錢(qián)金川，包秀敏，李世偉

(1.上海高企新能源科技有限公司，上海201602；2.上海新中冶金設(shè)備廠，上海201803)

分離式氫氧機(jī)在連鑄坯火焰切割中的應(yīng)用

錢(qián)金川1，包秀敏1，李世偉2

(1.上海高企新能源科技有限公司，上海201602；2.上海新中冶金設(shè)備廠，上海201803)

用新能源介質(zhì)——?dú)溲趸鹧嫣娲壳颁撹F行業(yè)連鑄機(jī)上最常用的焦?fàn)t煤氣火焰切割方式。采用分離式氫氧機(jī)產(chǎn)生的氫氧火焰對(duì)連鑄坯進(jìn)行切割。其切割質(zhì)量與焦?fàn)t煤氣相比，有切割割縫小、節(jié)材、切割斷面質(zhì)量好、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)。通過(guò)切割應(yīng)用：氫氧氣替代傳統(tǒng)焦?fàn)t煤氣在鋼鐵產(chǎn)業(yè)連鑄坯火焰切割應(yīng)用領(lǐng)域中有著廣闊前景，并對(duì)該領(lǐng)域的節(jié)能降耗和降支增效有著開(kāi)創(chuàng)性和劃時(shí)代意義。

連鑄坯切割；氫氧火焰；切割質(zhì)量；節(jié)能對(duì)比；應(yīng)用前景

0 前言

連鑄坯是煉鋼爐煉成的鋼水經(jīng)過(guò)鑄機(jī)連續(xù)澆鑄凝固后得到的產(chǎn)品。根據(jù)鑄坯的外形尺寸大致可分為板坯、矩型坯、方坯、圓坯和異型坯(如H型坯)五大類。通常連續(xù)澆鑄出來(lái)的長(zhǎng)鋼坯要按一定的定尺長(zhǎng)度進(jìn)行火焰切割，以滿足市場(chǎng)和軋制工藝的需要。目前，連鑄坯火焰切割所用的燃?xì)夥N類主要有精制焦?fàn)t煤氣、乙炔氣、丙烷(烯)氣、天然氣和石油液化氣等。

傳統(tǒng)的能源燃?xì)饨橘|(zhì)均取自于日漸匱乏、不可再生的石化燃料能源，不但成本昂貴，而且切割時(shí)產(chǎn)生的廢氣對(duì)環(huán)境的污染不可避免。我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處在快速發(fā)展期，如何在發(fā)展中減少碳排放量是我國(guó)在環(huán)境保護(hù)方面面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)。所以提高能源效率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、保障能源安全、開(kāi)發(fā)利用新能源和可再生能源是我國(guó)長(zhǎng)期的能源發(fā)展戰(zhàn)略。氫能源作為清潔、高效、安全和可持續(xù)的新能源正日益受到廣泛的關(guān)注。

氫氣作為一種綠色能源介質(zhì)，可同時(shí)滿足優(yōu)化環(huán)境、節(jié)省資源和可持續(xù)發(fā)展的要求。用氫氣作為燃?xì)鈿庠催M(jìn)行火焰切割時(shí)只產(chǎn)生熱量和水，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染；用分離式氫氧機(jī)生產(chǎn)氫氣只需要水和電，一般的生產(chǎn)場(chǎng)所都可提供該資源，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。因此氫氣具有其他燃?xì)夥N類無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。目前廠內(nèi)試驗(yàn)已完成厚度達(dá)340mm鋼板的冷態(tài)切割，只要對(duì)割嘴稍作改進(jìn)，完成可以替代目前80%以上厚度在400 mm以下的連鑄坯熱態(tài)切割所用的其他燃?xì)狻?/p>

