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控制冷卻系統 提升薄板坯質量
作者：admin 發布于：2015-11-14 2:10 Saturday
薄板坯連鑄機結晶器的首要目的是通過釋放鋼水的過熱和凝固潛熱使之從液態開始凝固。受結晶器正常工作和相應冷卻水系統驅動的均勻及可預測的冷卻過程是影響連鑄坯初期表面特性的關鍵。
冷卻水系統探究
水因其成本低、易獲得和良好的熱傳遞性能而被用于冷卻系統。因為水的比熱(4.184kJ/kg)使其能夠將結晶器彎月面處的熱量迅速高效地帶走，所以采用水作為冷卻水箱的冷卻介質。在結晶器中，尤其是在結晶器的彎月面處，高熱流是非常重要的，均勻的冷卻是防止表面缺陷(如縱向表面裂紋)的關鍵因素。
在凝固過程中，熱量必須通過初生坯殼、氣隙、結晶器保護渣和銅板排到大量的冷卻水中。結晶器冷卻水箱一般由含銀、鉻鋯或鎳鈹的銅合金制成。這些銅合金具有不同的影響冷卻曲線的導熱系數和硬度值。由于極高的熱通量，結晶器冷卻水回路被設計成閉合環路，注滿高質量的補給水。傳統方法采用沸石軟化法處理補給水，以減少水中的硬礦物質。軟化處理可以除去鈣和硬離子，但無法清除其他溶解物。由于連鑄速度提高，許多薄板坯連鑄機現改用更高質量的反滲透處理水或脫鹽水，以除去冷卻水中幾乎所有的溶解離子。這大大提高了系統的總體水質，使水中雜質不再成為連鑄工藝的不穩定源之一。
薄板坯連鑄機一次冷卻水系統通常設計為一個加壓環路或不加壓開口系統，為鋼流提供一個散熱器。每個系統按預設溫度給寬面和窄面冷卻板提供充足的水流和壓力。因為系統被加壓，且并未釋放到大氣中，必須用靜力法將空氣從系統中適當地清除出去。同時，還須完善一些設備維護項目，以防止從水泵接口和其他可能的系統滲入點進入的空氣污染。不能充分地從系統中清除游離氣體可造成熱傳遞不均，導致系統不穩定。通過橫向連接到另一個冷卻水系統提供應急冷卻，這也可能導致結晶器冷卻水環路受到較低質量冷卻水的污染。
還有一種一次冷卻水系統通過一個開口水環路提供冷卻水。雖然這種系統也是閉合環路，但它具有與大氣連通的大儲水箱，通常還有同樣與大氣連通的集成式應急水塔。結晶器水泵供應35℃～40℃的冷卻水，流量和壓力與加壓式結晶器冷卻水環路中描述的相同。
冷卻水控制四大要點
腐蝕控制、礦物質垢皮控制、微生物控制和水系統結垢控制都是適當的冷卻水處理程序的控制要點。
腐蝕控制。連鑄機結晶器冷卻水系統內的腐蝕通常發生在碳鋼水箱中和碳不銹鋼碳素鋼復合管路內，尤其是易潮或易干區域。由于鋼中的鐵元素與水中的溶解氧發生反應，在腐蝕面產生氧化鐵腐蝕產物。
熱循環和熱應力的存在可增加氧化金屬的剝落或脫層。由于氧化金屬具有不同的熱膨脹系數，且比鋼更脆，它們更易剝落。一次冷卻系統的各組件在貫穿其操作和停機的整個服役期中，要經受許多熱循環。熱瞬變和相關的熱應力會加快剝落現象，使腐蝕更深地穿透到金屬亞層中。震動也能影響剝落速率。
結晶器水系統的腐蝕通過增加全鐵和溶解鐵的濃度而污染一次冷卻水。這些鐵組分可造成沉積和熱傳遞表面的系統性結垢。鐵可通過下列途徑進入到一次冷卻系統的主供水中：將結晶器水箱放置到閑置的系統中；由水泵旋轉造成的系統液壓槌現象；因長時期停產造成的濕/干區；排水后遺留下的積水；未注滿水的管道和系統組件；次冷卻系統組件的腐蝕或磨損；水處理工藝的防腐措施不力；系統補給水受到污染；應急水系統操作和處理不當。
