提高結(jié)晶器銅管使用壽命的措施

陳慶華

結(jié)晶器使用壽命是指結(jié)晶器內(nèi)腔保持原有設(shè)計(jì)尺寸、形狀以及性能的時(shí)間長短和過鋼量數(shù)量等參數(shù)，通過提升結(jié)晶器使用壽命，能夠提升連鑄機(jī)連拉爐數(shù)量，從而促進(jìn)鋼鐵冶煉生產(chǎn)作業(yè)效率提高，有利于涂料包、快換水口等多種新技術(shù)和新工藝的使用。在結(jié)晶器運(yùn)行過程中，銅管使用壽命會(huì)受到多種因素的影響，如果出現(xiàn)使用壽命降低的問題，會(huì)導(dǎo)致鋼鐵冶煉連續(xù)性受到直接影響，所以必須應(yīng)用使用壽命的相關(guān)措施，為此本文結(jié)合H市某鋼廠的實(shí)踐案例提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1 結(jié)晶器簡要介紹

結(jié)晶器是承接從中間關(guān)注入的鋼水、使其按照設(shè)定斷面形狀凝固成為堅(jiān)固胚殼的連續(xù)鑄鋼設(shè)備。其中連鑄機(jī)是最為關(guān)鍵的構(gòu)件，連鑄機(jī)鋼管的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及性能參數(shù)等會(huì)對(duì)鑄胚質(zhì)量以及連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力產(chǎn)生直接影響。結(jié)晶器為一種槽型容器，器壁內(nèi)部具有夾套或蛇管，用于加熱或冷卻槽內(nèi)溶液；結(jié)晶槽需要作用在蒸發(fā)結(jié)晶器或冷卻結(jié)晶器，為了提高生產(chǎn)效率，能夠在槽內(nèi)增加攪拌器；結(jié)晶器可以用于連續(xù)操作或間接操作，間接操作得到的晶體體積較大，但是晶體容易連成晶簇，從而導(dǎo)致其夾帶母液，影響產(chǎn)品純度，所以一般用于連續(xù)作業(yè)中。結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)較為簡單，生產(chǎn)強(qiáng)度較低，適合使用在小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)中。當(dāng)前常用的結(jié)晶器主要包括套管式和組合式，常見的循環(huán)類型包括強(qiáng)制循環(huán)型、DTB 型以及奧斯陸型等。

為了確保結(jié)晶器具有良好的導(dǎo)熱性、足夠的抗磨損性、機(jī)械強(qiáng)度以及硬度等，以此延長使用壽命，當(dāng)前結(jié)晶器內(nèi)壁材質(zhì)一般采用銅基合金制造，普遍采用紫銅、銅銀合金、磷脫氧銅、銅鈹合金以及鉻鋯銅合金等，采用銅基合金的目的是提高結(jié)晶器運(yùn)行溫度，從而使其在高溫下的硬度和強(qiáng)度得以改善，延長內(nèi)壁使用壽命；部分結(jié)晶器為了提高內(nèi)壁耐磨性和光滑程度，以此減少拉胚阻力，還會(huì)在銅壁表面增加都鍍層，鍍層一般采用鎳、鐵等金屬材料。

2 H市某鋼廠生產(chǎn)情況分析

H 市某鋼廠連鑄機(jī)為德馬克型小方胚連鑄機(jī)，斷面為12cm*12cm，定徑水口敞開澆筑，二冷自動(dòng)配水，主要為火焰切割方式。2020年在生產(chǎn)作業(yè)過程中，結(jié)晶器使用壽命較低，全面結(jié)晶器共計(jì)使用215 次，拉鋼量為480861t，平均過鋼量為2248t/個(gè)，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)因?yàn)殂~管質(zhì)量較低以及外部劃傷等因素引起的問題，從而導(dǎo)致生產(chǎn)被迫停機(jī)，使得連鑄機(jī)作業(yè)效率受到很大影響，并且使鋼鐵冶煉連拉水平下降，涂料包難以達(dá)到正常使用壽命，致使該鋼廠生產(chǎn)成本不斷上升。2021年通過對(duì)結(jié)晶器的管理，使得工藝更加穩(wěn)定，對(duì)銅管參數(shù)進(jìn)行全面改善，結(jié)晶器平均過鋼量達(dá)到了2833t/個(gè)，最高過鋼量達(dá)到了4200t/個(gè)，設(shè)備改進(jìn)取得了良好的效果。