1 氫氧火焰切割

1.1 切割機(jī)理

鋼材的氧氣切割是利用氣體火焰(稱預(yù)熱火焰)將鋼材表層加熱到燃點(diǎn)，并形成活化狀態(tài)，然后送進(jìn)高純度、高流速的切割氧，使鋼中的鐵在氧氛圍中燃燒生成氧化鐵熔渣同時(shí)放出大量的熱，借助這些燃燒熱和熔渣不斷加熱鋼材的下層和切口前緣使之達(dá)到燃點(diǎn)，直至工件的底部。與此同時(shí)，切割氧流的動(dòng)量把熔渣吹除，從而形成切口將鋼材割開(kāi)。因此，從宏觀上來(lái)說(shuō)，氧氣切割是鋼中的鐵(廣義上來(lái)說(shuō)是金屬)在高純度氧中燃燒的化學(xué)過(guò)程和借切割氧流動(dòng)量排除熔渣的物理過(guò)程相結(jié)合的一種加工方法。

1.2 燃燒強(qiáng)度

在火焰切割中，燃燒強(qiáng)度是衡量燃?xì)饧訜嵝阅艿木C合指標(biāo)，其燃燒強(qiáng)度的大小主要取決于火焰燃燒速度和燃?xì)獾目偀嶂怠Ｄ壳叭細(xì)庵幸胰驳娜紵龔?qiáng)度最高，氫氣雖然燃?xì)鉄嶂档偷捎谌紵俣瓤鞆浹a(bǔ)了燃燒強(qiáng)度這一綜合指標(biāo)。正因如此連鑄坯的溫度對(duì)切割速度的影響很大，當(dāng)鑄坯溫度為800℃時(shí)其切割速度為常溫狀態(tài)下的兩倍。所以在使用氫氧火焰切割鑄坯時(shí)，應(yīng)盡可能避免鑄坯在常溫下切割，使其節(jié)能效果更為顯著。

1.3 切割比較

連鑄坯在線連續(xù)切割，因隨著高效連鑄機(jī)的發(fā)展已基本上采用火焰式切割，機(jī)械剪切式切割目前已被淘汰。而較常使用的切割燃?xì)饨橘|(zhì)是精制焦?fàn)t煤氣。在實(shí)際使用過(guò)程中，存在著煤氣管道鋪設(shè)復(fù)雜，安全性能低，煤氣中焦油、奈、H2S等雜質(zhì)易堵塞管道等問(wèn)題。因此采用煤氣作為燃?xì)饨橘|(zhì)進(jìn)行火焰切割時(shí)對(duì)煤氣純度的要求很高，這無(wú)形中增加了設(shè)備使用成本。由于煤氣質(zhì)量不易保證，使得割嘴堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致連鑄坯的切割斷面質(zhì)量受到很大影響。這需要頻繁地更換割嘴或者定期清洗介質(zhì)管道，大大增加了設(shè)備的維護(hù)成本。與之比較，采用氫氣作為燃?xì)饨橘|(zhì)對(duì)連鑄坯進(jìn)行火焰切割則有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.3.1 安全可靠

水電解分離式氫氧機(jī)工作壓力低，氣體不儲(chǔ)存，隨產(chǎn)隨用，氫氣比例小，不會(huì)聚積，不存在儲(chǔ)氣站或運(yùn)輸儲(chǔ)存等可能發(fā)生惡性爆炸事故的隱患；最重要的是與傳統(tǒng)的混合式氫氧機(jī)不同，采用分離式(H2、O2分別輸出)制氫技術(shù)，從根本上解決在使用過(guò)程中“回火”頻率高(因連鑄坯切割的割嘴溫度高，易回火)這一技術(shù)瓶頸問(wèn)題。另外因安全性差帶來(lái)的連鑄坯切斷率低，不能連續(xù)切割缺陷得以解決。并省略了使用混合氫氧機(jī)保證其安全而與之配套的氫氧回流安全柜。設(shè)備配套成本大為降低，安全更有保障。

1.3.2 設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便

設(shè)備操作采用工業(yè)觸摸屏，人機(jī)界面一目了然，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)定方便，并有設(shè)備故障自診斷功能。內(nèi)部由可編程控制器PLC控制。

