蒸发式空冷器在连铸机上的应用分析
0引言
钢铁工业是我国国民经济的支柱产业，是体现
国民经济发展水平和国家综合实力的重要标志。我国的钢铁产量居全球第一，随着钢铁工业大型化、自动化、连续化、机械化程度的提高，炼钢钢水的铸坯工艺从20世纪90年代采用的简单、低效、高危、高耗能的固定模铸锭方式，转变到高速、高效、安全、节能的连铸机生产方式。由于国外技术封锁，国内企业相关人员只能自行研究开发连铸机设备。为进一步提升连铸机高效、节能、节水的能力，对连铸机重要部件——结晶器的循环水冷却系统进行攻关和国产化替代。连铸机结晶器在连铸过程中，受钢水的冲击和长期处在高温环境下作业，机体产生大量热能，为保证连铸机在高温状况下正常、安全地运行，需要冷却水不断地对壳体进行冷却处理。由此可见，高效安全的冷却水系统对连铸机正常生产十分重要。冷却水系统的主要换热设备是各种空冷器。从国内外的发展经验看，冷却水系统有一个发展的过程，从开式循环水系统发展到闭式循环水系统，闭式循环水系统又从板式换热器发展到蒸发空冷器。目前，工业生产中常用的设备冷却方式包括风冷（干空气冷却）、水冷和油冷。各种冷却技术对机器温度的调节有不同的影响，对产品的生产过程也有不同的作用。其中，风冷采用可循环空气作为冷却介质，其冷却效果受环境因素影响较大；水冷是工业设备温度控制中散
热效果较好的冷却方式，冷却能力强，但耗水量大；油冷的运行成本则是3种冷却方式中最高的。随着经
济的快速发展，水资源短缺和污染问题日益严重，我国于2022年6月发布了《工业能效提升计划》，明确指出要大力推广节能提效的工艺技术装备。因此，开发高效、节能、节水、环保的新型冷却系统和设备势在必行。蒸发式空气冷却器改变了传统的水冷却和干空气冷却的单一模式，综合水冷与风冷的优点，利用换热管表面水膜蒸发相变的潜热传递机制，具有闭合循环路径短、所需传热温差小、冷却能力强、结构紧凑、节能节水等优点［1］。本文通过对某厂蒸发式空冷器在连铸机上的实际应用案例进行分析，进一步阐述其特点，通过智能化地计算空冷器的各项参数，提高设计的效率和准确性，为蒸发式空冷器的设计制造和推广使用提供参考。
1蒸发式空冷器结构及工作原理
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蒸发式空冷器的结构如图1所示，其工作原理是
将水箱中的循环冷却水，利用水泵输送至喷淋器，喷淋器将冷却水喷射到下方的换热管表面，使换热管（或换热板片）表面形成连续均匀的薄水膜，同时利用风机从进风格栅窗口吸入空气，空气自下而上流动，横扫水平放置的换热板片或换热管，使管子外表面的水膜蒸发，强化管外传热［2-3］。管外的热传递不仅依赖于水膜和气流之间的显热传递［4］，还依赖于换热
*厦门海洋职业技术学院2022年校级自然科学类项目（KYZ202205）。【作者简介】郭春梅，女，辽宁抚顺人，硕士，任职于厦门海洋职业技术学院，高级工程师，研究方向：节能环保设备的设计研发
与制造。【引用本文】郭春梅.蒸发式空冷器在连铸机上的应用分析［J ］.企业科技与发展，2023（8）：36-39.