礦物質垢皮控制。天然水中含有溶解的金屬鹽，它們沉積到冷卻系統的熱傳遞表面上形成礦物垢皮。隨著溫度的上升，這些礦物質更易發生沉積。許多垢皮的晶態組織造成規則的晶格結構的沉積物，其絕緣性超過銅的75倍。在5MW/m2或更高的熱通量下，厚度小于一張紙的垢層可導致表層溫度升高38℃以上。
任何特定系統的結垢現象都是許多因素的產物，包括冷卻水中已溶解離子的濃度、水流速率、熱通量以及形成沉積鹽的離子對的溶解度常數等。一般而言，較高的已溶解離子濃度(水中的鹽量)、較高的熱通量和較小的水流速率等均能增加礦物垢的形成。造成結垢的因素如下：局部或整體水過飽和，超過了礦物質的溶解度；成核點產生小垢皮的顆粒；接觸時間方面，晶體形成需要暴露時間；沉積速率必須大于分解速率。
垢皮本身的高絕緣性加重了結垢問題的嚴重性，并且會嚴重地縮短高傳熱設備(如結晶器銅板)的服役壽命，并增加維護成本。垢皮的絕緣效應并不均勻，造成不均勻的熱傳遞，使結晶器的部分區域在更高的溫度下工作。加重結晶器冷卻水結垢的各種污染源可通過下列途徑進入系統：因軟化劑、脫鹽劑或反滲透處理無效或失敗，沒有或未充分利用控制結垢和腐蝕的抑制劑/分散劑等因素，從而導致補給水處理不充分或未處理；應急冷卻水或熱交換器造成冷卻污染；結晶器溶劑或添加劑的交叉污染；使用了錯誤的化學處理程序或應用方法。
微生物控制。結晶器冷卻水環路具有微生物生長的理想環境。許多因素(如水溫、暴露于大氣、方便的食物源、死水區和交叉污染)增加了微生物污染控制的難度。一般而言，水系統中90%以上的細菌屬于固著類細菌，是加重腐蝕和結垢的因素。這樣一來，不僅須對主冷卻水中的微生物活動進行日常監控，還要評估表面微生物活動。
固著類細菌活動能很快地導致黏液層、垢皮和污染物的形成，它們黏附于系統表面，起到隔絕系統與防腐劑的作用。這些碎片和黏液允許一些離子(即硫酸鹽和氯化物)穿透黏液到達金屬表面并聚集，加重金屬的腐蝕速度。在冷卻水系統中形成的黏液和碎片最能說明微生物活動的有害性和腐蝕性。碎片和黏液層可在管壁上產生一個脫氧環境，從而使厭氧菌得以生長。厭氧菌將硫酸鹽離子還原成硫化物離子；在這一還原過程中發生腐蝕且產生硫化物腐蝕源。即使在不銹鋼冷卻水系統中，這種條件對冶金工藝仍然極其有害。硫化氫能極快地腐蝕大多數不銹鋼品種。
頻繁地檢測微生物對判斷細菌種群種類也是極其重要的。細菌種類眾多是控制不力的警示信號。此外，還可針對特定難點對系統內不同位置的微生物活動進行評估。除直接檢測微生物活動以外，間接的觀察(如防腐劑的變異和可見的黏液跡象等)也能說明微生物控制不力。采取預防監控措施以保持冷卻水的總體良好狀態非常關鍵。
水系統結垢控制。水系統結垢通常指水中懸浮固體顆粒的沉積。不溶鐵(腐蝕產物)、二氧化硅(塵)、析出礦物垢皮和脫落的微生物質均能成為冷卻系統的污染物。系統污垢可造成系統操作和維護方面的問題，通常采用合適的防腐、防微生物和結垢控制措施與良好的機械操作方法相結合來控制冷卻水系統污染。水泵的正常運轉、水槌現象的減少、高效過濾裝置的安裝、低水流和無流動區域的消除以及應急冷卻系統的適當運用等措施均有利于減少系統污染。
