 水溫控制方法

冷卻強度是水平連鑄爐組生產鑄坯的關鍵因素之一。冷卻強度與水壓、流量、水溫有著密切的關系。快速準確地將水溫控制在工藝范圍內，是保障水平連鑄生產高質量運行需要解決的重要問題。

4.1 調整冷卻風機功率

除了控制冷卻塔的啟停，還可以通過調整冷卻風機功率來調節水溫。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行熱交換；同時也可開啟冷卻風機，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機的啟停外，還可以通過調整冷卻風機的葉片角度，來提高風機旋轉時產生的風力，以此達到加快熱交換的目的。但調整葉片角度后，電機負荷增加，相應的能耗也會增加。

4.2 增大冷卻塔循環量

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，可通過調整進入冷卻塔的水流量來達到控制循環水池溫度的目的。若循環水全部經過冷卻塔還不能滿足要求，可增加循環水系統的循環量，打開管道末端水點，通過增加經過冷卻塔的水流量，進一步提高冷卻效率。

4.3 補充新水

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

5 供水安全的保障

鑒于循環水對于水平連鑄爐組的重要性，我們在循環水系統設計了一座安全水塔，并從水塔中引出一根安全水水管與循環水管道交匯，以確保在停電等突發狀況時的穩定供水和安全生產。

如圖3 所示，在循環水水泵與安全水塔管道上加裝一個閘閥和單向閥，當水泵正常供水時，循環水壓約為0.5MPa，水塔水壓約為0.4MPa，這時循環水壓大于安全水壓。打開循環水供水管路上的單向閥，壓差使右側單向閥關閉，此時使用的是水泵供水。當水泵出現故障時，循環水供水管路上的壓力降低，當壓力低于安全水塔水壓時，安全水管路上的單向閥打開，此時安全水就能供給到爐組，保障爐組生產，避免事故的發生。

圖3 循環水與安全水交匯示意圖

6 結束語

綜上所述，通過對循環水系統溫度、壓力、清潔度、節能等關鍵環節進行一系列改進，循環水系統運行中存在的一些問題得到較好解決，系統穩定性和安全性得到了提升。循環水系統在企業實際運用中還存在更多改進優化的地方，需要不斷地探索研究，并在現有技術上不斷取得突破。