蒸发式空冷器在连铸机上的应用分析*
郭春梅
（厦门海洋职业技术学院，福建厦门361100）
摘要：连铸技术已广泛应用于冶金行业中，连铸在钢铁生产中是承上启下的关键环节。在连铸过程中，必须控制连铸温度，否则将影响铸坯质量。在目前的工业生产中，设备调温的冷却方式有风冷、水冷、油冷等，不同的冷却方式调节机器温度的效果不同，对生产产品的工艺也会产生不同的影响和后果。文章根据某钢厂连铸机加工钢坯的实际工况进行分析，通过仿真换热计算，阐述蒸发式空冷器的原理、技术性能和结构特点及其在连铸机上的应用，研究结果有较强的参考价值。关键词：蒸发空冷器；换热计算；连铸机；应用分析中图分类号：TE08
文献标识码：A
文章编号：1674-0688（2023）08-0036-04
◇企业技术实践◇
管表面水膜的快速蒸发，蒸发过程吸收大量的热量并加速了换热管外的传热。热交换管外表面水膜的蒸发增加了通过管束的空气湿度，使空气湿度接近饱和。风机从管束中抽取饱和湿空气，使其通过位于喷雾器上方的除雾器，去除饱和湿空气携带的水滴，除去水滴后的热空气从风扇出口排放到大气中。由于风机的向上气流在风机下方形成负压空间，加速了换热管外表面水膜的蒸发速度，有利于加速管外的传热。在表面蒸发空气冷却器中，冷却后的软水在管束内水平流动，冷却水在管束外自上而下喷射。空气自下而上流动，在冷却水、空气和被冷却的软水之间形成交叉流。冷却水和空气呈逆流，从工艺布局上提升了传热和传质过程的效率。
风机
除雾器
喷水系统
换热板管束
过滤器
上水管
水槽
水泵
图1蒸发式空冷器结构简图
从结构角度看，蒸发式空冷器最大的特点是冷却塔和板式换热器（列板式水冷却器）的集成，替代了单独循环水冷却系统，减少了设备占地面积。此外，蒸发式空冷器使用热交换管束作为传热管，提高了热交换效果；并且，由于蒸发式空冷器中使用了光管束，使空气阻力降低，因此所需风量较小［5-6］。此外，冷却水在设备中循环使用，降低了蒸发消耗，使设备更加节水，降低了运行成本。基于上述优点，蒸发式空冷器被广泛应用于工业机械的冷却中。
2空冷器在连铸机上的作用
钢铁冶金技术正朝着高效、优质、低消耗与低排放的方向发展，其中的连铸技术在当代钢铁工业发展中占据重要地位。连铸技术作为钢铁生产过程中承上启下的关键环节，不仅要保证钢铁质量、提高成材率及附加值，还要节能增效。
2.1连铸机概况
连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进铸造技术，连续铸钢的铸造工艺过程是将熔化的金属不断浇入结晶器中，利用水不断地冷却结晶器，金属凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却
凝固后切成坯料。通过连续铸钢工艺，可获得任意长度的铸件。连铸机结构（如图2所示）由钢水包、回转塔、中间罐、结晶器、冷却喷嘴、电磁感应搅拌器、支撑导辊、引锭杆、火焰切割器等部件组成，连铸技术的发展应用改变了我国金属材料生产低效率、高消耗的现状，连铸机钢坯可以实现直接装炉轧制，不仅提高了钢铁的综合成材率和铸坯质量［7］，还节约能源，利于实现机械自动化，适用于板坯宽厚比大的钢坯铸造。
冷却喷嘴引锭杆
火焰切割器
支撑导辊
电磁感应搅拌器
中间罐
钢水包回转塔
结晶器
冷却水
振动结晶器
图2板坯连铸流程图［7］
2.2空冷器在连铸机中的作用
结晶器是连铸机的重要部件，被称为连铸设备的“心脏”，是一种钢水制冷成型设备［4-5］，由框架、水箱和铜板（背板与铜板）、调整系统（调整装置）、减速机、润滑系统（油管油路）、冷却系统和喷淋等设备组成［8］。结晶器使钢液逐渐凝固成所需规格、形状的坯壳，结晶器的振动使坯壳脱离结晶器壁而不被拉断和漏钢，通过调整结晶器的参数，可避免铸坯产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷［9］。因此，在连铸过程中，对钢水温度参数的控制要求严格，温度过高或过低都会影响铸坯质量和生产安全性。
