提高结晶器铜管使用寿命的措施

2023-01-09陈庆华

中国金属通报 2022年18期

陈庆华

结晶器使用寿命是指结晶器内腔保持原有设计尺寸、形状以及性能的时间长短和过钢量数量等参数，通过提升结晶器使用寿命，能够提升连铸机连拉炉数量，从而促进钢铁冶炼生产作业效率提高，有利于涂料包、快换水口等多种新技术和新工艺的使用。在结晶器运行过程中，铜管使用寿命会受到多种因素的影响，如果出现使用寿命降低的问题，会导致钢铁冶炼连续性受到直接影响，所以必须应用使用寿命的相关措施，为此本文结合H市某钢厂的实践案例提出相应的应对措施。

1 结晶器简要介绍

结晶器是承接从中间关注入的钢水、使其按照设定断面形状凝固成为坚固胚壳的连续铸钢设备。其中连铸机是最为关键的构件，连铸机钢管的结构、材质以及性能参数等会对铸胚质量以及连铸机的生产能力产生直接影响。结晶器为一种槽型容器，器壁内部具有夹套或蛇管，用于加热或冷却槽内溶液；结晶槽需要作用在蒸发结晶器或冷却结晶器，为了提高生产效率，能够在槽内增加搅拌器；结晶器可以用于连续操作或间接操作，间接操作得到的晶体体积较大，但是晶体容易连成晶簇，从而导致其夹带母液，影响产品纯度，所以一般用于连续作业中。结晶器的结构较为简单，生产强度较低，适合使用在小批量的产品生产中。当前常用的结晶器主要包括套管式和组合式，常见的循环类型包括强制循环型、DTB 型以及奥斯陆型等。

为了确保结晶器具有良好的导热性、足够的抗磨损性、机械强度以及硬度等，以此延长使用寿命，当前结晶器内壁材质一般采用铜基合金制造，普遍采用紫铜、铜银合金、磷脱氧铜、铜铍合金以及铬锆铜合金等，采用铜基合金的目的是提高结晶器运行温度，从而使其在高温下的硬度和强度得以改善，延长内壁使用寿命；部分结晶器为了提高内壁耐磨性和光滑程度，以此减少拉胚阻力，还会在铜壁表面增加都镀层，镀层一般采用镍、铁等金属材料。

2 H市某钢厂生产情况分析

H 市某钢厂连铸机为德马克型小方胚连铸机，断面为12cm*12cm，定径水口敞开浇筑，二冷自动配水，主要为火焰切割方式。2020年在生产作业过程中，结晶器使用寿命较低，全面结晶器共计使用215 次，拉钢量为480861t，平均过钢量为2248t/个，在生产过程中出现因为铜管质量较低以及外部划伤等因素引起的问题，从而导致生产被迫停机，使得连铸机作业效率受到很大影响，并且使钢铁冶炼连拉水平下降，涂料包难以达到正常使用寿命，致使该钢厂生产成本不断上升。2021年通过对结晶器的管理，使得工艺更加稳定，对铜管参数进行全面改善，结晶器平均过钢量达到了2833t/个，最高过钢量达到了4200t/个，设备改进取得了良好的效果。

3 影响结晶器使用寿命的因素分析

3.1 结晶器自身质量因素

3.1.1 铜管设计参数影响因素分析

结晶器铜管的设计参数主要包括材质、镀层、内腔曲线以及圆角半径等，其参数能够对结晶器铜管的使用寿命产生直接影响。H 市该钢厂结晶器采用的原铜管材质为脱氧磷铜，含磷量为0.03%，再结晶温度为210℃，铜管变形程度较大；镀层采用单一的铬镀层，综合耐磨性较差；内腔曲线为单锥度，锥度为0.5±0.1%，胚壳和铜管之间存在着较大的间隙，不利于胚壳使用；铜管圆角半径为R8mm，角部胚壳脱离器壁早，出结晶器下口胚壳较薄；铜管的自身参数导致结晶器在使用过程中容易出现质量缺陷和损害损坏问题。钢厂结晶器2月停止的部分原因：①过钢量1529t/支，遗漏率为0.04%，运行停止原因为划伤。②过钢量1835t/支，遗漏率为1.31%，运行停止原因为角裂。③过钢量2879t/支，遗漏率为0.42%，运行停止原因为规划。④过钢量1517t/支，遗漏率为2.75%，运行停止原因为角裂。⑤过钢量1835t/支，遗漏率为1.63%，运行停止原因为角裂。通过结合相关数据可以看出，该钢厂的结晶器平均溢漏率达到了1.29%，存在着较为严重的漏钢问题，将因为角裂漏钢因素导致运行停止结晶器排除，寿命能够提升到2631t/个。

3.1.2 结晶器维修影响因素

结晶器维修工作质量能够直接影响结晶器运行寿命，其中维修工作的关键在于对水缝的优化。该钢厂结晶器水套采用不锈钢材质的爆破成型水套，与铜管之间的距离为3.5mm，铜管和水套利用碳钢螺丝进行定位，在长时间的使用下容易发生锈蚀问题，难以将水缝调整为均匀状态，导致铜管的传热不够均匀，且初生胚壳生长不够均匀，最终引起结晶器口出现漏钢的问题，可以看出结晶器维修工作会对结晶器使用寿命产生直接影响。

3.2 工艺条件和作业方式的影响分析

3.2.1 结晶器润滑影响因素

为了避免铸胚胚壳和结晶器内壁出现粘连问题，减少拉胚阻力并降低结晶器内部磨损程度，提升铸胚表面质量，必须做好结晶器的润滑工作。该钢厂结晶器和胚壳之间主要采用稀油进行润滑，润滑油为结晶器的专用油，浇铸工艺习惯采用手动方式加入，润滑油使用量较少，且应用不够均匀；因为管理制度不够完善，加油作业整体不够规范，导致铜管磨损较为严重。

