銅上引爐循環(huán)水系統(tǒng)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(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，由于設(shè)備的運行產(chǎn)生熱或者生產(chǎn)工藝的要求，需要對運行中的設(shè)備產(chǎn)生的熱量進行降低或散發(fā)，保證相關(guān)設(shè)備的正常運行和設(shè)備功能的正常發(fā)揮。目前，根據(jù)設(shè)備及其工作環(huán)境的不同，以及生產(chǎn)工藝的要求，常用的冷卻方式有風(fēng)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(xiàn)實生產(chǎn)中，由于水的對流換熱系數(shù)為空氣自然冷卻換熱系數(shù)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(yīng)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(chǎn)線水循環(huán)系統(tǒng)改造的設(shè)計特點、設(shè)備配置，以及運行取得的顯著效果。

1 生產(chǎn)線簡介

無氧銅桿上引連鑄生產(chǎn)線位于中國有色集團天津新材料產(chǎn)業(yè)園內(nèi)的銅分公司，寬30 m、長278 m的連鑄車間內(nèi)。該生產(chǎn)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(chǎn)品的上引連鑄生產(chǎn)，生產(chǎn)型式為熔溝式電磁感應(yīng)熔化、保溫，上引式連續(xù)鑄造生產(chǎn)線。其主要參數(shù)為：

（1）主要動力參數(shù)

電壓：380 V；

頻率：50 Hz；

用電量：≤660 kW；

水：工業(yè)水壓力：0.15～0.25 MPa；

循環(huán)水壓力：0.2～0.4 MPa；

溫度：25～35℃；

循環(huán)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(shè)備基本參數(shù)

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(chǎn)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(chǎn)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(biāo) 20×10-6。

2 背景技術(shù)

無氧銅上引連鑄機組由銅熔化系統(tǒng)、銅熔液液面跟蹤系統(tǒng)、銅熔液冷卻結(jié)晶和整體設(shè)備的冷卻系統(tǒng)、無氧銅桿牽引系統(tǒng)及無氧銅桿收線系統(tǒng)組成。其中，銅熔液冷卻結(jié)晶和整體設(shè)備冷卻系統(tǒng)中的冷卻介質(zhì)是冷卻水，冷卻速度主要與冷卻水的溫度和流量有關(guān)，冷卻水的溫度越低、冷卻水的流量越大，冷卻系統(tǒng)的冷卻速度越快。當(dāng)冷卻系統(tǒng)的冷卻管管徑、壓力等參數(shù)固定時，冷卻系統(tǒng)冷卻水的流量也被固定，整個系統(tǒng)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(tǒng)冷卻管徑內(nèi)部會形成水垢等沉積物，使冷卻管徑降低，導(dǎo)致冷卻水的流量降低。同時，水垢等沉積物會產(chǎn)生隔熱作用,因此會降低整個系統(tǒng)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(shè)備部門定期清理冷卻水流通管道和結(jié)晶器內(nèi)的水垢等沉積物。為了保證產(chǎn)品質(zhì)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(shù)企業(yè)的上引連鑄機組冷卻系統(tǒng)是由分別給廠區(qū)各個冷卻系統(tǒng)供水的總凈水循環(huán)系統(tǒng)對該設(shè)備的爐體線圈及結(jié)晶器直接進行冷卻，回水經(jīng)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(huán)水池。上述總凈水循環(huán)系統(tǒng)的水質(zhì)無法保證上引爐的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致對上引桿的質(zhì)量造成影響。同時，牽引系統(tǒng)結(jié)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(qū)總凈水循環(huán)系統(tǒng)則必須重點保證上引爐系統(tǒng)總體供水壓力要達到0.32 MPa以上，因此造成總凈水循環(huán)系統(tǒng)水壓調(diào)高，水泵電機電流增幅較大，導(dǎo)致能源浪費。另外，總凈水循環(huán)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)瞬間斷電、停水，會立刻造成上引爐結(jié)晶器、保溫線圈等設(shè)備損壞及生產(chǎn)線的全線停車。

3 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在不足

3.1 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀

上引爐系統(tǒng)，是由中色天津新材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)總凈水循環(huán)系統(tǒng)對其設(shè)備爐體線圈及結(jié)晶器直接進行冷卻，回水經(jīng)高度差直接回到車間自有小水池后，經(jīng)水泵送回大循環(huán)水池。