为保证连铸机的主要部件结晶器在高温下正常工作，利用软水对结晶器进行冷却，软水升温后经过蒸发空冷器冷却降温。连铸机结晶器软水的回水通过管道输送到蒸发空冷器冷却后，由水泵增压至连铸结晶器，采用闭路循环的方式使用软水。根据2300mm 板坯连铸机生产的实际状况，要求软水进入结晶器时的水温为38℃，出口水温为48℃。软水进入空冷器，通过空冷器冷却到38℃后再进入结晶器，不断闭路循环，达到冷却和节水效果（如图3所示）。
3应用案例分析
本文以某厂2300mm板坯连铸机为例，分析蒸发式空冷器在连铸机上的应用。某厂项目建设地区
现场工况条件如下：①气象条件，干球温度为34℃，湿球温度为27.8℃，相对湿度为67%。②电源条件，供电电源为380V，控制电压为220VAC。
3.1工艺参数设计
（1）适用冷却介质：软水闭路循环系统（软水密闭循环系统喷淋水质要求见表1，蒸发式空冷器软水系统水质条件见表2）。
（2）总循环水量：1500m3/h。
（3）工作介质：软化水；介质进口温度为48℃，介质出口温度为38℃；设计压力为1.0MPa。
（4）安装地点：设备安装在软水密闭循环泵站房屋顶；布置方式为并联布置，间距≥1.5m。
表1软水密闭循环系统喷淋水质要求
指标项
pH值
总硬度（以CaCO3计）悬浮物含量
氯离子（以Cl计）
补水温度
指标要求7.0～9.0≤180mg/L ≤30mg/L ＜100mg/L ≤31℃
表2蒸发式空冷器软水系统水质条件
指标项
碳酸盐硬度（以CaCO3计）
pH值
悬浮物
悬浮物中最大粒径
总含盐量
硫酸盐（以SO4计）
氯化物（以Cl计）
硅酸盐（以SiO2计）
总铁
油
指标要求≤10～80mg/l 7～9
＜20mg/l 0.2mm ＜500mg/l ＜150mg/l ＜100mg/l ＜40mg/l 0.5～3mg/l ＜2mg/l
3.2工艺参数计算
根据该装置现场安装位置的实际情况，初选空冷器结构尺寸为9m（长）×3m（宽），软水经过空冷器的总换热量Qr计算公式如下［10］：
Qr=c×m×∆t（1）其中：c为介质的比热容；m为介质的质量流量；∆t为介质的进出口温差。空冷器交换热量也可以表示如下：
Qr=K×A×∆tm（2）其中：K为传热系数，A为换热面积，∆tm为管内流体与管外流体的平均传热温差。根据热平衡方程：K×A×
∆tm=c×m×∆t求出换热面积，再根据2300mm板坯连铸机现场工艺条件，按照空冷器设计标准设置初选空冷器的结构参数。设置空冷器软水进水温度为48℃、出水温度为38℃，介质处理量为1500m3/h；空气温度、相对湿度及风量则根据当前情况设置。将空冷器在连铸机生产线上需要的工艺参数代入空冷器整体模拟智能估算系统（如图4所示），计算出单套空冷器管径、管束数量、喷淋水进水温度、流量等各项参数（见表3）。
热流体及湿空气参数
空冷器结构尺寸参数
喷淋水参数
换热计算迭代设置
空冷器最终设计参数
字冷器设计参数保存
退出程序
图4空冷器仿真设计软件主界面
表3仿真计算结果
名称
换热管数量
换热钢管总质量
换热管长度
换热管外径/内径
换热管间距
换热器宽度
换热光管面积
换热管导热系数
每管程排数
介质处理流量
换热管管程数
风机风量
循环水量
最大水耗
换热管内压力降（阻损）
冷却空气压力降（阻损）
冷却水入口温度
计算结果
954根
4.392t
9m
22/20mm
0.054m
3m
593.46m2
109W/（m·K）
6排
335m3/h
3程
540000kg/h
130000kg/h
5757.12kg/h
920.45mmaq
27.53mmaq
30.38℃
综上所述：①采用5台规格为9×3型的蒸发式空冷器，每台蒸发式空冷器安装风机3台；蒸发式空冷器单台设备处理量为335m3/h。②软水进口温度为48℃；出口温度为38℃。③喷淋水供水方式为集中供水，喷淋水供水压力为0.15～0.30MPa，5台蒸发式
