电炉连铸循环冷却水的特点及处理方案

Posted 2023-01-13 电炉

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水在电炉炼钢和连铸生产中的地位至关重要，电炉连铸工艺精密、换热温度高、系统结构复杂，对冷却水的水质要求高。各系统常用水质设计值如表1所示。
1 电炉连铸的冷却用水
电炉连铸生产中需要大量的冷却水，一般可分为二部分：一是间接冷却水，主要用于设备冷却(包括电炉炉壳、炉盖、烟道、底电极、氧枪、液压空调及辅助设备)和结晶器的初冷；二是直接冷却水，又称为二冷喷啉，用于经结晶器初冷的钢包水型钢坯的冷却。
1.1 间接冷却水
1.1.1 结晶器冷却用水
结晶器是电炉连铸生产工序中最为关键的设备，其冷却水水质的好坏直接影响到产品的质量和铸机的连续生产。结晶器冷却水具有三大特点：换热强度大，结晶器的铜套表面温度高达1200℃以上，传热强度达8400000kJ/(m2.h)，是普通换热设备的几十倍〔1，2〕；水流速高，冷却水与钢液侧的界面处水温约为100℃，为防止水的汽化，必须保持较高流速，一般达610m/s；缝隙小，通常结晶器夹套的水缝隙厚度约为4mm，一旦结垢马上会造成堵塞；材质复杂，易产生电偶腐蚀等特点。