3 影響結(jié)晶器使用壽命的因素分析

3.1 結(jié)晶器自身質(zhì)量因素

3.1.1 銅管設(shè)計(jì)參數(shù)影響因素分析

結(jié)晶器銅管的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括材質(zhì)、鍍層、內(nèi)腔曲線以及圓角半徑等，其參數(shù)能夠?qū)Y(jié)晶器銅管的使用壽命產(chǎn)生直接影響。H 市該鋼廠結(jié)晶器采用的原銅管材質(zhì)為脫氧磷銅，含磷量為0.03%，再結(jié)晶溫度為210℃，銅管變形程度較大；鍍層采用單一的鉻鍍層，綜合耐磨性較差；內(nèi)腔曲線為單錐度，錐度為0.5±0.1%，胚殼和銅管之間存在著較大的間隙，不利于胚殼使用；銅管圓角半徑為R8mm，角部胚殼脫離器壁早，出結(jié)晶器下口胚殼較?。汇~管的自身參數(shù)導(dǎo)致結(jié)晶器在使用過程中容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷和損害損壞問題。鋼廠結(jié)晶器2月停止的部分原因：①過鋼量1529t/支，遺漏率為0.04%，運(yùn)行停止原因?yàn)閯潅?。②過鋼量1835t/支，遺漏率為1.31%，運(yùn)行停止原因?yàn)榻橇?。③過鋼量2879t/支，遺漏率為0.42%，運(yùn)行停止原因?yàn)橐?guī)劃。④過鋼量1517t/支，遺漏率為2.75%，運(yùn)行停止原因?yàn)榻橇?。⑤過鋼量1835t/支，遺漏率為1.63%，運(yùn)行停止原因?yàn)榻橇?。通過結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，該鋼廠的結(jié)晶器平均溢漏率達(dá)到了1.29%，存在著較為嚴(yán)重的漏鋼問題，將因?yàn)榻橇崖╀撘蛩貙?dǎo)致運(yùn)行停止結(jié)晶器排除，壽命能夠提升到2631t/個(gè)。

3.1.2 結(jié)晶器維修影響因素

結(jié)晶器維修工作質(zhì)量能夠直接影響結(jié)晶器運(yùn)行壽命，其中維修工作的關(guān)鍵在于對(duì)水縫的優(yōu)化。該鋼廠結(jié)晶器水套采用不銹鋼材質(zhì)的爆破成型水套，與銅管之間的距離為3.5mm，銅管和水套利用碳鋼螺絲進(jìn)行定位，在長時(shí)間的使用下容易發(fā)生銹蝕問題，難以將水縫調(diào)整為均勻狀態(tài)，導(dǎo)致銅管的傳熱不夠均勻，且初生胚殼生長不夠均勻，最終引起結(jié)晶器口出現(xiàn)漏鋼的問題，可以看出結(jié)晶器維修工作會(huì)對(duì)結(jié)晶器使用壽命產(chǎn)生直接影響。

3.2 工藝條件和作業(yè)方式的影響分析

3.2.1 結(jié)晶器潤滑影響因素

為了避免鑄胚胚殼和結(jié)晶器內(nèi)壁出現(xiàn)粘連問題，減少拉胚阻力并降低結(jié)晶器內(nèi)部磨損程度，提升鑄胚表面質(zhì)量，必須做好結(jié)晶器的潤滑工作。該鋼廠結(jié)晶器和胚殼之間主要采用稀油進(jìn)行潤滑，潤滑油為結(jié)晶器的專用油，澆鑄工藝習(xí)慣采用手動(dòng)方式加入，潤滑油使用量較少，且應(yīng)用不夠均勻；因?yàn)楣芾碇贫炔粔蛲晟?，加油作業(yè)整體不夠規(guī)范，導(dǎo)致銅管磨損較為嚴(yán)重。

3.2.2 拉鋼次數(shù)影響因素

拉鋼次數(shù)的多少能夠直接影響結(jié)晶器運(yùn)行情況，其能夠使得銅管產(chǎn)生熱膨脹，銅管就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力，引起屈服和永久變形問題發(fā)生，特別是在銅管的彎月面區(qū)域，由于該部位溫度梯度較低，且由于該區(qū)域溫度最高，會(huì)導(dǎo)致屈服應(yīng)力局部降低，2020年該連鑄機(jī)運(yùn)行停止次數(shù)為415 次，導(dǎo)致銅管的老化變形程度加劇。