在過去，解決這4個主要污染指標足以保證一次冷卻水的正常狀態。當前更高的連鑄要求增加了冷卻水程序的壓力，導致對工藝要求而言傳統的處理方法出現差距。
冷卻系統改進新思路
薄板坯連鑄機對冷卻水質量和冷卻程序的一致性提出更高要求，以保證生產的正常運行。運用新的方法和技術成為必要，這些新方法和新技術的采用能消除工藝的不穩定性。這里提出的薄板坯一次冷卻水處理新法要從以下幾個方面入手：
自動化控制、通訊和報警通知得到改進。結晶器冷卻水處理程序的自動化控制使防腐劑和殺菌劑受到直接控制，保證了處理用藥劑維持在特定控制范圍內，并對藥劑劑量進行核實。得到加強的通訊和報警能力使主要指標受到監控，并且一旦出現不合格狀況立即報警。
高熱流條件下防腐劑和殺菌劑的選擇和應用。防腐劑和殺菌劑不能對熱傳遞效果產生負面影響，這一點非常關鍵。采用一種主動性方法評估高熱流結晶器冷卻水化學試劑的影響會有助于處理程序的選擇。此外，結晶器冷卻水處理程序應盡量能抑制或原地清除氧化銅，以保證結晶器銅板冷面的熱交換面保持清潔和不增加彎月面沸騰風險。NalcoCastCleanTM是為結晶器水處理程序設計的一組配套技術，與3DTRASAR和Nalco360結合使用形成一套完整的冷卻水處理法。這一組合技術可解決高熱流操作帶來的挑戰性問題，已經在薄板坯一次冷卻水系統上證明了其效果。
冷卻水系統的操作得到優化。研究并調整各種機械和操作變量，以優化冷卻水系統的功效和一致性。了解冷卻系統的能力和局限對整體解決方案而言非常重要，以保證冷卻水均勻而一致地發揮效能。
為各個結晶器冷卻水系統設計特定的化學藥劑用量。薄板坯連鑄機的終點產品質量要求、生產率和維護要求各不相同。因此，應通過將具體現場要求與薄板坯連鑄機通用標準相結合，為每個系統量身定制化學藥劑用量和控制范圍。
新型的一次冷卻水管理新法要集改進的自動化控制、數據收集和水處理化學藥劑用法于一身，有助于解決彎月面沸騰和系統沉積結垢問題。
冷卻水系統探究
水因其成本低、易獲得和良好的熱傳遞性能而被用于冷卻系統。因為水的比熱(4.184kJ/kg)使其能夠將結晶器彎月面處的熱量迅速高效地帶走，所以采用水作為冷卻水箱的冷卻介質。在結晶器中，尤其是在結晶器的彎月面處，高熱流是非常重要的，均勻的冷卻是防止表面缺陷(如縱向表面裂紋)的關鍵因素。
在凝固過程中，熱量必須通過初生坯殼、氣隙、結晶器保護渣和銅板排到大量的冷卻水中。結晶器冷卻水箱一般由含銀、鉻鋯或鎳鈹的銅合金制成。這些銅合金具有不同的影響冷卻曲線的導熱系數和硬度值。由于極高的熱通量，結晶器冷卻水回路被設計成閉合環路，注滿高質量的補給水。傳統方法采用沸石軟化法處理補給水，以減少水中的硬礦物質。軟化處理可以除去鈣和硬離子，但無法清除其他溶解物。由于連鑄速度提高，許多薄板坯連鑄機現改用更高質量的反滲透處理水或脫鹽水，以除去冷卻水中幾乎所有的溶解離子。這大大提高了系統的總體水質，使水中雜質不再成為連鑄工藝的不穩定源之一。
薄板坯連鑄機一次冷卻水系統通常設計為一個加壓環路或不加壓開口系統，為鋼流提供一個散熱器。每個系統按預設溫度給寬面和窄面冷卻板提供充足的水流和壓力。因為系統被加壓，且并未釋放到大氣中，必須用靜力法將空氣從系統中適當地清除出去。同時，還須完善一些設備維護項目，以防止從水泵接口和其他可能的系統滲入點進入的空氣污染。不能充分地從系統中清除游離氣體可造成熱傳遞不均，導致系統不穩定。通過橫向連接到另一個冷卻水系統提供應急冷卻，這也可能導致結晶器冷卻水環路受到較低質量冷卻水的污染。
