分離式氫氧機在連鑄坯火焰切割中的應用

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分離式氫氧機在連鑄坯火焰切割中的應用

錢金川包秀敏 上海高企新能源科技有限公司 (201602)

          李世偉         上海新中冶金設備廠        (201803)


摘要:    用新能源介質----氫氧火焰替代目前鋼鐵行業連鑄機上最常用焦爐煤氣火焰切割方式。采用分離式氫氧機產生的氫氧火焰對連鑄坯進行切割。其切割質量與焦爐煤氣相比較:有切割割縫小、節材、切割斷面質量好、環保節能等特點。通過切割應用:氫氧氣替代傳統焦爐煤氣在鋼鐵產業連鑄坯火焰切割應用領域中有著廣闊前景,并對該領域的節能降耗和降支增效有著開創性和劃時代意義。


關鍵詞:  連鑄坯切割   氫氧火焰   切割質量   節能對比   應用前景



Application of oxy-hydrogen generator in continuous casting flame cutting


    QIAN Jin-chuan  BAO Xiu-min Shanghai COCH Energy Co. Ltd (201602)

    LI Shi-wei   Shanghai Xin Zhong & Xin Hua Metallurgical Equipment Ltd. (201803)


Abstract: 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 oxy-hydrogen flame. Compared the cutting quality with coke oven gas: there is little kerf, material-saving, good quality of cutting section and environmental.According tothe cutting application: there is a broad prospect in the continuous casting flame cuttingapplication 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 word: continuous casting cutting    oxy-hydrogen flame     cutting quality   energy comparison   application prospect


0引言

連鑄坯是煉鋼爐煉成的鋼水經過鑄機連續澆鑄凝固后得到的產品。根據鑄坯的外形尺寸大致可分為板坯、矩型坯、方坯、圓坯以及異型坯(如H型坯)等五大類。通常連續澆鑄出來的長鋼坯要按一定的定尺長度進行火焰切割,以滿足市場以及軋制工藝的需要。目前,連鑄坯火焰切割所用的燃氣種類主要有精制焦爐煤氣、乙炔氣、丙烷(烯)氣、天然氣及石油液化氣等。

傳統的能源燃氣介質均取自于日漸匱乏不可再生的化石燃料能源,不但成本昂貴,而且切割時產生的廢氣對環境的污染不可避免。我國經濟正處在快速發展期,如何在發展中減少碳排放是我國在環境保護方面面臨的嚴峻考驗。所以提高能源效率、優化能源結構、加強環境保護、保障能源安全、開發利用新能源和可再生能源是我國長期的能源發展戰略。氫能源作為清潔、高效、安全和可持續的新能源,正日益受到廣泛的關注。

氫氣作為一種綠色能源介質,可同時滿足優化環境、節省資源和可持續發展的要求。用氫氣作為燃氣氣源進行火焰切割時只產生熱量和水,對環境沒有任何污染;用分離式氫氧機生產氫氣只需要水和電,一般的生產場所都可提供該資源,符合可持續發展的要求。因此氫氣具有其它燃氣種類無可比擬的優點。目前廠內試驗已完成厚度達340 mm鋼板的冷態切割,只要對割嘴稍作改進,完成可以替代目前80%以上厚度在400mm以下的連鑄坯熱態切割所用的其它燃氣。


1、 氫氧火焰切割

1.1、切割機理

鋼材的氧氣切割是利用氣體火焰(稱預熱火焰)將鋼材表層加熱到燃點,并形成活化狀態,然后送進高純度、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也達到燃點,直至工件的底部。與此同時,切割氧流的動量把熔渣吹除,從而形成切口將鋼材割開。因此,從宏觀上來說,氧氣切割是鋼中的鐵(廣議上來說是金屬)在高純度氧中燃燒的化學過程和借切割氧流動量排除熔渣的物理過程相結合的一種加工方法。

