结晶器铜管发黑原因剖析

结晶器铜管发黑原因剖析

李健   ,高建明

陕西龙门钢铁有限责任公司炼钢厂  陕西韩城  715405   

摘要：连铸生产过程中，其结晶器铜管的运行寿命关系到生产的稳定运行，其铜管发黑也影响到铸坯质量。本文主要针对4#连铸机结晶器铜管发黑的问题展开讨论，通过对生产过程的纵向对比，分别从钢坯拉速、冷却水流量、进出水温度，水质指标控制进行分析。相关数据统计归类，明确冷却水流量是影响铜管过热发黑的主要问题。通过增加结晶器冷却水流量，提高冷却效果，基本达到预期目的。

关键词：氧化铜   氧化铁   循环水流量（压力）

一、前言；

结晶器是连铸生产过程的核心设备，其铜管拉钢量的多少直接影响生产的连续性，同时也关系到铸坯的质量。由于生产过程影响铜管的因素较多。如：钢水温度、钢坯拉速，冷却水量、冷却水温差，水质指标以及结晶器维修质量等。通过我们对生产过程采集大量的数据归类分析，发现在目前的生产过程中，循环水的流量对结晶器铜管的影响最大。由于在结晶器运行过程中，雏形钢坯的热量应及时被冷却水带走，否则将会导致热量聚集，导致铜管高温氧化，甚至导致铜管变形，使铜管受到影响而发生异常。例如本文讨论的4#连铸机结晶器铜管受热发黑的问题，通过我们从各项参数分析，找到了影响铜管发黑问题的因素，以及后续改进，达到了较好的效果。其实质就是典型的水量不足影响，同时也是潜在的安全隐患。必须引起我们的重视。

二、存在问题

2021年3月14日4#连铸机拉钢过程中，出现结晶器漏钢现象，漏钢就是从铜管拉出的雏形钢坯外壳厚度较薄，而铸坯内钢液还未成型，导致钢液喷出坯壳，尽而使生产运行受到影响。随后停机更换结晶器，并打开结晶器发现，铜管整面呈蓝黑色，且浇钢液面处仅有少量黄色污垢。如右图所示：4#机结晶器铜管呈兰黑色，且均匀的一致。

三、原因分析：

      在结晶器的维修现场，我们采集了铜管表面的黑色样品。为了防止刮取过程混入单质金属铜基体对分析结果的干扰，在化验前首先对样品进行初期试验，确保没有单质铜基体的干扰才测定，使得测定数据准确。具体分析数据如下：

蓝黑色物质易于刮取，其中Fe2O3  33.72%、 CuO  40.16%、 有机物 3.53%、 其余为不溶残渣。从化验结果看出：污垢主要是氧化铜和氧化铁的混合物，主要以黑色氧化铜为主。

     连铸4#机属于五机五流，生产钢种为HRB400，其浇注温度为1520-1540℃，钢坯断面为170×170mm。4#连铸机结晶器水系统为闭式循环水系统，其补充水为脱盐水。为了便于清楚了解生产过程的相关参数，为此我们有针对性的对该结晶器铜管本周期（3.5-3.14）和后续2个周期的运行数据进行统计如下：