3.2 存在不足

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

（2）由于大循環(huán)用水采用普通水，容易在結(jié)晶器等需要冷卻處結(jié)成水垢等沉積物，導(dǎo)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(chǎn)生隔熱作用,降低整個系統(tǒng)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(shè)備部門定期清理冷卻水流通管道和結(jié)晶器內(nèi)的水垢等沉積物,影響生產(chǎn)的同時，提高了生產(chǎn)成本。

（3）上引連鑄機組的冷卻系統(tǒng)，特別是結(jié)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(qū)大循環(huán)系統(tǒng)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(qū)大循環(huán)系統(tǒng)對車間的總體供水壓力甚至更高，從而造成了大系統(tǒng)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(qū)大循環(huán)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，將瞬間斷電停水，立刻造成無氧銅上引爐結(jié)晶器、保溫線圈等設(shè)備損壞及生產(chǎn)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(shè)備水壓、水質(zhì)及冷卻水連續(xù)性要求較高等，造成的整個園區(qū)凈循環(huán)系統(tǒng)水壓調(diào)高，電流增大而導(dǎo)致的能源浪費、上引相關(guān)冷卻設(shè)備的損壞，造成該生產(chǎn)線全線停車問題。

5 機構(gòu)及裝置

本系統(tǒng)主要由4大部分組成：熔液冷卻結(jié)晶系統(tǒng)、冷卻換熱系統(tǒng)、自動補水系統(tǒng)和調(diào)壓系統(tǒng)。熔液冷卻結(jié)晶系統(tǒng)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(tǒng)，特別是結(jié)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(jié)晶系統(tǒng)。

冷卻換熱系統(tǒng)（見圖1），冷卻換熱系統(tǒng)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(jié)晶系統(tǒng)分別接熱進和熱出后對上引連鑄的結(jié)晶器進行冷卻，園區(qū)大循環(huán)系統(tǒng)接冷進冷出對熔液冷卻結(jié)晶系統(tǒng)的水源進行冷卻，也稱二次冷卻。熔液冷卻結(jié)晶系統(tǒng)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(tǒng)由補水管路（見圖1）、液控浮漂及控制系統(tǒng)組成。當(dāng)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(tǒng)發(fā)出補水指令，隨即控制系統(tǒng)將立即開啟電磁閥進行補水（見圖2），當(dāng)二次冷卻水的液位將達到上限時自動停止補水，從而實現(xiàn)自動補水功能，有效保證了水源的充足。

調(diào)壓系統(tǒng)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(diào)節(jié)溢流管截門來調(diào)節(jié)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(shè)備自循環(huán)系統(tǒng)由于水量較少，采用純凈水保證了水質(zhì)，不至于受到其它介質(zhì)的污染，避免了結(jié)晶器內(nèi)部水垢的形成，也較好地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。生產(chǎn)產(chǎn)品含銅量不小于99.95%、氧含量不大于10 ppm，明顯高于國標(biāo)20×10-6。

圖2 效果圖

系統(tǒng)改造后，無氧銅上引系統(tǒng)結(jié)晶器對水壓的要求由自循環(huán)系統(tǒng)控制，不受大循環(huán)系統(tǒng)的壓力影響，為此，大循環(huán)系統(tǒng)壓力降到0.2～0.25 MPa即可滿足園區(qū)生產(chǎn)需求，電能也隨著壓力的下調(diào)而較前期節(jié)省30%。改造前凈循環(huán)水系統(tǒng)月均耗電10.533萬kW·h，改造后月均耗電7.085萬kW·h，月均節(jié)電約3萬kW·h。

大循環(huán)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)瞬間或短時間斷電停水，不會對無氧銅上引系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，可以避免由此帶來的設(shè)備損壞。

7 結(jié)語

綜上所述，該條水循環(huán)技改完成以后，每年中色（天津）特種材料有限公司可節(jié)約成本費用（電耗）35萬元左右，其設(shè)計特點及技改后的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)可對有色金屬冶煉設(shè)備冷卻系統(tǒng)的節(jié)能工作起到一定的借鑒作用。同時，由于加入二次循環(huán)系統(tǒng)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、延緩設(shè)備壽命和提高系統(tǒng)可靠性方面都起到了積極的作用。