淺析連鑄坯火焰切割在龍鋼的應用

摘要：文章闡述了火焰的基本原理和基本特性，分析了氫氧焰在連鑄火焰切割工藝應用的優勢。對氫氧混合氣應用進行了安全特性分析和應用過程發生的故障進行失效分析，并對應用工藝技術提出控制要求和今后改進發展的建設意見。

關鍵詞：水電解氫氧；發生器；連鑄坯；火焰切割

中圖分類號：TF777 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）09-0025-03

我公司產能從有先前的200萬噸，發展到800萬噸，為適應發展需求，連鑄技術配套需要的切割工藝及設備也由早先的液壓剪切、機械剪切改為火焰切割，我公司在2002年開始采用。

1 火焰切割的基本原理及基本條件

火焰切割是利用燃氣火焰將被切割的金屬預熱到燃點，使其在純氧氣流中劇烈燃燒，產生金屬氧化物形似熔渣，在高壓氧氣流的吹力下，將熔渣吹掉，同時伴隨燃燒金屬的氧化反應放出大量熱量，又進一步預熱下一層金屬使其達到燃點。它是一個預熱——燃燒——吹渣的連續過程。

在上述原理的反應過程中，值得注意的是，預熱所要達到的溫度是金屬燃點（燃燒溫度），而不是金屬的熔點（熔化溫度），一般碳鋼按其碳含量不同其燃點在1100℃～1350℃左右，而熔點約在1500℃左右。其切割過程實質上是金屬燃燒過程（劇烈氧化反應過程）。并不是金屬的融化過程；火焰切割過程所需要的熱量主要依靠金屬燃燒放熱反應提供的（約占70%），其實燃氣提供的只占有30%的熱量。根據以上還原性，則可以理解火焰切割的基本條件和其應用范圍。

（1）金屬材料的燃點應低于熔點。如銅、鋁、鑄鐵的燃點高于熔點故不宜采用火焰切割。

（2）金屬材料熔點應高于氧化物熔點。只有這樣，在金屬未熔化前，將熔渣還是液體狀態時從切口處被吹掉。否則，因高熔點氧化物在割縫中存在，將阻礙下一層金屬與切割氧氣流發生氧化燃燒反應的進行，如鉻鋼，鉻鎳合金不銹、高碳鋼，壓鑄鐵等，其氧化物熔點高于在體金屬熔點。故也不宜采用，當需要采用火焰切割時，則需要采用氧—溶劑切割法技術，即在切割時，需要向切割區送入金屬粉末（如鐵粉、鋁粉）利用他們的燃燒增熱和除渣作用實施切割。

（3）金屬材料熔渣黏度要低，流動性物體可以從切口處吹掉，否則，黏在切口上，影響切口邊緣整齊。

（4）金屬燃燒反應能放出大量熱量，應是放熱反應。

（5）金屬的導熱傳能差，否則預熱和金屬燃燒的熱量很快被散發，難以達到熔點。

2 氫氧焰切割應用過程故障實效分析

自公司連鑄坯氫氧焰切割工藝應用以來，先后曾出現一些有關工藝、設備及質量問題，通過分析試驗質量不斷改進提高，暴露的問題已得到解決，氫氧焰在連鑄坯的應用工藝技術也日趨成熟，現對在應用過程出現的主要技術故障進行實效分析：

電解槽泄漏，該故障主要發生在薄盒式電解槽，泄漏部位主要出現在導電盒體與陽極薄板之間的密封面上，泄漏故障表現多數出現于電解槽發生回火或經使用數月以后，新電解槽出現的泄漏故障較少，故障產生的原因主要有以下幾點：

（1）設計方面，密封結構可靠性不足，薄盒式電解槽的導盒體四周安裝邊密封面剛性低，屬于非剛性密封，完全依靠緊固螺栓，產生的緊固力和耐堿橡膠墊壓縮回彈量產生的密封效果一旦出現緊固力變化，或者橡膠墊壓縮變形量和回彈能力改變，及盒體安裝邊材料出現變形則容易出現泄漏故障。

