浅析连铸坯火焰切割在龙钢的应用

摘要：文章阐述了火焰的基本原理和基本特性，分析了氢氧焰在连铸火焰切割工艺应用的优势。对氢氧混合气应用进行了安全特性分析和应用过程发生的故障进行失效分析，并对应用工艺技术提出控制要求和今后改进发展的建设意见。

关键词：水电解氢氧；发生器；连铸坯；火焰切割

中图分类号：TF777 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）09-0025-03

我公司产能从有先前的200万吨，发展到800万吨，为适应发展需求，连铸技术配套需要的切割工艺及设备也由早先的液压剪切、机械剪切改为火焰切割，我公司在2002年开始采用。

1 火焰切割的基本原理及基本条件

火焰切割是利用燃气火焰将被切割的金属预热到燃点，使其在纯氧气流中剧烈燃烧，产生金属氧化物形似熔渣，在高压氧气流的吹力下，将熔渣吹掉，同时伴随燃烧金属的氧化反应放出大量热量，又进一步预热下一层金属使其达到燃点。它是一个预热——燃烧——吹渣的连续过程。

在上述原理的反应过程中，值得注意的是，预热所要达到的温度是金属燃点（燃烧温度），而不是金属的熔点（熔化温度），一般碳钢按其碳含量不同其燃点在1100℃～1350℃左右，而熔点约在1500℃左右。其切割过程实质上是金属燃烧过程（剧烈氧化反应过程）。并不是金属的融化过程；火焰切割过程所需要的热量主要依靠金属燃烧放热反应提供的（约占70%），其实燃气提供的只占有30%的热量。根据以上还原性，则可以理解火焰切割的基本条件和其应用范围。

（1）金属材料的燃点应低于熔点。如铜、铝、铸铁的燃点高于熔点故不宜采用火焰切割。

（2）金属材料熔点应高于氧化物熔点。只有这样，在金属未熔化前，将熔渣还是液体状态时从切口处被吹掉。否则，因高熔点氧化物在割缝中存在，将阻碍下一层金属与切割氧气流发生氧化燃烧反应的进行，如铬钢，铬镍合金不锈、高碳钢，压铸铁等，其氧化物熔点高于在体金属熔点。故也不宜采用，当需要采用火焰切割时，则需要采用氧—溶剂切割法技术，即在切割时，需要向切割区送入金属粉末（如铁粉、铝粉）利用他们的燃烧增热和除渣作用实施切割。

（3）金属材料熔渣黏度要低，流动性物体可以从切口处吹掉，否则，黏在切口上，影响切口边缘整齐。

（4）金属燃烧反应能放出大量热量，应是放热反应。

（5）金属的导热传能差，否则预热和金属燃烧的热量很快被散发，难以达到熔点。

2 氢氧焰切割应用过程故障实效分析

自公司连铸坯氢氧焰切割工艺应用以来，先后曾出现一些有关工艺、设备及质量问题，通过分析试验质量不断改进提高，暴露的问题已得到解决，氢氧焰在连铸坯的应用工艺技术也日趋成熟，现对在应用过程出现的主要技术故障进行实效分析：

电解槽泄漏，该故障主要发生在薄盒式电解槽，泄漏部位主要出现在导电盒体与阳极薄板之间的密封面上，泄漏故障表现多数出现于电解槽发生回火或经使用数月以后，新电解槽出现的泄漏故障较少，故障产生的原因主要有以下几点：

（1）设计方面，密封结构可靠性不足，薄盒式电解槽的导盒体四周安装边密封面刚性低，属于非刚性密封，完全依靠紧固螺栓，产生的紧固力和耐碱橡胶垫压缩回弹量产生的密封效果一旦出现紧固力变化，或者橡胶垫压缩变形量和回弹能力改变，及盒体安装边材料出现变形则容易出现泄漏故障。

（2）橡胶密封垫老化，橡胶密封垫压缩变形过大，由于电解槽的工作温度较高（约80℃左右）经长期工作橡胶老化逐渐失去弹性或因紧固螺栓紧固力过大，橡胶产生过大的压缩变形，逐渐失去回弹力造成泄漏。

（3）电解槽受到禁锢力的大小不均衡导致易打火回火爆鸣使导电盒体变形，使紧固面螺栓之间局部密封间隙过大。导致极板和备件使用量大，形成资源浪费。

（4）盒式电解槽四周紧固螺栓多大上百个，对于紧固的操作方法要求严格，一旦紧固力不均就会引起局部密封间隙过大，密封性能差，成品合格率低。

极板早期失效。电极板早期损坏，主要模式是极板表面镀层鼓泡，脱落，极板基体材料腐蚀甚至穿孔，导致电解槽工作失常，严重时引起短路发生内爆，经试验分析验证，产生原因有：（1）电解用水水质中含有氯离子（cl-）超标，早期公司采用自来水作为电解用水，对水中的氯离子铁离子没有进行严格控制，氯离子对镀层及极板基体材料有很强的化学腐蚀和电化学腐蚀作用，氯离子不但活性大，且原子半径小能渗入镀层针孔，气乳与基体产生反应并产生氢气，使镀层剥离，又进一步对基体产生选择性腐蚀，使极板快速被腐蚀。（2）镀层质量如果镀层质量控制不好也会引起镀层的针孔率过高，则容易被氯离子等腐蚀介质所浸蚀。