1500m3/h 软水密闭循环
连铸结晶器t2=38℃
t1=48℃
蒸发空冷器
图3连铸结晶器+蒸发空冷器运行示意图
空冷器喷淋水总流量为750m3/h。④设备能耗为45 kW（风机3台×15kW/台），设计压力小于等于1.0 MPa。通过现场反馈，采用以上参数，可以满足连铸机的工艺要求。
4结语
在连铸机上采用蒸发式空冷器循环降温，保证了连铸机主要工作部件的正常工作，可提高结晶器的使用寿命，降低设备维修成本，并提高连铸板坯的质量和钢材的成材率，达到节能增效的目的。综合考虑现场工艺条件，采用空冷器智能估算系统计算空冷器的参数，可解决传统设计方法中公式多、图表多、凭经验选型的问题，节约计算时间和人工成本，缩短空冷器产品的研发周期，提高设计的准确性和效率，使空冷器冷却效果得到保证。通过现场反馈，空冷器在板坯连铸机上的使用效果良好。在当今水资源紧张的情况下，大力发展节能技术装备前景可观，蒸发式空冷器综合了冷却塔和板式换热器的优点，结构紧凑，所需传热温差小，降温能力强，由于是密闭循环，节能、节水的优势尤为突出，适合在工业生产中推广应用。5参考文献
［1］姜永永.水膜蒸发式空冷器传热传质研究及设计程序开发［D］.武汉：华中科技大学，2014.
［2］岳璐.TPM在水处理作业区运营管理中的应用研究［D］.天津：天津大学，2013.
［3］郭春梅.蒸发空冷器的原理及应用［J］.辽宁省交通高等专科学校学报，2019（6）：28-31.
［4］王志坤.王春生.杨玉成，等.姚田绪.板式蒸发空冷器在汽轮机凝汽系统的应用［J］.石油化工设备，2009，38（2）：73-
75.
［5］吴以升.蒸发式空冷器在冶金行业的应用［J］.广西节能，2004（2）：22-24.
［6］赵新丽.蒸发式空冷器和全凝器在氯乙烯精馏中的应用比较［J］.石河子科技，2010（5）：43-44.
［7］刘伯川.3#板坯连铸机辊子结构设计研究与实践［D］.沈阳：东北大学，2011.
［8］刘维栋.板坯连铸技术的自动化控制研究［J］.数字技术与应用，2013（2）：14.
［9］张赛娟.磁约束控制结晶器内金属液面变形行为的模拟研究［D］.沈阳：东北大学，2017.
［10］严幼玲.高炉软水蒸发空冷器高效节能控制［J］.应用能源技术，2022（3）：35-38.
模式没有对蓄电池可能出现的开路严重故障提出反措。本文提出对电池实时开路续流的措施，可保障电池安全运行。经过电源结构分析，48V直流系统通信电源可复用直流系统电池组组建后备电源，通过对蓄电池组分组接入48V系统，使48V通信电源系统获得多一重的保障；二极管单向接入的设计也可避
免蓄电池充电安全事故的发生。通过本文研究改进的一体化电源，在安全上得到了更高的保障，极大地提升了持续供电性能，使一体化电源具有更强的应用价值。
5参考文献
［1］吴雷雷.变电站交直流一体化电源研究［J］.能源与节能，2020（6）：110-111，170.
［2］乔峻.智能变电站交直流一体化电源系统的研究与应用［J］.科技资讯，2011（31）：124.
［3］黄宁.交直流一体化电源诊断与监测系统的应用分析［J］.
通讯世界，2017（4）：115.
［4］DL/T1074—2019，电力用直流和交流一体化不间断电源设备［S］.
［5］黄永利，俞龙，周明.变电站UPS电源故障分析［J］.中国新技术新产品，2013（18）：99-100.
［6］DL/T5044—2014，电力工程直流电源系统设计技术规程［S］.
［7］徐玉凤.一种蓄电池开路续流装置：CN206211586U［P］. 2016-11-10.
续流装置
图2新型一体化电源电气原理图（上接第35页）

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