1.2燃燒強度

在火焰切割中,燃燒強度是衡量燃氣加熱性能的綜合指標,其燃燒強度的大小主要取決于火焰燃燒速度和燃氣的總熱值。目前燃氣中乙炔的燃燒強度最高,氫氣雖然燃氣熱值低但由于燃燒速度快彌補了燃燒強度這一綜合指標。正因如此連鑄坯的溫度對切割速度的影響很大,當鑄坯溫度為800℃時其切割速度為常溫狀態下的兩倍。所以在使用氫氧火焰切割鑄坯時,應盡可能避免鑄坯在常溫下切割,使其節能效果更為顯著。

1.3切割比較

連鑄坯在線連續切割,因隨著高效連鑄機的發展已基本上采用火焰式切割,機械剪切式切割目前已被淘汰。而較常使用的切割燃氣介質是精制焦爐煤氣。在實際使用過程中,存在著煤氣管道鋪設復雜,安全性能低,煤氣中焦油、奈、H2S等雜質易堵塞管道等問題。因此采用煤氣作為燃氣介質進行火焰切割時對煤氣純度的要求很高,這無形中又增加了設備使用成本。由于煤氣質量不易保證,使得割嘴堵塞嚴重,導致連鑄坯的切割斷面質量也受到很大影響。這就需要頻繁地更換割嘴或者定期清洗介質管道,而這又大大增加了設備的維護成本。與之比較,采用氫氣作為燃氣介質對連鑄坯進行火焰切割則有以下幾大優點:

1.3.1安全可靠

水電解分離式氫氧機工作壓力低,氣體不儲存,隨產隨用,氫氣比重小,不會聚積。不存在儲氣站或運輸儲存等可能發生惡性爆炸事故的隱患;最重要的與傳統的混合式氫氧機不同,采用分離式(H2、O2分別輸出)制氫技術,從根本上解決在使用過程中“回火”頻率高(因連鑄坯切割的割嘴溫度高,易回火)這一技術瓶頸問題。另因安全性差帶來的連鑄坯切斷率低,不能連續切割缺陷得以解決。并使其混合氫氧機為使用安全而與之配套的“氫氧回流安全柜”省略。設備配套成本大為降低,安全更有保障。

1.3.2設備簡單、操作方便

設備操作采用工業觸摸屏,人機界面一目了然,設備運行參數設定方便,并有設備故障自診斷功能。內部由可編程控制器PLC控制。

1.3.3環保節能

氫氧火焰燃燒只產生熱量和水,對環境沒有任何污染,而煤氣或其它燃氣介質均有毒有味,燃燒后生成的物質危害人身健康,對環境污染嚴重;水電解制氫成本低,只要有水有電的場所均可現場制作,且安全可靠。因此,使用氫氣作為火焰切割用燃氣介質完全符合綠色工廠的要求。

1.3.4切割質量好

氫氧切割連鑄坯相對毛刺少,由于“氫脆”現象使得毛刺脆而易清理,因此切割表面平整。而煤氣等其它化石類燃氣介質含有碳元素,在切割過程中極易形成粘稠的碳化鐵,在連鑄坯切割后毛刺多且發粘,不易清理,因此往往在鑄坯切割后還要配置專門的去毛刺機來去除每條割縫兩邊的毛刺,而這無疑又增大了設備的投資成本和鑄坯的生產成本。

1.3.5割縫窄、金屬損耗小

由于氫氧火焰挺直,集素性好,火焰形狀似鉛筆,其切割割縫窄,切割面平整,幾乎沒有拖尾痕跡。割縫較煤氣介質窄約15%~25%,從而大大減小了連鑄坯火焰切割時的金屬損耗。

1.3.6設備故障率低

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,這樣使連鑄坯在線切割效率大為提高。


2、氫氧火焰切割連鑄坯效果圖

圖1厚度為340 mm鋼板的冷態切割

圖2厚度為340mm鋼板冷態切割時的割縫

圖3鋼坯冷態切割的斷面


3、 連鑄坯氫氧火焰切割實施方案

3.1  CHO水電解氫氧機布置

3.1.1現場配量可根據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,將每臺氫氧機H2輸出口用單向閥并入管路以供切割;O2輸出口也可并入以供切割預熱用;

