蒸發式空冷器在連鑄機上的應用分析＊

郭春梅

（廈門海洋職業技術學院，福建 廈門 361100）

0 引言

鋼鐵工業是我國國民經濟的支柱產業，是體現國民經濟發展水平和國家綜合實力的重要標志。我國的鋼鐵產量居全球第一，隨著鋼鐵工業大型化、自動化、連續化、機械化程度的提高，煉鋼鋼水的鑄坯工藝從20 世紀90 年代采用的簡單、低效、高危、高耗能的固定模鑄錠方式，轉變到高速、高效、安全、節能的連鑄機生產方式。由于國外技術封鎖，國內企業相關人員只能自行研究開發連鑄機設備。為進一步提升連鑄機高效、節能、節水的能力，對連鑄機重要部件——結晶器的循環水冷卻系統進行攻關和國產化替代。連鑄機結晶器在連鑄過程中，受鋼水的沖擊和長期處在高溫環境下作業，機體產生大量熱能，為保證連鑄機在高溫狀況下正常、安全地運行，需要冷卻水不斷地對殼體進行冷卻處理。由此可見，高效安全的冷卻水系統對連鑄機正常生產十分重要。冷卻水系統的主要換熱設備是各種空冷器。從國內外的發展經驗看，冷卻水系統有一個發展的過程，從開式循環水系統發展到閉式循環水系統，閉式循環水系統又從板式換熱器發展到蒸發空冷器。目前，工業生產中常用的設備冷卻方式包括風冷（干空氣冷卻）、水冷和油冷。各種冷卻技術對機器溫度的調節有不同的影響，對產品的生產過程也有不同的作用。其中，風冷采用可循環空氣作為冷卻介質，其冷卻效果受環境因素影響較大；水冷是工業設備溫度控制中散熱效果較好的冷卻方式，冷卻能力強，但耗水量大；油冷的運行成本則是3種冷卻方式中最高的。隨著經濟的快速發展，水資源短缺和污染問題日益嚴重，我國于2022 年6 月發布了《工業能效提升計劃》，明確指出要大力推廣節能提效的工藝技術裝備。因此，開發高效、節能、節水、環保的新型冷卻系統和設備勢在必行。蒸發式空氣冷卻器改變了傳統的水冷卻和干空氣冷卻的單一模式，綜合水冷與風冷的優點，利用換熱管表面水膜蒸發相變的潛熱傳遞機制，具有閉合循環路徑短、所需傳熱溫差小、冷卻能力強、結構緊湊、節能節水等優點［1］。本文通過對某廠蒸發式空冷器在連鑄機上的實際應用案例進行分析，進一步闡述其特點，通過智能化地計算空冷器的各項參數，提高設計的效率和準確性，為蒸發式空冷器的設計制造和推廣使用提供參考。

1 蒸發式空冷器結構及工作原理

蒸發式空冷器的結構如圖1所示，其工作原理是將水箱中的循環冷卻水，利用水泵輸送至噴淋器，噴淋器將冷卻水噴射到下方的換熱管表面，使換熱管（或換熱板片）表面形成連續均勻的薄水膜，同時利用風機從進風格柵窗口吸入空氣，空氣自下而上流動，橫掃水平放置的換熱板片或換熱管，使管子外表面的水膜蒸發，強化管外傳熱［2-3］。管外的熱傳遞不僅依賴于水膜和氣流之間的顯熱傳遞［4］，還依賴于換熱管表面水膜的快速蒸發，蒸發過程吸收大量的熱量并加速了換熱管外的傳熱。熱交換管外表面水膜的蒸發增加了通過管束的空氣濕度，使空氣濕度接近飽和。風機從管束中抽取飽和濕空氣，使其通過位于噴霧器上方的除霧器，去除飽和濕空氣攜帶的水滴，除去水滴后的熱空氣從風扇出口排放到大氣中。由于風機的向上氣流在風機下方形成負壓空間，加速了換熱管外表面水膜的蒸發速度，有利于加速管外的傳熱。在表面蒸發空氣冷卻器中，冷卻后的軟水在管束內水平流動，冷卻水在管束外自上而下噴射。空氣自下而上流動，在冷卻水、空氣和被冷卻的軟水之間形成交叉流。冷卻水和空氣呈逆流，從工藝布局上提升了傳熱和傳質過程的效率。

