超声波防除垢技术在水冷坩埚中的应用

超声波防除垢技术在水冷坩埚中的应用

1 水冷紫铜坩埚结垢特点及危害

水冷紫铜坩埚是钛材真空熔炼的的关键设备之一，根据调查显示我公司所有的水冷坩埚都存在结垢问题，结垢后的水冷紫铜坩埚换热效率下降50%，并且紫铜坩埚容易发生变形，每年给我公司带约为600～800万人民币的经济损失。

1.1 结垢特点

钛材在熔炼过程中，熔池的温度达到1700℃，钛溶液在坩埚中需要结晶，就需要通过紫铜坩埚的换热能力，降低钛溶液的内能。由于紫铜坩埚的工作温度较高，导致垢质大量析出。根据测量得：紫铜坩埚每月的结垢厚度约为0.7～0.8mm，需要每月进行清洗除垢，否则会因水垢太厚，换热效率太低而无法进行使用。 1.2.1 增大能耗

结垢后的紫铜坩埚导热系数较小，使得换热性能下降。而且垢层的存在减小了冷却水的流通面积，增加了流动阻力，直接导致了动力设备能耗的增加。 为了补偿结垢后紫铜坩埚传热能力降低的问题，需要在设计紫铜坩埚换热时增加水流量，使得冷却水循环系统的水泵功率增加，增加了电能的损耗。 由于结构问题，紫铜坩埚的换热效率降低，使坩埚一直处于高温工作状态，紫铜坩埚容易发生热应力变形。变形后的紫铜坩埚造成熔化后的钛锭难以顺利取出，造成坩埚报废。

2 超声波防除垢的工作原理

超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无效极微小的局部空穴，当这些空穴气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强匿力峰能使积垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的积垢层破碎使其易于脱落，这就是超声波的空化效应。当超声波由金属外表面向里传播时，即会引起金属界面上的垢质跟随金属振动。但由于垢质的性态和弹性阻抗不同，垢质与金属会在换热界面上形成剪切应力作用，导致金属换热界面上的垢质层疲劳、裂纹、疏松、破碎而脱落，这就是超声波的剪切效应。

3 常用防垢技术与超声波防除垢技术的比较

目前工业领域运用较多的传统防垢技术主要有阻垢剂、离子交换及高频磁场技术，这些技术的优点是能实现在线防垢，缺点是防垢不彻底，仍需进行定期除垢，设备仍处于带垢运行状态；同时需要辅助设备，使得成本 增加。

传统的除垢方法主要有酸洗、碱洗的化学方法，机械清洗以及胶球系统。酸洗和碱洗方法除垢，可以清除比较细致，但是会对紫铜坩埚造成一定的腐蚀，清洗后的液体排放还会造成对环境的二次污染；并且如果水垢比较厚时，需要较长时间进行浸泡，严重影响熔炼设备的运行率；同时清洗时需要大量的水，造成水资源的浪费。机械清洗虽然对水垢的厚度没有要求，清理的也比较彻底，但需设计制造专门的水垢清理设备，在清理的过程中还需要专人操作，并且需要在熔炼设备切换条件下进行，影响了正常生产，增加了清理成本。与传统的除垢技术相比，超声波除防垢技术有以下优点：

3.1 使用超声波防除垢技术，不需要进行酸、碱洗清理污垢，会延长紫铜坩埚的使用寿命。

3.2 使用超声波防除垢技术，减少了熔炼设备切换紫铜坩埚的次数，减少了设备的停机时间。

3.2 从提高生产效率、消除化学除垢和提高机械设备寿命计算，超声波防除垢技术具有较好的经济效益。

3.4 超声波防除垢技术，不对环境造成危害，具有较好的社会效益。

4 超声波防除垢的安装方法及节能分析

4.1 超声波设备的安装

我公司应用的c-5000型防垢器主要由超声波功率发生器、传输电缆和装于冷却水外水套的压电式换能器组成如图1所示。功率发生器机箱安装在安装熔炼设备的下炉室位置，将换能器安装在冷却水的外水套上如图1所示。

4.2 超声波防除垢设备的应用效果分析

针对我公司对水冷坩埚污垢治理情况进行调查与分析发现，超声波防除垢技术的应用切实地解决了我公司水冷紫铜坩埚的结垢问题，提高了传热效率，降低了能耗，减少了环境污染，同时给企业带来了巨大的经济收益。以下是引用了超声波防除垢技术，并且对安装设备前后运行参数进行跟踪调查。

图3 是安装超声波以前每个月清理时的实物照片，水垢的平均厚度约为≥0.4mm，并且十分坚硬；图4 是安装超声波以后的每个月观察时的照片，水垢的平均厚度≤0.1mm。由以下的两个照片对比观察：安装前的水垢每月的积累的水垢厚度严重影响了生产，必须停机清理；而安装超声波后的水垢符合生产要求，不用停机清理。由以上的分析可知安装超声波以后，紫铜坩埚表面的水垢符合生产要求，减少了停机时间。

5 结束语

如何有效的防、除垢，已经成为工业领域关注的热点问题，这个问题的解决将是节能减排的新突破点。目前的方法也很多，酸洗、碱洗、阻垢剂、机械清洗等，但其在不同程度上增加了成本，有的还会造成环境的二次污染。与传统方法相比，超声波防除垢技术是一种高效、环保的先进技术，具有广阔的市场潜力，而且我公司的应用案例表明，超声波防除垢技术能去的良好的节能减排的效果。