1.3.3 環(huán)保節(jié)能

氫氧火焰燃燒只產(chǎn)生熱量和水，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染，而煤氣或其他燃?xì)饨橘|(zhì)均有毒有味，燃燒后生成的物質(zhì)危害人體健康，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；水電解制氫成本低，只要有水有電的場(chǎng)所均可現(xiàn)場(chǎng)制作，且安全可靠。因此，使用氫氣作為火焰切割用燃?xì)饨橘|(zhì)符合綠色生產(chǎn)的要求。

1.3.4 切割質(zhì)量好

氫氧切割連鑄坯相對(duì)毛刺少，由于“氫脆”現(xiàn)象使得毛刺脆而易清理，因此切割表面平整。而煤氣等其他石化類燃?xì)饨橘|(zhì)含有碳元素，在切割過(guò)程中極易形成粘稠的碳化鐵，在連鑄坯切割后毛刺多且發(fā)粘，不易清理，因此往往在鑄坯切割后還要配置專門(mén)的去毛刺機(jī)來(lái)去除每條割縫兩邊的毛刺，這無(wú)疑增大了設(shè)備的投資成本和鑄坯的生產(chǎn)成本。

1.3.5 割縫窄、金屬損耗小

由于氫氧火焰挺直，集束性好，火焰形狀似鉛筆，其切割割縫窄，切割面平整，幾乎沒(méi)有拖尾痕跡。割縫較煤氣介質(zhì)的窄約15%～25%，從而減小了連鑄坯火焰切割時(shí)的金屬損耗。

1.3.6 設(shè)備故障率低

采用氫氧火焰切割嘴使用壽命是采用煤氣火焰切割嘴的5倍以上，大為提高連鑄坯的在線切割效率。

氫氧火焰切割連鑄坯效果如圖1～圖3所示。

圖1 厚度340 mm鋼板的冷態(tài)切割

2 連鑄坯氫氧火焰切割實(shí)施方案

2.1 CHO水電解氫氧機(jī)布置

(1)現(xiàn)場(chǎng)配量可根據(jù)切割鑄坯的厚度要求采用二供一或三供一方式，以滿足切割供氣需求，將每臺(tái)氫氧機(jī)H2輸出口用單向閥并入管路以供切割；O2輸出口也可并入管路以供切割預(yù)熱用。

(2)氫氧機(jī)應(yīng)安排獨(dú)立操作間，并應(yīng)考慮維修操作空間。所設(shè)獨(dú)立空間上部必須設(shè)置通風(fēng)口。

(3)獨(dú)立操作間需按照國(guó)家安裝配電柜的有關(guān)規(guī)定，保證操作間氫氧機(jī)供電和接地保護(hù)。

(4)放置氫氧機(jī)操作間內(nèi)設(shè)置排水溝，截面大于等于150 mm×150 mm。

(5)操作間布置應(yīng)符合GB9448－88《焊接與切割安全》的有關(guān)規(guī)定。

圖2 厚340 mm鋼板冷態(tài)切割時(shí)的割縫

圖3 鋼坯冷態(tài)切割的斷面

2.2 氫氧管路

將氫氧機(jī)產(chǎn)生的H2、O2可直接送至火焰切割機(jī)旁的能介控制閥站，推薦采用不銹鋼材質(zhì)的無(wú)縫鋼管輸出；氫氧機(jī)H2輸出口軟管處需加單向閥，再與硬管連接，并在硬管端設(shè)置球閥開(kāi)關(guān)；輸出管可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定。

2.3 水路

應(yīng)將進(jìn)水管路直接鋪設(shè)到每臺(tái)氫氧機(jī)附近，支路設(shè)置根據(jù)具體而定，且每個(gè)支管路末端設(shè)立兩個(gè)出水口，各由一個(gè)球閥控制。