圖1 蒸發式空冷器結構簡圖

從結構角度看，蒸發式空冷器最大的特點是冷卻塔和板式換熱器（列板式水冷卻器）的集成，替代了單獨循環水冷卻系統，減少了設備占地面積。此外，蒸發式空冷器使用熱交換管束作為傳熱管，提高了熱交換效果；并且，由于蒸發式空冷器中使用了光管束，使空氣阻力降低，因此所需風量較小［5-6］。此外，冷卻水在設備中循環使用，降低了蒸發消耗，使設備更加節水，降低了運行成本。基于上述優點，蒸發式空冷器被廣泛應用于工業機械的冷卻中。

2 空冷器在連鑄機上的作用

鋼鐵冶金技術正朝著高效、優質、低消耗與低排放的方向發展，其中的連鑄技術在當代鋼鐵工業發展中占據重要地位。連鑄技術作為鋼鐵生產過程中承上啟下的關鍵環節，不僅要保證鋼鐵質量、提高成材率及附加值，還要節能增效。

2.1 連鑄機概況

連鑄技術是一項把鋼水直接澆注成形的先進鑄造技術，連續鑄鋼的鑄造工藝過程是將熔化的金屬不斷澆入結晶器中，利用水不斷地冷卻結晶器，金屬凝成硬殼后從結晶器下方出口連續拉出，經噴水冷卻凝固后切成坯料。通過連續鑄鋼工藝，可獲得任意長度的鑄件。連鑄機結構（如圖2 所示）由鋼水包、回轉塔、中間罐、結晶器、冷卻噴嘴、電磁感應攪拌器、支撐導輥、引錠桿、火焰切割器等部件組成，連鑄技術的發展應用改變了我國金屬材料生產低效率、高消耗的現狀，連鑄機鋼坯可以實現直接裝爐軋制，不僅提高了鋼鐵的綜合成材率和鑄坯質量［7］，還節約能源，利于實現機械自動化，適用于板坯寬厚比大的鋼坯鑄造。

圖2 板坯連鑄流程圖［7］

2.2 空冷器在連鑄機中的作用

結晶器是連鑄機的重要部件，被稱為連鑄設備的“心臟”，是一種鋼水制冷成型設備［4-5］，由框架、水箱和銅板（背板與銅板）、調整系統（調整裝置）、減速機、潤滑系統（油管油路）、冷卻系統和噴淋等設備組成［8］。結晶器使鋼液逐漸凝固成所需規格、形狀的坯殼，結晶器的振動使坯殼脫離結晶器壁而不被拉斷和漏鋼，通過調整結晶器的參數，可避免鑄坯產生脫方、鼓肚和裂紋等缺陷［9］。因此，在連鑄過程中，對鋼水溫度參數的控制要求嚴格，溫度過高或過低都會影響鑄坯質量和生產安全性。

為保證連鑄機的主要部件結晶器在高溫下正常工作，利用軟水對結晶器進行冷卻，軟水升溫后經過蒸發空冷器冷卻降溫。連鑄機結晶器軟水的回水通過管道輸送到蒸發空冷器冷卻后，由水泵增壓至連鑄結晶器，采用閉路循環的方式使用軟水。根據2 300 mm板坯連鑄機生產的實際狀況，要求軟水進入結晶器時的水溫為38 ℃，出口水溫為48 ℃。軟水進入空冷器，通過空冷器冷卻到38 ℃后再進入結晶器，不斷閉路循環，達到冷卻和節水效果（如圖3所示）。