结晶器是高热负荷设备，为防止结垢，通常先对补充水进行软化处理，后按连铸机的特点进行水系统的设计，国内的钢铁设计院对结晶器冷却水采用如下三种设计方案：
(1)软水闭式循环。软水闭式循环是目前最为常用的一种设计方案，连铸结晶器采用软化水(或脱盐水)闭式循环，经板式换热器冷却后回用。典型的实例有上钢五厂三炼钢、马钢、新疆八一钢厂、杭钢大电炉等。该方案的特点是软化水用量小，水质容易处理，缺点是由于增加了板式换热器，循环水量增加，运行电耗较高。
(2)软水开式循环。连铸结晶器和设备冷却合并成一套大的净循环系统，用软化水补充，开式循环。北钢院对江阴兴澄钢铁公司的设计即采用此方案。该方案的特点是冷却水系统集中，现场管理方便，循环量小，缺点是软化水用量大，水质处理难度较大。
(3)半软化水开式循环。半软化水开式循环是将连铸结晶器和设备冷却水分成两个独立的净循环系统，补充半软化水，开式循环。结晶器的水质硬度一般控制在71.44mg/L以下。淮阴钢铁公司、江苏沙钢集团、苏钢厂等采用此方案。本方案的特点是循环量小，运行电耗低，缺点是系统分散，现场管理较为困难，另外由于水中残留了部分硬度，结垢趋势增强，水质处理难度增大。
1.1.2 设备冷却水
设备冷却水系统较为简单，其主要换热设备(如电炉炉壳、炉盖、烟道)的换热温度为400500℃，空调及液压等设备的换热温度则更低。通常将此设计成敞开式净循环水系统，用半软化水或工业新水补充。电炉的底电极对冷却水的电导率要求高(<400μS/cm)，故一般用软化水(或除盐水)直接冷却。
1.2 直接冷却水(二冷喷淋)
二冷喷淋为浊循环水，二冷传热是整个连铸工艺过程中的主要环节，占钢坯全部凝固传热的60%。水在钢坯冷却过程中被油污和钢坯表面的铁氧化物所污染，水中的悬浮物和油含量较高，水经回收、沉淀、高速过滤后冷却回用。二冷喷淋一般采用工业新水或净循环系统的排污水，经蒸发浓缩后pH值升高，结垢性离子增加，水中的高悬浮物和油污易在高温处沉积，造成喷嘴堵塞，水中的铁屑也易对喷嘴造成磨损。另外回水中高含量的铁离子和油有利于铁细菌、硫酸盐还原菌等厌氧菌的繁殖，长期运行会有水质发黑、发臭等现象。
2 电炉连铸的水处理方案
2.1 结晶器冷却水系统
结晶器系统主要的水质障碍为结垢和腐蚀，结垢因素主要来自于以下三个方面：水中的硬度(CaCO3垢)、水处理药剂的沉积(有机磷酸钙、锌垢)和腐蚀产物的沉积(Fe2O3)。由于普遍采用了软化水和半软化水质，使前二者得到一定的控制。但软化水中的二价金属离子含量低，pH值低，腐蚀性高于工业水，且系统的辅助设施和输水管线都是碳钢，如缓蚀达不到要求，Fe2O3的沉积会成为主要的结垢因素。另外微生物繁殖所引起的生物粘泥会在高温和低流速区沉积，阻碍传热，加速垢下腐蚀。
应用于连铸结晶器的水处理药剂品种繁多，常用的缓蚀阻垢剂有钼酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、有机磷酸盐、锌盐、有机胺、BTA、丙烯酸共聚物等，杀菌灭藻剂有优氯净、活性溴、异噻唑啉酮、季铵盐等。在选择水处理方案时要遵循适用性、配伍性、经济性的原则。钼酸盐具有耐温性强、缓蚀效果好、持效时间长等特点，适用于闭式水系统处理，但由于其使用浓度较高，价格较贵，一般很少单独使用，如与亚硝酸盐、BTA、聚合物等复合使用则能提高缓蚀阻垢效果、降低处理费用。亚硝酸盐虽有一定毒性，但应用于闭路水系统不会造成太大的环境污染。磷酸盐、有机磷酸盐一般与锌盐、BTA、聚合物复合使用，但由于磷酸盐在高温和长时间停留条件下容易水解，不适于在密闭系统使用，用于敞开式系统处理时，要严格控制水中Ca2+的浓度，防止磷酸钙、有机磷酸钙的生成。在半软化水补充的系统中，对磷、锌的浓度要严格控制。江苏某钢铁厂就曾发生过水中药剂浓度过高而引起磷、锌结垢的现象。杀菌剂的选择对处理效果也起着很关键的作用，要针对不同的水质条件选择相应的杀生剂品种。闭式循环水系统因其停留时间长、积累性强，不宜采用含氯的杀生剂，通常选用持效时间长、不起泡的非氧化性杀生剂，如异噻唑啉酮、有机醛类。使用亚硝酸盐作缓蚀处理时，需选择对硝化菌、亚硝化菌有效的杀菌剂。敞开式系统则可采用氧化性与非氧化性相结合的杀菌方式，常用的杀菌方案有氯+季铵盐或溴+季铵盐。
2.2 设备冷却水系统
设备冷却水常采用敞开式循环冷却水系统，水质障碍主要有结垢、腐蚀和微生物的繁殖。常用的阻垢缓蚀配方为：有机磷酸+聚合物+锌盐+铜缓蚀剂，该配方具有处理效果好、操作性强、经济等特点。杀菌灭藻处理则可采用氧化性与非氧化性杀生剂相结合的方式。
2.3 二冷喷淋水系统
二冷喷淋的水质处理不好易造成喷嘴的结垢堵塞和磨损、管网、轧辊的腐蚀，以及微生物的繁殖。对二冷喷淋水的处理一般分为二步。第一步是除油絮凝处理，保证出水悬浮物和油含量达到控制要求。絮凝剂一般采用阴离子聚丙烯酰胺，相对分子质量最好在800万以上，使用质量浓度为0.52.0mg/L。在回水油含量超出10mg/L时，需进行除油处理，可在沉淀池入口处投加除油絮凝剂，或用专用的一体化除油设备进行除油处理，国内也有采用SGO(生物酶)进行除油的报导。在保证出水悬浮物、油含量达到要求后，进行第二步阻垢缓蚀和杀菌处理。浊环水的水质要求低于净环水，且水中的高悬浮物易吸附药剂，一般加入几个mg/L的有机磷和丙烯酸共聚物，膦羧酸的抗吸附性强，适用于该系统的阻垢缓蚀处理。浊环水的贮水量大，从经济角度考虑，杀菌灭藻处理单独采用氧化性杀生剂，如优氯净、活性溴等，投加频率也要低于净环水系统。
3 结束语
电炉连铸在钢铁生产中占着越来越重要的地位，我国各大钢铁公司纷纷引进大电炉装置，据不完全统计引进20余套。各钢铁公司根据各自情况选用不同水处理方案，并加强水质指标监控和结晶器运行监测，短期停车的保护处理和定期的化学清洗，使电炉连铸冷却水处理逐步走向高浓缩倍率、高质量运行的良性循环，从而保证电炉连铸装置正常运行。