還有一種一次冷卻水系統通過一個開口水環路提供冷卻水。雖然這種系統也是閉合環路，但它具有與大氣連通的大儲水箱，通常還有同樣與大氣連通的集成式應急水塔。結晶器水泵供應35℃～40℃的冷卻水，流量和壓力與加壓式結晶器冷卻水環路中描述的相同。
冷卻水控制四大要點
腐蝕控制、礦物質垢皮控制、微生物控制和水系統結垢控制都是適當的冷卻水處理程序的控制要點。
腐蝕控制。連鑄機結晶器冷卻水系統內的腐蝕通常發生在碳鋼水箱中和碳不銹鋼碳素鋼復合管路內，尤其是易潮或易干區域。由于鋼中的鐵元素與水中的溶解氧發生反應，在腐蝕面產生氧化鐵腐蝕產物。
熱循環和熱應力的存在可增加氧化金屬的剝落或脫層。由于氧化金屬具有不同的熱膨脹系數，且比鋼更脆，它們更易剝落。一次冷卻系統的各組件在貫穿其操作和停機的整個服役期中，要經受許多熱循環。熱瞬變和相關的熱應力會加快剝落現象，使腐蝕更深地穿透到金屬亞層中。震動也能影響剝落速率。
結晶器水系統的腐蝕通過增加全鐵和溶解鐵的濃度而污染一次冷卻水。這些鐵組分可造成沉積和熱傳遞表面的系統性結垢。鐵可通過下列途徑進入到一次冷卻系統的主供水中：將結晶器水箱放置到閑置的系統中；由水泵旋轉造成的系統液壓槌現象；因長時期停產造成的濕/干區；排水后遺留下的積水；未注滿水的管道和系統組件；次冷卻系統組件的腐蝕或磨損；水處理工藝的防腐措施不力；系統補給水受到污染；應急水系統操作和處理不當。
礦物質垢皮控制。天然水中含有溶解的金屬鹽，它們沉積到冷卻系統的熱傳遞表面上形成礦物垢皮。隨著溫度的上升，這些礦物質更易發生沉積。許多垢皮的晶態組織造成規則的晶格結構的沉積物，其絕緣性超過銅的75倍。在5MW/m2或更高的熱通量下，厚度小于一張紙的垢層可導致表層溫度升高38℃以上。
任何特定系統的結垢現象都是許多因素的產物，包括冷卻水中已溶解離子的濃度、水流速率、熱通量以及形成沉積鹽的離子對的溶解度常數等。一般而言，較高的已溶解離子濃度(水中的鹽量)、較高的熱通量和較小的水流速率等均能增加礦物垢的形成。造成結垢的因素如下：局部或整體水過飽和，超過了礦物質的溶解度；成核點產生小垢皮的顆粒；接觸時間方面，晶體形成需要暴露時間；沉積速率必須大于分解速率。
垢皮本身的高絕緣性加重了結垢問題的嚴重性，并且會嚴重地縮短高傳熱設備(如結晶器銅板)的服役壽命，并增加維護成本。垢皮的絕緣效應并不均勻，造成不均勻的熱傳遞，使結晶器的部分區域在更高的溫度下工作。加重結晶器冷卻水結垢的各種污染源可通過下列途徑進入系統：因軟化劑、脫鹽劑或反滲透處理無效或失敗，沒有或未充分利用控制結垢和腐蝕的抑制劑/分散劑等因素，從而導致補給水處理不充分或未處理；應急冷卻水或熱交換器造成冷卻污染；結晶器溶劑或添加劑的交叉污染；使用了錯誤的化學處理程序或應用方法。
微生物控制。結晶器冷卻水環路具有微生物生長的理想環境。許多因素(如水溫、暴露于大氣、方便的食物源、死水區和交叉污染)增加了微生物污染控制的難度。一般而言，水系統中90%以上的細菌屬于固著類細菌，是加重腐蝕和結垢的因素。這樣一來，不僅須對主冷卻水中的微生物活動進行日常監控，還要評估表面微生物活動。
