【国际技术】控制冷却系统 提升薄板坯质量

        薄板坯连铸机结晶器的首要目的是通过释放钢水的过热和凝固潜热使之从液态开始凝固。受结晶器正常工作和相应冷却水系统驱动的均匀及可预测的冷却过程是影响连铸坯初期表面特性的关键。 

        冷却水系统探究 

        水因其成本低、易获得和良好的热传递性能而被用于冷却系统。因为水的比热（4.184 kJ/kg）使其能够将结晶器弯月面处的热量迅速高效地带走，所以采用水作为冷却水箱的冷却介质。在结晶器中，尤其是在结晶器的弯月面处，高热流是非常重要的，均匀的冷却是防止表面缺陷（如纵向表面裂纹）的关键因素。 

        在凝固过程中，热量必须通过初生坯壳、气隙、结晶器保护渣和铜板排到大量的冷却水中。结晶器冷却水箱一般由含银、铬锆或镍铍的铜合金制成。这些铜合金具有不同的影响冷却曲线的导热系数和硬度值。由于极高的热通量，结晶器冷却水回路被设计成闭合环路，注满高质量的补给水。传统方法采用沸石软化法处理补给水，以减少水中的硬矿物质。软化处理可以除去钙和硬离子，但无法清除其他溶解物。由于连铸速度提高，许多薄板坯连铸机现改用更高质量的反渗透处理水或脱盐水，以除去冷却水中几乎所有的溶解离子。这大大提高了系统的总体水质，使水中杂质不再成为连铸工艺的不稳定源之一。 

        薄板坯连铸机一次冷却水系统通常设计为一个加压环路或不加压开口系统，为钢流提供一个散热器。每个系统按预设温度给宽面和窄面冷却板提供充足的水流和压力。因为系统被加压，且并未释放到大气中，必须用静力法将空气从系统中适当地清除出去。同时，还须完善一些设备维护项目，以防止从水泵接口和其他可能的系统渗入点进入的空气污染。不能充分地从系统中清除游离气体可造成热传递不均，导致系统不稳定。通过横向连接到另一个冷却水系统提供应急冷却，这也可能导致结晶器冷却水环路受到较低质量冷却水的污染。 

        还有一种一次冷却水系统通过一个开口水环路提供冷却水。虽然这种系统也是闭合环路，但它具有与大气连通的大储水箱，通常还有同样与大气连通的集成式应急水塔。结晶器水泵供应35℃～40℃的冷却水，流量和压力与加压式结晶器冷却水环路中描述的相同。 

冷却水控制四大要点 

        腐蚀控制、矿物质垢皮控制、微生物控制和水系统结垢控制都是适当的冷却水处理程序的控制要点。 

        腐蚀控制。连铸机结晶器冷却水系统内的腐蚀通常发生在碳钢水箱中和碳钢管路内，尤其是易潮或易干区域。由于钢中的铁元素与水中的溶解氧发生反应，在腐蚀面产生氧化铁腐蚀产物。 

        热循环和热应力的存在可增加氧化金属的剥落或脱层。由于氧化金属具有不同的热膨胀系数，且比钢更脆，它们更易剥落。一次冷却系统的各组件在贯穿其操作和停机的整个服役期中，要经受许多热循环。热瞬变和相关的热应力会加快剥落现象，使腐蚀更深地穿透到金属亚层中。震动也能影响剥落速率。 

        结晶器水系统的腐蚀通过增加全铁和溶解铁的浓度而污染一次冷却水。这些铁组分可造成沉积和热传递表面的系统性结垢。铁可通过下列途径进入到一次冷却系统的主供水中：将结晶器水箱放置到闲置的系统中；由水泵旋转造成的系统液压槌现象；因长时期停产造成的湿/干区；排水后遗留下的积水；未注满水的管道和系统组件；次冷却系统组件的腐蚀或磨损；水处理工艺的防腐措施不力；系统补给水受到污染；应急水系统操作和处理不当。 

        矿物质垢皮控制。天然水中含有溶解的金属盐，它们沉积到冷却系统的热传递表面上形成矿物垢皮。随着温度的上升，这些矿物质更易发生沉积。许多垢皮的晶态组织造成规则的晶格结构的沉积物，其绝缘性超过铜的75倍。在5MW/m2或更高的热通量下，厚度小于一张纸的垢层可导致表层温度升高38℃以上。 

        任何特定系统的结垢现象都是许多因素的产物，包括冷却水中已溶解离子的浓度、水流速率、热通量以及形成沉积盐的离子对的溶解度常数等。一般而言，较高的已溶解离子浓度（水中的盐量）、较高的热通量和较小的水流速率等均能增加矿物垢的形成。造成结垢的因素如下：局部或整体水过饱和，超过了矿物质的溶解度；成核点产生小垢皮的颗粒；接触时间方面，晶体形成需要暴露时间；沉积速率必须大于分解速率。 