3.2.3 機(jī)械損傷影響因素

該鋼廠連鑄機(jī)2020年采用柔性引錠桿構(gòu)件，上引錠難度較高，引錠頭使得銅管內(nèi)部出現(xiàn)損傷問題，導(dǎo)致結(jié)晶器銅管使用壽命降低。

3.3 鍍層影響因素

不同材質(zhì)的鍍層對(duì)于結(jié)晶器銅管的使用壽命會(huì)產(chǎn)生直接影響，硬板情況下比如Ni—Co—Fe 材質(zhì)的硬度為1000HV，Cr 材料的硬度≥600HV。結(jié)晶器銅管常用鍍層參數(shù)包括：①Cr鍍層材料，硬度≥600HV，熱膨脹系數(shù)為7，熱導(dǎo)率為60W/m·K～66W/m·K。②Ni鍍層材料，硬度≥140HV，熱膨脹系數(shù)為14～16，熱導(dǎo)率為76W/m·K～84W/m·K。③Ni—Fe鍍層材料，硬度≥250HV，熱膨脹系數(shù)為1 4，熱導(dǎo)率為6 3 W/m·K ～8 8 W/m·K。④Ni—Co—Fe鍍層材料，硬度≥650HV，熱膨脹系數(shù)為14.56，熱導(dǎo)率為65W/m·K～75W/m·K。超微晶鈷合金鍍層材料，硬度≥700HV，熱膨脹系數(shù)為13.5，熱導(dǎo)率為65W/m·K～70W/m·K。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)且結(jié)合材料的其他特性來看，鍍層對(duì)于結(jié)晶器銅管銅管的使用壽命影響，主要集中在提高結(jié)晶器銅管硬度、摩擦系數(shù)以及耐磨性等幾個(gè)方面，如果結(jié)晶器銅管鍍層硬度較低、耐磨性較差、摩擦系數(shù)較高，那么鍍層使用壽命則會(huì)縮短，無法有效保護(hù)結(jié)晶器銅管，從而導(dǎo)致結(jié)晶器銅管使用壽命降低。

3.4 水質(zhì)影響因素

水質(zhì)是影響結(jié)晶器壁溫和變形度重要因素，在該鋼廠2020年生產(chǎn)過程中，因?yàn)椴捎玫睦鋮s水水質(zhì)較差，對(duì)于水質(zhì)的管理工作重視程度不足，導(dǎo)致水垢大量沉積在結(jié)晶器銅管冷面中，使得熱阻出現(xiàn)很大提高，結(jié)晶器壁溫升高幅度較大，銅管出現(xiàn)嚴(yán)重的變形問題，尤其是在銅管彎月面區(qū)域的變形程度最大。根據(jù)對(duì)該結(jié)晶器的銅管變形監(jiān)測(cè)情況來看，水垢使得結(jié)晶器彎月面下的變形從0.2mm 提高到了0.35mm，最大塑性應(yīng)變從0.5*10-3提高到了2.0*10-3提高到了三倍，導(dǎo)致結(jié)晶器的永久變形增加。

3.5 管理因素

在該鋼廠2020年生產(chǎn)過程中，因?yàn)榻Y(jié)晶器銅管設(shè)備缺乏檢測(cè)與維修，沒有建立結(jié)晶器使用臺(tái)賬，對(duì)結(jié)晶器的在線使用管理較為松懈，在缺乏管理的情況下，使得結(jié)晶器出現(xiàn)較為嚴(yán)重的故障。

4 提高結(jié)晶器銅管使用壽命的有效措施

通過上文的分析可以明確，H 市該鋼廠的結(jié)晶器使用壽命較低，導(dǎo)致其生產(chǎn)連續(xù)性受到很大影響，且無法保障產(chǎn)品質(zhì)量，為了解決該問題，在2021年對(duì)結(jié)晶器整體進(jìn)行改造，具體采用了如下幾項(xiàng)措施。

4.1 結(jié)晶器設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn)