3.1.2氫氧機應安排獨立操作間,每臺氫氧機占地2.0m2,另外應考慮維修操作空間。所設獨立空間上面必須設置通風口;

3.1.3獨立操作間需按照國家安裝配電柜有關規定,保證操作間氫氧機供電及接地保護;

3.1.4 放置氫氧機操作間內設置排水溝,截面≥150mm×150mm;

3.1.5 操作間布置應符合GB9448-88《焊接與切割安全》的有關規定。

3.2 氫氧管路

將氫氧機產生的H2、O2可直接送至火焰切割機旁的能介控制閥站,推薦采用不銹鋼材質的無縫鋼管給予輸出;氫氧機H2輸出口軟管處需加單向閥,再與硬管連接,并在硬管端設置球閥開關;輸出管可根據現場實際情況而定。

3.3 水路

應將進水管路直接鋪設到每臺氫氧機附近,支路設置可根據具體而定,且每個支管路末端設立兩個出水口,各由一個球閥控制。

3.4 與混合式氫氧機比較

3.4.1減少匯流安全柜的設置

匯流安全柜是混合式氫氧機在連鑄坯氫氧切割必需配置的安全保護裝置:它主要由水封、泄壓閥及管路、閥門組成。而分離式氫氧機則可減少此設置,使實施方案大為簡化。分離式氫氧機對“回火”問題的解決,也使連鑄機系統內回火保護系統以及為了防止割槍槍口堵塞(煤氣不純)連鑄機系統在線快速換割槍機構得以簡化。總之采用分離式氫氧機運用于連鑄機比傳統煤氣、氫氧混合式氫氧機使用更為安全和便捷。


4、連鑄坯氫氧火焰切割經濟效益分析

連鑄坯火焰切割采用氫氣作為燃氣介質與采用其它燃氣介質相比,具有良好的經濟效益,以下從兩個方面進行分析計算

4.1鋼損方面

以150×150 mm定尺為10 m規格。按六機六流年設計產量為100萬噸進行對比分析:

采用不同燃氣介質切割連鑄鋼坯時的割縫平均寬度見下表

截面 mm2

平均割縫寬度(mm)

氫氣

焦爐煤氣

丙烷

150×150

6

8

7

從表1數據中了解,如用氫氣作為連鑄鋼坯火焰切割的燃氣介質,割縫與用焦爐煤氣切割相比小25%左右。僅此一項就會對連鑄坯切割時的鋼損節約非常可觀。


(1)計算依據:

1)按六機六流年設計產量100萬噸計算,10 m的切割定尺;

2)拉速3.5 m/min,工藝周期為171.4 s,切割周期為31.7s;

3)氧—氫氣切割:切割150×150 mm方坯 ,氫氧機每流每小時實際耗費20kwh(CHO—6000)電費按0.6元/度計算。

4)管道氧氣0.5元/m3,焦爐煤氣1.2元/m3。鋼坯銷售價格3,000元/t

5)割槍燃氣耗量:24 m3/h(H2氣流量,六機并接)

6)割槍預熱氧氣耗量:12 m3/h

(2)鋼損計算

科目

計算公式

計算結果

單根鋼坯重

0.15m×0.15m×10m×7.8t/m

1.755 t

年切割次數數量

1,000,000t÷1.755噸/根

569,800(次)