        垢皮本身的高绝缘性加重了结垢问题的严重性，并且会严重地缩短高传热设备（如结晶器铜板）的服役寿命，并增加维护成本。垢皮的绝缘效应并不均匀，造成不均匀的热传递，使结晶器的部分区域在更高的温度下工作。加重结晶器冷却水结垢的各种污染源可通过下列途径进入系统：因软化剂、脱盐剂或反渗透处理无效或失败，没有或未充分利用控制结垢和腐蚀的抑制剂/分散剂等因素，从而导致补给水处理不充分或未处理；应急冷却水或热交换器造成冷却污染；结晶器溶剂或添加剂的交叉污染；使用了错误的化学处理程序或应用方法。 

        微生物控制。结晶器冷却水环路具有微生物生长的理想环境。许多因素（如水温、暴露于大气、方便的食物源、死水区和交叉污染）增加了微生物污染控制的难度。一般而言，水系统中90%以上的细菌属于固着类细菌，是加重腐蚀和结垢的因素。这样一来，不仅须对主冷却水中的微生物活动进行日常监控，还要评估表面微生物活动。 

        固着类细菌活动能很快地导致黏液层、垢皮和污染物的形成，它们黏附于系统表面，起到隔绝系统与防腐剂的作用。这些碎片和黏液允许一些离子（即硫酸盐和氯化物）穿透黏液到达金属表面并聚集，加重金属的腐蚀速度。在冷却水系统中形成的黏液和碎片最能说明微生物活动的有害性和腐蚀性。碎片和黏液层可在管壁上产生一个脱氧环境，从而使厌氧菌得以生长。厌氧菌将硫酸盐离子还原成硫化物离子；在这一还原过程中发生腐蚀且产生硫化物腐蚀源。即使在不锈钢冷却水系统中，这种条件对冶金工艺仍然极其有害。硫化氢能极快地腐蚀大多数不锈钢品种。 

        频繁地检测微生物对判断细菌种群种类也是极其重要的。细菌种类众多是控制不力的警示信号。此外，还可针对特定难点对系统内不同位置的微生物活动进行评估。除直接检测微生物活动以外，间接的观察（如防腐剂的变异和可见的黏液迹象等）也能说明微生物控制不力。采取预防监控措施以保持冷却水的总体良好状态非常关键。 

        水系统结垢控制。水系统结垢通常指水中悬浮固体颗粒的沉积。不溶铁（腐蚀产物）、二氧化硅（尘）、析出矿物垢皮和脱落的微生物质均能成为冷却系统的污染物。系统污垢可造成系统操作和维护方面的问题，通常采用合适的防腐、防微生物和结垢控制措施与良好的机械操作方法相结合来控制冷却水系统污染。水泵的正常运转、水槌现象的减少、高效过滤装置的安装、低水流和无流动区域的消除以及应急冷却系统的适当运用等措施均有利于减少系统污染。 

        在过去，解决这4个主要污染指标足以保证一次冷却水的正常状态。当前更高的连铸要求增加了冷却水程序的压力，导致对工艺要求而言传统的处理方法出现差距。 

冷却系统改进新思路 

        薄板坯连铸机对冷却水质量和冷却程序的一致性提出更高要求，以保证生产的正常运行。运用新的方法和技术成为必要，这些新方法和新技术的采用能消除工艺的不稳定性。这里提出的薄板坯一次冷却水处理新法要从以下几个方面入手： 

        自动化控制、通讯和报警通知得到改进。结晶器冷却水处理程序的自动化控制使防腐剂和杀菌剂受到直接控制，保证了处理用药剂维持在特定控制范围内，并对药剂剂量进行核实。得到加强的通讯和报警能力使主要指标受到监控，并且一旦出现不合格状况立即报警。 

        高热流条件下防腐剂和杀菌剂的选择和应用。防腐剂和杀菌剂不能对热传递效果产生负面影响，这一点非常关键。采用一种主动性方法评估高热流结晶器冷却水化学试剂的影响会有助于处理程序的选择。此外，结晶器冷却水处理程序应尽量能抑制或原地清除氧化铜，以保证结晶器铜板冷面的热交换面保持清洁和不增加弯月面沸腾风险。Nalco Cast CleanTM是为结晶器水处理程序设计的一组配套技术，与3D TRASAR和Nalco 360结合使用形成一套完整的冷却水处理法。这一组合技术可解决高热流操作带来的挑战性问题，已经在薄板坯一次冷却水系统上证明了其效果。 

        冷却水系统的操作得到优化。研究并调整各种机械和操作变量，以优化冷却水系统的功效和一致性。了解冷却系统的能力和局限对整体解决方案而言非常重要，以保证冷却水均匀而一致地发挥效能。 

        为各个结晶器冷却水系统设计特定的化学药剂用量。薄板坯连铸机的终点产品质量要求、生产率和维护要求各不相同。因此，应通过将具体现场要求与薄板坯连铸机通用标准相结合，为每个系统量身定制化学药剂用量和控制范围。 

        新型的一次冷却水管理新法要集改进的自动化控制、数据收集和水处理化学药剂用法于一身，有助于解决弯月面沸腾和系统沉积结垢问题。