固著類細菌活動能很快地導致黏液層、垢皮和污染物的形成，它們黏附于系統表面，起到隔絕系統與防腐劑的作用。這些碎片和黏液允許一些離子(即硫酸鹽和氯化物)穿透黏液到達金屬表面并聚集，加重金屬的腐蝕速度。在冷卻水系統中形成的黏液和碎片最能說明微生物活動的有害性和腐蝕性。碎片和黏液層可在管壁上產生一個脫氧環境，從而使厭氧菌得以生長。厭氧菌將硫酸鹽離子還原成硫化物離子；在這一還原過程中發生腐蝕且產生硫化物腐蝕源。即使在不銹鋼冷卻水系統中，這種條件對冶金工藝仍然極其有害。硫化氫能極快地腐蝕大多數不銹鋼品種。
頻繁地檢測微生物對判斷細菌種群種類也是極其重要的。細菌種類眾多是控制不力的警示信號。此外，還可針對特定難點對系統內不同位置的微生物活動進行評估。除直接檢測微生物活動以外，間接的觀察(如防腐劑的變異和可見的黏液跡象等)也能說明微生物控制不力。采取預防監控措施以保持冷卻水的總體良好狀態非常關鍵。
水系統結垢控制。水系統結垢通常指水中懸浮固體顆粒的沉積。不溶鐵(腐蝕產物)、二氧化硅(塵)、析出礦物垢皮和脫落的微生物質均能成為冷卻系統的污染物。系統污垢可造成系統操作和維護方面的問題，通常采用合適的防腐、防微生物和結垢控制措施與良好的機械操作方法相結合來控制冷卻水系統污染。水泵的正常運轉、水槌現象的減少、高效過濾裝置的安裝、低水流和無流動區域的消除以及應急冷卻系統的適當運用等措施均有利于減少系統污染。
在過去，解決這4個主要污染指標足以保證一次冷卻水的正常狀態。當前更高的連鑄要求增加了冷卻水程序的壓力，導致對工藝要求而言傳統的處理方法出現差距。
冷卻系統改進新思路
薄板坯連鑄機對冷卻水質量和冷卻程序的一致性提出更高要求，以保證生產的正常運行。運用新的方法和技術成為必要，這些新方法和新技術的采用能消除工藝的不穩定性。這里提出的薄板坯一次冷卻水處理新法要從以下幾個方面入手：
自動化控制、通訊和報警通知得到改進。結晶器冷卻水處理程序的自動化控制使防腐劑和殺菌劑受到直接控制，保證了處理用藥劑維持在特定控制范圍內，并對藥劑劑量進行核實。得到加強的通訊和報警能力使主要指標受到監控，并且一旦出現不合格狀況立即報警。
高熱流條件下防腐劑和殺菌劑的選擇和應用。防腐劑和殺菌劑不能對熱傳遞效果產生負面影響，這一點非常關鍵。采用一種主動性方法評估高熱流結晶器冷卻水化學試劑的影響會有助于處理程序的選擇。此外，結晶器冷卻水處理程序應盡量能抑制或原地清除氧化銅，以保證結晶器銅板冷面的熱交換面保持清潔和不增加彎月面沸騰風險。NalcoCastCleanTM是為結晶器水處理程序設計的一組配套技術，與3DTRASAR和Nalco360結合使用形成一套完整的冷卻水處理法。這一組合技術可解決高熱流操作帶來的挑戰性問題，已經在薄板坯一次冷卻水系統上證明了其效果。
冷卻水系統的操作得到優化。研究并調整各種機械和操作變量，以優化冷卻水系統的功效和一致性。了解冷卻系統的能力和局限對整體解決方案而言非常重要，以保證冷卻水均勻而一致地發揮效能。
為各個結晶器冷卻水系統設計特定的化學藥劑用量。薄板坯連鑄機的終點產品質量要求、生產率和維護要求各不相同。因此，應通過將具體現場要求與薄板坯連鑄機通用標準相結合，為每個系統量身定制化學藥劑用量和控制范圍。
新型的一次冷卻水管理新法要集改進的自動化控制、數據收集和水處理化學藥劑用法于一身，有助于解決彎月面沸騰和系統沉積結垢問題。