在對(duì)結(jié)晶器銅管進(jìn)行改造時(shí)，需要考慮到自身材質(zhì)以及鍍層對(duì)其使用壽命的影響，比如雖然Cr 鍍層硬度較高，但是鍍層一般較薄，磨損速度較快；Ni 鍍層的耐磨性較差，使用壽命不夠理想；Ni—Fe 鍍層印度較高，耐磨性較好，使用壽命較為理想；Ni—Co 鍍層摩擦系數(shù)較低，塑性較好，耐磨性與壽命優(yōu)于Ni—Fe 鍍層。在改進(jìn)前，結(jié)晶器銅管參數(shù)為脫氧磷銅，鍍層為單一鉻鍍層，圓角半徑為R8mm，內(nèi)腔曲線為單一錐度；在對(duì)結(jié)晶器銅管進(jìn)行改進(jìn)后，結(jié)晶器銅管參數(shù)為DHP122 材質(zhì)，鍍層為復(fù)合鎳鉻鍍層，圓角半徑為R6mm，內(nèi)腔曲線為拋物線形錐度。

采用DHP122 材質(zhì)，能夠提升銅管熱傳導(dǎo)率、屈服應(yīng)力以及抗軟化能力，抗軟化溫度提高到了300℃，使得結(jié)晶器的抗變形能力得以大幅度提升；鍍層采用復(fù)合鎳鉻鍍層后，耐磨性顯著提升，能夠降低鍍層脫落的影響；圓角半徑改進(jìn)為R6mm，錐度改進(jìn)為0.6±0.1%后，能夠促進(jìn)胚殼和角部的冷卻，使得角裂漏鋼次數(shù)降低；在對(duì)結(jié)晶器銅管進(jìn)行改進(jìn)后，特別是對(duì)結(jié)晶器銅管內(nèi)腔曲線改善后，能夠滿足鑄胚收縮特點(diǎn)需求，從而提高鑄胚在結(jié)晶器大部分長度內(nèi)軸向熱流的穩(wěn)定性。

4.2 加強(qiáng)維修管理工作

首先，在結(jié)晶器的維修管理工作中，重點(diǎn)是對(duì)水縫進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將原有的碳鋼螺栓定位調(diào)整為不銹鋼螺栓定位，從而使得螺栓受到的腐蝕影響較低，有利于水縫更加均勻。采用預(yù)防性維修管理措施，該鋼廠根據(jù)結(jié)晶器銅管的運(yùn)行強(qiáng)度、故障問題，制定完善的預(yù)防性維修管理規(guī)范，確保結(jié)晶器銅管維修管理體系能夠?qū)ぷ魅藛T的操作、行為等產(chǎn)生約束作用，使其能夠在規(guī)定范圍內(nèi)正確對(duì)結(jié)晶器銅管進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，從而避免結(jié)晶器銅管出現(xiàn)故障。預(yù)防性維修管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定，必須結(jié)合結(jié)晶器銅管的基本情況，明確結(jié)晶器銅管的使用注意事項(xiàng)，根據(jù)其故障發(fā)生歷史情況，加強(qiáng)對(duì)結(jié)晶器銅管正確預(yù)防性維修管理方法的培訓(xùn)和教育，使工作人員能夠在專業(yè)維修管理能力方面得到提升，嚴(yán)格遵守結(jié)晶器銅管檢修規(guī)范，進(jìn)而保障結(jié)晶器銅管質(zhì)量，避免多項(xiàng)故障問題的發(fā)生，將結(jié)晶器銅管故障控制在合理的范圍內(nèi)。結(jié)晶器銅管的預(yù)防性維修管理工作，必須具有明確的規(guī)定要求，才能夠有效提升結(jié)晶器銅管使用壽命。

4.3 工藝優(yōu)化與操作優(yōu)化措施

為了提高結(jié)晶器銅管使用壽命，該鋼廠對(duì)生產(chǎn)工藝以及操作進(jìn)行優(yōu)化，具體內(nèi)容包括：①制定了完善的潤滑油使用管理制度，將其納入到經(jīng)濟(jì)責(zé)任考核制度中，通過完善的結(jié)晶器銅管潤滑管理制度確保能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)潤滑目標(biāo)，將潤滑油均勻地涂抹在銅管中；確保結(jié)晶器銅管油量在0.2ml/min 左右，能夠使得胚殼和器壁之間形成一層厚度為0.025mm 左右的油膜，以此實(shí)現(xiàn)潤滑目標(biāo)，減少拉胚阻力和結(jié)晶器銅管磨損。②提高生產(chǎn)操作穩(wěn)定性，確保連拉工藝效率。2021年連鑄機(jī)以穩(wěn)定、均衡作為基礎(chǔ)生產(chǎn)目標(biāo)，確保連鑄機(jī)連拉工作效率，以此方式減少結(jié)晶器銅管冷熱膨脹次數(shù)，從而縮小結(jié)晶器銅管變形量；2021年該連鑄機(jī)運(yùn)行停止次數(shù)僅為292 次，連拉從上一年的43.29 爐/次，增加到了66.04 爐/次，使得結(jié)晶器銅管變形程度減少。③對(duì)引錠桿進(jìn)行改造處理，以此減少對(duì)結(jié)晶器銅管的損傷，2021年采用設(shè)備中修方式對(duì)該結(jié)晶器原有的柔性引錠桿進(jìn)行改造，采用20CrMo剛性引錠桿，使得對(duì)結(jié)晶器銅管的損傷減少，在很大程度上提高了結(jié)晶器銅管的使用壽命。