圖3 連鑄結晶器+蒸發空冷器運行示意圖

3 應用案例分析

本文以某廠2 300 mm 板坯連鑄機為例，分析蒸發式空冷器在連鑄機上的應用。某廠項目建設地區現場工況條件如下：①氣象條件，干球溫度為34 ℃，濕球溫度為27.8 ℃，相對濕度為67%。②電源條件，供電電源為380 V，控制電壓為220 VAC。

3.1 工藝參數設計

（1）適用冷卻介質：軟水閉路循環系統（軟水密閉循環系統噴淋水質要求見表1，蒸發式空冷器軟水系統水質條件見表2）。

表1 軟水密閉循環系統噴淋水質要求

表2 蒸發式空冷器軟水系統水質條件

（2）總循環水量：1 500 m3/h。

（3）工作介質：軟化水；介質進口溫度為48 ℃，介質出口溫度為38 ℃；設計壓力為1.0 MPa。

（4）安裝地點：設備安裝在軟水密閉循環泵站房屋頂；布置方式為并聯布置，間距≥1.5 m。

3.2 工藝參數計算

根據該裝置現場安裝位置的實際情況，初選空冷器結構尺寸為9 m（長）×3 m（寬），軟水經過空冷器的總換熱量Qr計算公式如下［10］：

其中：c為介質的比熱容；m為介質的質量流量；Δt為介質的進出口溫差。空冷器交換熱量也可以表示如下：

其中：K為傳熱系數，A為換熱面積，Δtm為管內流體與管外流體的平均傳熱溫差。根據熱平衡方程：K×A×Δtm=c×m×Δt求出換熱面積，再根據2 300 mm 板坯連鑄機現場工藝條件，按照空冷器設計標準設置初選空冷器的結構參數。設置空冷器軟水進水溫度為48 ℃、出水溫度為38 ℃，介質處理量為1 500 m3/h；空氣溫度、相對濕度及風量則根據當前情況設置。將空冷器在連鑄機生產線上需要的工藝參數代入空冷器整體模擬智能估算系統（如圖4所示），計算出單套空冷器管徑、管束數量、噴淋水進水溫度、流量等各項參數（見表3）。

表3 仿真計算結果

圖4 空冷器仿真設計軟件主界面

綜上所述：①采用5 臺規格為9×3 型的蒸發式空冷器，每臺蒸發式空冷器安裝風機3 臺；蒸發式空冷器單臺設備處理量為335 m3/h。②軟水進口溫度為48 ℃；出口溫度為38 ℃。③噴淋水供水方式為集中供水，噴淋水供水壓力為0.15～0.30 MPa，5臺蒸發式空冷器噴淋水總流量為750 m3/h。④設備能耗為45 kW（風機3 臺×15 kW/臺），設計壓力小于等于1.0 MPa。通過現場反饋，采用以上參數，可以滿足連鑄機的工藝要求。

4 結語

在連鑄機上采用蒸發式空冷器循環降溫，保證了連鑄機主要工作部件的正常工作，可提高結晶器的使用壽命，降低設備維修成本，并提高連鑄板坯的質量和鋼材的成材率，達到節能增效的目的。綜合考慮現場工藝條件，采用空冷器智能估算系統計算空冷器的參數，可解決傳統設計方法中公式多、圖表多、憑經驗選型的問題，節約計算時間和人工成本，縮短空冷器產品的研發周期，提高設計的準確性和效率，使空冷器冷卻效果得到保證。通過現場反饋，空冷器在板坯連鑄機上的使用效果良好。在當今水資源緊張的情況下，大力發展節能技術裝備前景可觀，蒸發式空冷器綜合了冷卻塔和板式換熱器的優點，結構緊湊，所需傳熱溫差小，降溫能力強，由于是密閉循環，節能、節水的優勢尤為突出，適合在工業生產中推廣應用。