Ⅰ、铜管表面情况

Ⅱ、结晶器运行主要参数对比（平均值）：

Ⅲ、结晶器运行水质指标对比（平均值）

Ⅳ、结晶器进水温度区间对比

Ⅴ、钢坯拉速对比

Ⅵ、3月5日-3月14日结晶器水质具体指标统计如下：

污垢成分说明：

Ⅰ、有机物（主要为微生物粘泥）含量少，表明杀菌剂使用得当。

Ⅱ、铜管表面被氧化，即Cu+O

2→CuO(黑色）占主要因素，表明有黑色氧化铜存在。

Ⅲ、在氧气存在的情况下，黄色Fe2O3氧化为黑色Fe3O4，即Fe2O3+O2→Fe3O4（黑色），表明有腐蚀铁离子存在，但不是主要因素。

要使铜和氧化铁在短时间内发生氧化反应，需要一定的温度和较低的PH才能发生，此批铜管本周期循环水的PH为8.1，作为金属物体在高温条件下，势必发生氧化还原反应。

从三批次上线的铜管情况来看，铜管拉钢量越大，即在线生产时间越长，铜管受高温的影响越严重，铜管发黑面积越多；铜管冷却水流量越大，吸收的热量越多，其冷却效果越好，越不易受热发生氧化变黑。同时从生产方面调查得知，4#机结晶器回水阀门开度较小，回水不畅，处于憋压的状态，表面看压力高，而实际因回水憋压流速小。钢坯热量不能够及时被冷却水带走，导致热量聚集而发生氧化，导致其表面呈发挥现象。结晶器的设计要求就是窄缝隙、高流速的冷却方式，通过高速水流带走铜管表面热量。高流速主要依靠压力确定，提压不能依靠减小回水阀们开度来控制，而应该通过提高水泵的供水压力来提高流速。而我们却控制阀门开度来提高结晶器水压力，由此导致铜管表面发黑的问题。

同时在生产过程中，常常拉钢的速度上下变化幅度较大，而此时结晶器的冷却水流量不变，也会导致铜管受热波动变化，对铜管运行产生不同程度的影响。而且有时同一批下线的铜管，其中一、二支铜管呈棕黑色，其它铜管表面呈黄色。这种原因往往是由于呈棕黑色的铜管结晶器上下水腔密封漏水严重，导致铜管水缝冷却水流速低，冷却效果差，铜管表面和附着物氧化变黑所致。如左图所示。

水套式结晶器的水缝间隙调整的好坏直接影响到铸坯的质量，应经常检查结晶器供水系统的工作压力、温度和流量。正常结晶器冷却水温差应在3-9℃，较好为5-8℃，如果＜3℃时要及时检查结晶器上下水腔的密封圈是否好坏，否则更换密封圈。

四、措施落实及效果：

通过我们调整了结晶器回水阀门开度，确保回水无阻力畅通，有效提高水量流速，使结晶器的冷却水流量由170m3/h提高至175-180m3/h，同时稳定钢坯的拉速，防止拉钢过程大幅度波动。对稳定生产过程提到了很大的作用。

通过提高铜管冷却水流量，增加了铜管的冷却强度，使铜管传热能够被及时带走，减少了铜管表面的热量聚集。同时从水源方面，要求公司供水质量稳定，满足用水相关指标，而且做好后续的化验检测和信息反馈。从后续下线的铜管表面来看，效果明显，如：右图所示。

五、讨论：

影响结晶器运行的因素虽然很多，但是我们必须分清主次和客观因素，找到问题的主要矛盾，针对问题，采取相应措施，并跟踪实施的效果。例如在结晶器系统的挂片试验中，我们分别在冷却塔和水池位置放置了铜挂片，经过3个月的运行，循环水温度30-40℃其铜管表面也出现了黑色的污垢（氧化铜），如左图所示：2个铜片各自放置在3#机开式系统（投加氧化性和非氧化性杀菌剂）和新区闭式系统（仅投加非氧化性杀菌剂），然而2个铜挂片的腐蚀速率相等均为0.0031mm/a，说明在现有氧化性杀菌剂的用量下，不会对铜表面产生氧化腐蚀，其腐蚀仅为循环水中溶解氧对铜产生腐蚀导致。因此温度是加速铜腐蚀的速度并导致铜管发黑的主要问题。

在结晶器循环水处理过程中，我们应做到具体问题具体分析。抓住主要矛盾解决、遏制次要问题防止蔓延。在一定的范围内拉速提高，也应匹配适当的冷却水强度，不能在一个冷却水流量下，不断提高钢坯拉速而将对铜管产生不良的影响。同时结晶器壁的导热性能和水冷条件，结晶器壁与坯壳的摩擦力，结晶器的刚性和再结晶温度，结晶器振动时产生的惯性等。

在连铸生产线已经确定的情况下，结晶器壁的导热性和水冷效果是决定结晶器正常生产最重要的因素之一。而结晶器设计特点就是窄缝隙、高流速、稳拉速、洁净的水源，违背这一宗旨就是影响生产。所以设置合理的供水系统、水量和水压，提供合格的供水水质和合理的水质稳定处理，防止在结晶器壁结垢是保证结晶器良好导热性和水冷效果的重要措施。也是保证其安全、稳定、正常运行的关键。

参考文献

【1】王忠尧 编.《工业用水及污水水质分析》. 北京：化学工业出版社，2010.5

【2】王又蓉 编著.《工业水处理问答》.北京：国防工业出版社，2007.1

【3】严瑞瑄 主编.《水处理剂应用手册》.北京：化学工业出版社，2003.3