2.4 減少匯流安全柜的設(shè)置

匯流安全柜是混合式氫氧機(jī)在連鑄坯氫氧切割必須配置的安全保護(hù)裝置，它主要由水封、泄壓閥及管路、閥門(mén)組成。而分離式氫氧機(jī)則可減少此設(shè)置，簡(jiǎn)化實(shí)施方案。分離式氫氧機(jī)對(duì)“回火”問(wèn)題的解決，也使連鑄機(jī)系統(tǒng)內(nèi)回火保護(hù)系統(tǒng)以及為了防止割槍槍口堵塞(煤氣不純)連鑄機(jī)系統(tǒng)在線快速換割槍機(jī)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。總之采用分離式氫氧機(jī)運(yùn)用于連鑄機(jī)比傳統(tǒng)煤氣、氫氧混合式氫氧機(jī)使用更為安全和便捷。

B組患者探頭頻率設(shè)置在6.5MHz，對(duì)子宮以及雙側(cè)輸卵管和卵巢以及腹盆腔間隙進(jìn)行觀察。對(duì)尿液完全排空，取截石位，充分暴露會(huì)陰，拿取少量耦合劑涂抹到超聲探頭中，套上避孕套，進(jìn)入陰道后探查處理，對(duì)子宮大小、形態(tài)以及宮腔情況進(jìn)行記錄，觀察形態(tài)以及體積。分析是否存在孕囊，記錄孕囊中是否存在胎心。

3 連鑄坯氫氧火焰切割經(jīng)濟(jì)效益分析

連鑄坯火焰切割采用氫氣作為燃?xì)饨橘|(zhì)與采用其他燃?xì)饨橘|(zhì)相比，經(jīng)濟(jì)效益良好。

3.1 鋼損方面

以截面150mm×150mm、定尺10m的規(guī)格為例，按六機(jī)六流年設(shè)計(jì)產(chǎn)量為100萬(wàn)t進(jìn)行對(duì)比分析。

采用不同燃?xì)饨橘|(zhì)切割連鑄鋼坯時(shí)的割縫平均寬度如表1所示。

表1 采用不同燃?xì)饨橘|(zhì)切割連鑄鋼坯時(shí)的割縫平均寬度

由表1可知，如用氫氣作為連鑄鋼坯火焰切割的燃?xì)饨橘|(zhì)，割縫與用焦?fàn)t煤氣切割相比寬度減小25%。僅此一項(xiàng)對(duì)連鑄坯切割時(shí)的鋼損節(jié)約就非?？捎^。

3.1.1 計(jì)算依據(jù)

①按六機(jī)六流年設(shè)計(jì)產(chǎn)量100萬(wàn)t計(jì)算，10m的切割定尺；②拉速3.5 m／min，工藝周期171.4 s，切割周期31.7 s；③切割150 mm×150 mm方坯，氫氧機(jī)每流每小時(shí)實(shí)際耗電能20 kW·h(CHO－6000)(電費(fèi)按0.6元／(kw·h)計(jì)算)；④費(fèi)用：管道氧氣0.5元／m3，焦?fàn)t煤氣1.2元／m3，鋼坯銷售價(jià)格3 000元／t；⑤割槍燃?xì)夂牧?4 m3／h(H2氣流量，六機(jī)并接)；⑥割槍預(yù)熱氧氣耗量12 m3／h。

鋼損計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3.2 焦?fàn)t煤氣、氫氧氣的使用成本

3.2.1 焦?fàn)t煤氣的使用成本

(1)切割周期計(jì)算如表3所示。

表2 鋼損計(jì)算

表3 切割周期計(jì)算

(2)全年煤氣消耗成本如表4所示。

表4 全年煤氣消耗成本

(3)全年預(yù)熱氧消耗成本。

焦?fàn)t煤氣(凈化后)是無(wú)色、有臭味的有毒氣體，其主要成分是H2(60%)、CH4(甲烷)(22%～26%)、CO (6%～9%)、碳?xì)浠衔顲nHm(4.5%)及CO2、H2、O2等。根據(jù)成分折算、焦?fàn)t煤氣燃燒需要混合氧氣體積比是1∶1，即用焦?fàn)t煤氣切割噸鋼耗氧費(fèi)用為0.44元／t。