（2）橡膠密封墊老化，橡膠密封墊壓縮變形過大，由于電解槽的工作溫度較高（約80℃左右）經長期工作橡膠老化逐漸失去彈性或因緊固螺栓緊固力過大，橡膠產生過大的壓縮變形，逐漸失去回彈力造成泄漏。

（3）電解槽受到禁錮力的大小不均衡導致易打火回火爆鳴使導電盒體變形，使緊固面螺栓之間局部密封間隙過大。導致極板和備件使用量大，形成資源浪費。

（4）盒式電解槽四周緊固螺栓多大上百個，對于緊固的操作方法要求嚴格，一旦緊固力不均就會引起局部密封間隙過大，密封性能差，成品合格率低。

極板早期失效。電極板早期損壞，主要模式是極板表面鍍層鼓泡，脫落，極板基體材料腐蝕甚至穿孔，導致電解槽工作失常，嚴重時引起短路發生內爆，經試驗分析驗證，產生原因有：（1）電解用水水質中含有氯離子（cl-）超標，早期公司采用自來水作為電解用水，對水中的氯離子鐵離子沒有進行嚴格控制，氯離子對鍍層及極板基體材料有很強的化學腐蝕和電化學腐蝕作用，氯離子不但活性大，且原子半徑小能滲入鍍層針孔，氣乳與基體產生反應并產生氫氣，使鍍層剝離，又進一步對基體產生選擇性腐蝕，使極板快速被腐蝕。（2）鍍層質量如果鍍層質量控制不好也會引起鍍層的針孔率過高，則容易被氯離子等腐蝕介質所浸蝕。

回火故障在安全特性分析中對回火產生的基本條件及成因作了分析，現針對發生在操作過程中的直接原因作分析：

（1）割炬割咀與被割坯件相距過近，引起混合氣或切割氧的反向壓力過大，使混合燃氣流速受阻而產生回火。

（2）在坯件預熱，通切割氧坯件尚未切透而氧壓過大產生反向壓力

（3）防回火水封裝置水封面高度不夠或因安裝制造原因引起單向閥的閥件與閥體間隙過大，大于阻火安全間隙0.008cm，使阻火失效。

故障預防措施：根據上述故障原因，在實踐中將故障模式反饋給供貨單位一起共同討論采取對策、措施并取得了一些顯著的效果。

（1）將以前盒式電解槽改為為圓型電解槽，本身結構合理，抗爆能力強。電解極板采用三段式極板對內爆具有緩沖作用。使得電解槽整體抗爆能力增強，多次破壞性內爆試驗電解槽完好無損。老式電解槽為方型單盒式電解槽抗爆能力弱，一旦回火至電解槽必然產生變形、泄露，須立即維修與更換極板、端板、密封墊件等。同等級爆現象，圓形電解槽與老式電解槽相比顯現出無與倫比的優越性，圓形電解槽的抗爆性會更好。獨特的密封墊結構在內爆過程中對極板起到緩沖作用，有效的保護了極板。回火頻繁嚴重后，電解槽只需維護或需要時更換內部極板即可，無需更換端板、圓筒組件等。其它電解槽零件組裝后可繼續使用，維護成本低。而老式電解槽爆則需更換整個電解槽。

（2）通過對盒式電解槽的使用分析，盒式電解槽為面密封，密封面積廣，一旦稍有扭曲就會形成密封漏點，圓型電解槽將以往的面密封改為線密封，這樣減少了密封面積，在電解槽的扭曲力作用下也不會隨之扭曲變形，減少了漏點的出現，加之三段式極板的配合，同時也降低了電解槽回爆的概率也節省資源，由于電解槽內部是以水作為電解質參與電解，水里的雜質及電解后的雜質都存在與水中沉積在電解槽底部，三段式極板底部為橡膠不參與電解，這樣雜質就不會附著在極板上，增加了極板的使用壽命。電解槽在工作狀態下的水位為電解槽的2/3，加滿會形成帶水和反液現象，三段式極板上段還是采用橡膠，這樣一來將避免了電解不到的地方通電及鍍鎳浪費能源。