4.4 改善水質(zhì)

2021年該鋼廠加強(qiáng)了對(duì)凈水閉路循環(huán)水質(zhì)的監(jiān)控與處理力度，分廠定時(shí)取樣分析，在硬度大于20mg/L 時(shí)，通過軟水站加阻垢劑100kg/次，直到硬度低于20mg/L；同時(shí)將水質(zhì)的渾濁度控制在小于50mg/L 內(nèi)，通過對(duì)水質(zhì)的改善，使得結(jié)晶器銅管外壁和水套結(jié)構(gòu)問題發(fā)生率較低，從而有效提升了結(jié)晶器銅管的使用壽命。

4.5 完善結(jié)晶器銅管管理制度

首先，該鋼廠加強(qiáng)了對(duì)管理人員的培訓(xùn)工作，通過對(duì)部分鋼廠的結(jié)晶器銅管故障、損壞問題發(fā)生原因進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)楣ぷ魅藛T沒有正確的掌握結(jié)晶器銅管維修管理方法，導(dǎo)致維修管理工作無法有效落實(shí)，能夠起到的作用較為有限。因此，鋼廠需要加強(qiáng)對(duì)工作人員的維修管理技術(shù)培訓(xùn)工作，使其掌握各項(xiàng)結(jié)晶器銅管的科學(xué)維修管理方法，能夠快速、準(zhǔn)確地判斷出結(jié)晶器銅管是否存在故障問題，以及生產(chǎn)期間如果結(jié)晶器銅管發(fā)生故障問題，如何能夠?qū)p降到最低，全面提高結(jié)晶器銅管維修管理工作規(guī)范性。通過科學(xué)的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)能夠使工作人員快速熟悉各結(jié)晶器銅管的具體維修管理方法，使其在日產(chǎn)工作過程中，能夠?qū)⒕S修管理措施落實(shí)到實(shí)處，避免結(jié)晶器銅管出現(xiàn)多種故障問題。其次，鋼廠結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)情況，對(duì)結(jié)晶器銅管的維修管理體系進(jìn)行完善，維修管理需要貫徹到結(jié)晶器銅管日常檢修工作中，才能夠發(fā)揮出維修管理的作用和價(jià)值，所以鋼廠需要根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)晶器銅管運(yùn)行情況，制定全面的維修管理制度。另外，需要對(duì)各結(jié)晶器銅管容易出現(xiàn)的故障問題進(jìn)行總結(jié)，并明確結(jié)晶器銅管發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)，使得結(jié)晶器銅管發(fā)生故障時(shí)管理人員能夠第一時(shí)間判斷出來，這是推動(dòng)結(jié)晶器銅管維修管理工作落實(shí)的有效方式。

5 改進(jìn)效果

通過采用上述改進(jìn)措施，該鋼廠結(jié)晶器使用壽命大幅度提升，2021年在產(chǎn)量提高3.8 萬t 的基礎(chǔ)上，減少銅管使用30 支，結(jié)晶器過鋼量平均達(dá)到了2831t/個(gè)，尤其是在12月份生產(chǎn)中，結(jié)晶器平均過鋼量達(dá)到了3300t/個(gè)，使得生產(chǎn)量以及效率得到了很大提升，全面提高了鋼廠生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

綜上所述，本文全面闡述了結(jié)晶器與銅管的基本概念，并以H 市某鋼廠的生產(chǎn)實(shí)踐為例，對(duì)影響使用壽命的因素進(jìn)行分析，根據(jù)影響因素制定了多項(xiàng)提高結(jié)晶器銅管使用壽命的措施，希望能夠?qū)︿搹S起到一定的借鑒和幫助作用，并對(duì)鋼廠設(shè)備維修管理起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高鋼廠生產(chǎn)效率。