(4)用焦?fàn)t煤氣作為燃?xì)饨橘|(zhì)進(jìn)行火焰切割的總成本(不含切割氧成本)為0.88元／t。

3.2.2 氫氧氣的使用成本

氫氧氣價(jià)格便宜，無(wú)污染，符合環(huán)保要求，氫氣無(wú)毒，不會(huì)危害操作人員的身體健康。著火溫度580℃～590℃，與空氣混合的爆炸極限4.0%～74.2%，與空氣比相對(duì)密度小。水電解氫氧機(jī)工作壓力低，不儲(chǔ)存，隨產(chǎn)隨用，且氫氣體積質(zhì)量小，易逸出飛散，即使泄漏也不會(huì)聚積，不會(huì)發(fā)生燃?xì)庹颈ǖ葠盒允鹿省Ｍ瑫r(shí)，氫氧機(jī)因工作壓力低，不屬于壓力容器，不在社會(huì)勞動(dòng)部門(mén)管轄的范圍內(nèi)，而使用其他任何燃?xì)庖ㄟ^(guò)社會(huì)勞動(dòng)安全部門(mén)監(jiān)管。

(1)全年氫氣消耗成本如表5所示。

表5 全年氫氣消耗成本

(2)全年預(yù)熱氧消耗成本。

水(H2O)電解的化學(xué)方程式為2H2O＝2H2＋O2，氫氣(H2)燃燒的化學(xué)方程式為2H2＋O2＝2H2O＋Q(熱量)。從水電解制取的氧氣本身就滿足了氫氣燃燒的需要，因此不需要消耗低壓氧(或稱混合氧)。所以用水電解制取氫氣與氧進(jìn)行切割，其直接使用成本只與電費(fèi)有關(guān)。

(3)用氫氣作為燃?xì)饨橘|(zhì)進(jìn)行火焰切割的總成本(不含切割氧成本)為0.41元／t。

采用不同介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比如表6所示。

表6 年切割100萬(wàn)t連鑄坯不同燃?xì)饨橘|(zhì)的經(jīng)濟(jì)對(duì)比

由此可以看出，采用氫氣作為火焰切割的燃?xì)饨橘|(zhì)與通常采用的焦?fàn)t煤氣相比經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各類鋼坯的切割量也與日俱增。作為綠色環(huán)保的氫氣切割技術(shù)必將為節(jié)能降耗起到至關(guān)重要作用。水電解氫氧機(jī)已廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型環(huán)境友好型的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

Application of separation oxy-hydrogen generator in continuous casting flame cutting

QIAN Jin-chuan1，BAO Xiu-min1，LI Shi-wei2
(1.Shanghai COCH Energy Co.，Ltd.，Shanghai 201602，China；2.Shanghai Xinzhong＆Xinhua Metallurgical Equipment Ltd.，Shanghai 201803，China)

Using New energy-oxy-hydrogen flame to replace the most common way of coke oven gas flame cutting in iron and steel industry continuous casting machine.The continuous casting billet is cutted by separtation oxy-hydrogen flame.Compared the cutting quality with coke oven gas that there is little kerf，material-saving，good quality of cutting section and environmental.According to the cutting application that there is a broad prospect in the continuous casting flame cutting application area of using oxy-hydrogen flame to replace the traditional coke oven gas，and it's ground-breaking and epoch-making significance in energy-saving，efficient and lower cost.Key words：continuous casting cutting；oxy-hydrogen flame；cutting quality；energy comparison；application prospect

book=85,ebook=63

TG482＋.2

B

1001－2303(2010)10－0085－04

2010－06－23

錢(qián)金川(1966—)，男，甘肅天水人，工程師，主要從事自動(dòng)化控制、智能電器的研究工作。