煤氣切割的單根鋼坯損耗

0.15m×0.15m×0.008m×7.8t

0.001404 t/次

氫氣切割的單根鋼坯損耗

0.15m×0.15m×0.006m×7.8t

0.001053 t/次

每切割一次減少鋼損

0.001404-0.001053

0.000351 t/次

年總鋼損減少

569,800(次)×0.000351t/次

200.00 t

年增加銷售額

200.00 t×3,000元/t

60萬元


4.2焦爐煤氣、氫氧氣的使用成本

4.2.1焦爐煤氣的使用成本

(1)切割周期計算表

鑄坯厚度

mm

150

鑄坯寬度

mm

150

拉速

mm/min

3500

切割定尺

mm

10000

工藝周期

sec

171.4

切割速度

mm/min

450

切割行程

mm

165.0

預熱時間

sec

1.7

切割時間

sec

22.0

切斷時鑄坯行程

mm

1383.3

返回時間

sec

8.0

切割周期

sec

31.7

待機時間

sec

139.7

(2)全年煤氣消耗成本

割槍煤氣耗量

Nm3/h

30

每次切割耗量

Nm3/次

(31.7+139.7/3)/3600×30=0.65

年切割耗量

Nm3

0.65×569,800=370,370

煤氣單價

元/Nm3

1.20

年消耗煤氣成本

444,444.00

噸鋼成本

元/噸

0.44

(3)全年預熱氧消耗成本

焦爐煤氣(凈化后)是無色、有臭味的有毒氣體,其主要成分是H2(60%)、CH4(甲烷)(22-26%)、CO(6-9%)、碳氫化合物CnHm(4.5%)及CO2、、H2、O2等雜質。根據成分折算、焦爐煤氣燃燒需要混合氧氣體積比是1∶1,即用焦爐煤氣切割噸鋼耗氧費用為為0.44元/噸。

(4)用焦爐煤氣作為燃氣介質進行火焰切割的總成本(不含切割氧成本)為0.88元/噸。


4.2.2氫氧氣的使用成本

氫氧氣價格較為廉價,無污染,符合環保要求,氫氣無毒,不會危害操作人員的身體健康。著火溫度為580 -590℃,與空氣混合的爆炸極限是4.0%-74.2%,與空氣比相對密度小。水電解氫氧機工作壓力低,不儲存,隨產隨用,且氫氣比重小,易逸出飛散,即使泄漏也不會聚積,不會發生燃氣站爆炸等惡性事故,同時,氫氧機因工作壓力低,不屬于壓力容器,不在社會勞動部門管轄的范圍內,而使用其它任何燃氣要通過社會勞動安全部門監管。

(1)全年氫氣消耗成本

割槍氫氣耗量(實際耗量)

Nm3/h

              11

每次切割耗量

Nm3/次

(31.7+139.7/3)/3600×11=0.24

年切割耗量

Nm3

0.24×569800=136752

氫氣單價

元/Nm3

    (20×0.6)/4=3

年消耗氫氣成本

410256

噸鋼成本

元/噸

0.41

(2)全年預熱氧消耗成本

水(H2O)電解的化學方程式為2H2O = 2H2+ O2

氫氣(H2)燃燒的化學方程式為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),可以省下大量混合費用、理論上需氧氣(氧——燃氣體積比)0.5,而實際耗氧氣為0.25(因氫氧燃燒的外焰由空氣中氧氣進行助燃)。這比用焦爐煤氣需氧量(氧——燃氣體)1∶1,理論上要少一半低壓氧。所以用水電解制取氫氣與氧進行切割,其直接使用成本只與電費有關。

(3)用氫氣作為燃氣介質進行火焰切割的總成本(不含切割氧成本)為0.41元/噸。


4.3綜合對比表

年切割100萬噸連鑄坯不同燃氣介質的經濟對比表


采用焦爐煤氣

采用氫氣

噸鋼

年(萬元)

噸鋼

年(萬元)

噸鋼直接成本(元/噸)

0.88

88

0.41

41

與煤氣相比節省(萬元/年)


47

金屬損耗減少(萬元/年)


60.0

年總經濟效益(萬元/年)


107


由此可以看出,采用氫氣作為火焰切割的燃氣介質與通常采用的焦爐煤氣相比經濟效益非常顯著。


5 結束語

隨著我國經濟的飛速發展,各類鋼坯的切割量也與日俱增。作為綠色環保的氫氣切割技術必將為節能降耗起到至關重要作用。水電解氫氧機已廣泛應用于該領域,創造出巨大的經濟效益和社會效益,為我國建設資源節約型環境友好型的低碳經濟發展做出貢獻。

圖1厚度為340 mm鋼板的冷態切割

圖2厚度為340mm鋼板冷態切割時的割縫

圖3鋼板冷態切割的斷面

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