（3）針對電解槽密封性差，我公司所采用的密封墊通過與專業橡膠制品生產廠家的長期研究和改進，使用2-3年質量仍完好無損，且在日常打開電解槽進行維護維修時，密封墊質量完好，杜絕了老式結構只要維護維修就必須更換密封墊的弊端。由于采用了新型結構的電解槽結構形式，使得電解槽的密封性能從根本上得以解決，經過高壓氣密性檢驗無泄露，經長期使用無任何泄漏現象發生，為公司節約了成本。老式電解槽由于結構上的弊端，采用的密封墊使用壽命短，密封性能差，單個螺絲松動或緊固不均勻就極易造成電解液泄漏，甚至打火并且極易造成極板腐蝕與破壞。電解槽維護周期短，維護量大，維護質量難以有效保證，影響生產的頻度高。

（4）新式圓型電解槽替代盒式電解槽，只用六根絲杠緊固，淘汰了過去一套電解槽用幾百個螺栓緊固造成安裝、維修極為不便，故障率高，維修費用高等缺點。新型電解槽經過多年市場考驗，具有工作可靠、體積小、密封性能優良、抗暴能力強、散熱性能好、壽命長、拆卸簡單、維修方便，維護成本低，有效降低了維護維修對生產的影響等優點；

（5）經過反滲透設備，可對水質進行過濾，不僅去除水中的雜質，還可以去除水中的鈣、鎂離子及氯離子，可大大提高設備的壽命。

3 今后的技術改進與發展

當前國內氫氧焰在連鑄火焰切割工藝技術創新與發展方向主要有以下方面：（1）提高能源效率，節能降耗；（2）提高設備工藝裝備的可靠性，可維修性和安全性，提高設備利用率；（3）對切割工藝改進提高，采用新工藝、新技術、新材料降低工藝成本。現根據技術發展趨勢，結合公司實際情況對今后工藝發展提出以下意見或建議：

3.1 采用斷火切割技術

目前公司火焰切割工藝，在整個切割過程中，無論在實施坯件切割作業還是處于坯件切割后的停機間隙過程時間，水電解氫氧發生器始終是處于運行工作狀態，這樣發生器在待機間隙過程時間所作的是無效功，造成能源的浪費設備的損耗。采用斷火切割工藝，是通過控制器實施在待機階段斷火停機，來降低能耗和設備及工裝的損耗，進而降低運行成本。

3.2 改進氫氧焰火焰切割割炬割咀

為適應高速高效切割作業，改進噴咀結構，提高切割氧流速，設計改進超聲速噴咀，改進混合氣通道孔徑及分布，提高氫氧焰切割效率可根據空氣動力學原理，對切割氧通徑及型腔按高壓收縮達到喉徑然后逐漸進入擴散膨脹。然后穩流，使氧流達到超聲速。按其不同功能段設計型腔面及其尺寸，并經過切割試驗驗證，來研制適合公司連鑄坯火焰切割的割炬割咀。

3.3 進一步改進切割工藝參數實施混合氣，切割氣供給智能化控制

目前采用的混合氣，切割氧的供給流量、壓力在整個切割過程是一次調節完成后固定不變的，但實際實施切割過程中的不同階段，預熱開始加熱到燃點，到通氧開始，到預定壓力；切割開始到切縫形成，切割速度開始提速到正常規定速度，這些過程中預熱、燃燒、吹渣各個過程實際需用混合氣量及高壓氧流量，壓力應按需供給，需調節控制，應通過實際試驗摸索找出規律，進行智能控制，以進一步優化工藝參數，以進一步提高和穩定工藝質量和產品質量。

作者簡介：毋燕（1969—），女，陜西韓城人，陜西龍門鋼鐵有限責任公司工程師。