回火故障在安全特性分析中对回火产生的基本条件及成因作了分析，现针对发生在操作过程中的直接原因作分析：

（1）割炬割咀与被割坯件相距过近，引起混合气或切割氧的反向压力过大，使混合燃气流速受阻而产生回火。

（2）在坯件预热，通切割氧坯件尚未切透而氧压过大产生反向压力

（3）防回火水封装置水封面高度不够或因安装制造原因引起单向阀的阀件与阀体间隙过大，大于阻火安全间隙0.008cm，使阻火失效。

故障预防措施：根据上述故障原因，在实践中将故障模式反馈给供货单位一起共同讨论采取对策、措施并取得了一些显著的效果。

（1）将以前盒式电解槽改为为圆型电解槽，本身结构合理，抗爆能力强。电解极板采用三段式极板对内爆具有缓冲作用。使得电解槽整体抗爆能力增强，多次破坏性内爆试验电解槽完好无损。老式电解槽为方型单盒式电解槽抗爆能力弱，一旦回火至电解槽必然产生变形、泄露，须立即维修与更换极板、端板、密封垫件等。同等级爆现象，圆形电解槽与老式电解槽相比显现出无与伦比的优越性，圆形电解槽的抗爆性会更好。独特的密封垫结构在内爆过程中对极板起到缓冲作用，有效的保护了极板。回火频繁严重后，电解槽只需维护或需要时更换内部极板即可，无需更换端板、圆筒组件等。其它电解槽零件组装后可继续使用，维护成本低。而老式电解槽爆则需更换整个电解槽。

（2）通过对盒式电解槽的使用分析，盒式电解槽为面密封，密封面积广，一旦稍有扭曲就会形成密封漏点，圆型电解槽将以往的面密封改为线密封，这样减少了密封面积，在电解槽的扭曲力作用下也不会随之扭曲变形，减少了漏点的出现，加之三段式极板的配合，同时也降低了电解槽回爆的概率也节省资源，由于电解槽内部是以水作为电解质参与电解，水里的杂质及电解后的杂质都存在与水中沉积在电解槽底部，三段式极板底部为橡胶不参与电解，这样杂质就不会附着在极板上，增加了极板的使用寿命。电解槽在工作状态下的水位为电解槽的2/3，加满会形成带水和反液现象，三段式极板上段还是采用橡胶，这样一来将避免了电解不到的地方通电及镀镍浪费能源。

（3）针对电解槽密封性差，我公司所采用的密封垫通过与专业橡胶制品生产厂家的长期研究和改进，使用2-3年质量仍完好无损，且在日常打开电解槽进行维护维修时，密封垫质量完好，杜绝了老式结构只要维护维修就必须更换密封垫的弊端。由于采用了新型结构的电解槽结构形式，使得电解槽的密封性能从根本上得以解决，经过高压气密性检验无泄露，经长期使用无任何泄漏现象发生，为公司节约了成本。老式电解槽由于结构上的弊端，采用的密封垫使用寿命短，密封性能差，单个螺丝松动或紧固不均匀就极易造成电解液泄漏，甚至打火并且极易造成极板腐蚀与破坏。电解槽维护周期短，维护量大，维护质量难以有效保证，影响生产的频度高。

（4）新式圆型电解槽替代盒式电解槽，只用六根丝杠紧固，淘汰了过去一套电解槽用几百个螺栓紧固造成安装、维修极为不便，故障率高，维修费用高等缺点。新型电解槽经过多年市场考验，具有工作可靠、体积小、密封性能优良、抗暴能力强、散热性能好、寿命长、拆卸简单、维修方便，维护成本低，有效降低了维护维修对生产的影响等优点；

（5）经过反渗透设备，可对水质进行过滤，不仅去除水中的杂质，还可以去除水中的钙、镁离子及氯离子，可大大提高设备的寿命。

3 今后的技术改进与发展

当前国内氢氧焰在连铸火焰切割工艺技术创新与发展方向主要有以下方面：（1）提高能源效率，节能降耗；（2）提高设备工艺装备的可靠性，可维修性和安全性，提高设备利用率；（3）对切割工艺改进提高，采用新工艺、新技术、新材料降低工艺成本。现根据技术发展趋势，结合公司实际情况对今后工艺发展提出以下意见或建议：

3.1 采用断火切割技术

目前公司火焰切割工艺，在整个切割过程中，无论在实施坯件切割作业还是处于坯件切割后的停机间隙过程时间，水电解氢氧发生器始终是处于运行工作状态，这样发生器在待机间隙过程时间所作的是无效功，造成能源的浪费设备的损耗。采用断火切割工艺，是通过控制器实施在待机阶段断火停机，来降低能耗和设备及工装的损耗，进而降低运行成本。

3.2 改进氢氧焰火焰切割割炬割咀

为适应高速高效切割作业，改进喷咀结构，提高切割氧流速，设计改进超声速喷咀，改进混合气通道孔径及分布，提高氢氧焰切割效率可根据空气动力学原理，对切割氧通径及型腔按高压收缩达到喉径然后逐渐进入扩散膨胀。然后稳流，使氧流达到超声速。按其不同功能段设计型腔面及其尺寸，并经过切割试验验证，来研制适合公司连铸坯火焰切割的割炬割咀。

3.3 进一步改进切割工艺参数实施混合气，切割气供给智能化控制

目前采用的混合气，切割氧的供给流量、压力在整个切割过程是一次调节完成后固定不变的，但实际实施切割过程中的不同阶段，预热开始加热到燃点，到通氧开始，到预定压力；切割开始到切缝形成，切割速度开始提速到正常规定速度，这些过程中预热、燃烧、吹渣各个过程实际需用混合气量及高压氧流量，压力应按需供给，需调节控制，应通过实际试验摸索找出规律，进行智能控制，以进一步优化工艺参数，以进一步提高和稳定工艺质量和产品质量。

作者简介：毋燕（1969—），女，陕西韩城人，陕西龙门钢铁有限责任公司工程师。