3.2.2 拉钢次数影响因素

拉钢次数的多少能够直接影响结晶器运行情况，其能够使得铜管产生热膨胀，铜管就会出现应力，引起屈服和永久变形问题发生，特别是在铜管的弯月面区域，由于该部位温度梯度较低，且由于该区域温度最高，会导致屈服应力局部降低，2020年该连铸机运行停止次数为415 次，导致铜管的老化变形程度加剧。

3.2.3 机械损伤影响因素

该钢厂连铸机2020年采用柔性引锭杆构件，上引锭难度较高，引锭头使得铜管内部出现损伤问题，导致结晶器铜管使用寿命降低。

3.3 镀层影响因素

不同材质的镀层对于结晶器铜管的使用寿命会产生直接影响，硬板情况下比如Ni—Co—Fe 材质的硬度为1000HV，Cr 材料的硬度≥600HV。结晶器铜管常用镀层参数包括：①Cr镀层材料，硬度≥600HV，热膨胀系数为7，热导率为60W/m·K～66W/m·K。②Ni镀层材料，硬度≥140HV，热膨胀系数为14～16，热导率为76W/m·K～84W/m·K。③Ni—Fe镀层材料，硬度≥250HV，热膨胀系数为1 4，热导率为6 3 W/m·K ～8 8 W/m·K。④Ni—Co—Fe镀层材料，硬度≥650HV，热膨胀系数为14.56，热导率为65W/m·K～75W/m·K。超微晶钴合金镀层材料，硬度≥700HV，热膨胀系数为13.5，热导率为65W/m·K～70W/m·K。

根据相关数据且结合材料的其他特性来看，镀层对于结晶器铜管铜管的使用寿命影响，主要集中在提高结晶器铜管硬度、摩擦系数以及耐磨性等几个方面，如果结晶器铜管镀层硬度较低、耐磨性较差、摩擦系数较高，那么镀层使用寿命则会缩短，无法有效保护结晶器铜管，从而导致结晶器铜管使用寿命降低。

3.4 水质影响因素

水质是影响结晶器壁温和变形度重要因素，在该钢厂2020年生产过程中，因为采用的冷却水水质较差，对于水质的管理工作重视程度不足，导致水垢大量沉积在结晶器铜管冷面中，使得热阻出现很大提高，结晶器壁温升高幅度较大，铜管出现严重的变形问题，尤其是在铜管弯月面区域的变形程度最大。根据对该结晶器的铜管变形监测情况来看，水垢使得结晶器弯月面下的变形从0.2mm 提高到了0.35mm，最大塑性应变从0.5*10-3提高到了2.0*10-3提高到了三倍，导致结晶器的永久变形增加。

3.5 管理因素

在该钢厂2020年生产过程中，因为结晶器铜管设备缺乏检测与维修，没有建立结晶器使用台账，对结晶器的在线使用管理较为松懈，在缺乏管理的情况下，使得结晶器出现较为严重的故障。

4 提高结晶器铜管使用寿命的有效措施

通过上文的分析可以明确，H 市该钢厂的结晶器使用寿命较低，导致其生产连续性受到很大影响，且无法保障产品质量，为了解决该问题，在2021年对结晶器整体进行改造，具体采用了如下几项措施。

4.1 结晶器设计参数改进

在对结晶器铜管进行改造时，需要考虑到自身材质以及镀层对其使用寿命的影响，比如虽然Cr 镀层硬度较高，但是镀层一般较薄，磨损速度较快；Ni 镀层的耐磨性较差，使用寿命不够理想；Ni—Fe 镀层印度较高，耐磨性较好，使用寿命较为理想；Ni—Co 镀层摩擦系数较低，塑性较好，耐磨性与寿命优于Ni—Fe 镀层。在改进前，结晶器铜管参数为脱氧磷铜，镀层为单一铬镀层，圆角半径为R8mm，内腔曲线为单一锥度；在对结晶器铜管进行改进后，结晶器铜管参数为DHP122 材质，镀层为复合镍铬镀层，圆角半径为R6mm，内腔曲线为抛物线形锥度。

采用DHP122 材质，能够提升铜管热传导率、屈服应力以及抗软化能力，抗软化温度提高到了300℃，使得结晶器的抗变形能力得以大幅度提升；镀层采用复合镍铬镀层后，耐磨性显著提升，能够降低镀层脱落的影响；圆角半径改进为R6mm，锥度改进为0.6±0.1%后，能够促进胚壳和角部的冷却，使得角裂漏钢次数降低；在对结晶器铜管进行改进后，特别是对结晶器铜管内腔曲线改善后，能够满足铸胚收缩特点需求，从而提高铸胚在结晶器大部分长度内轴向热流的稳定性。

4.2 加强维修管理工作

首先，在结晶器的维修管理工作中，重点是对水缝进行优化调整，将原有的碳钢螺栓定位调整为不锈钢螺栓定位，从而使得螺栓受到的腐蚀影响较低，有利于水缝更加均匀。采用预防性维修管理措施，该钢厂根据结晶器铜管的运行强度、故障问题，制定完善的预防性维修管理规范，确保结晶器铜管维修管理体系能够对工作人员的操作、行为等产生约束作用，使其能够在规定范围内正确对结晶器铜管进行维护和保养，从而避免结晶器铜管出现故障。预防性维修管理标准规范制定，必须结合结晶器铜管的基本情况，明确结晶器铜管的使用注意事项，根据其故障发生历史情况，加强对结晶器铜管正确预防性维修管理方法的培训和教育，使工作人员能够在专业维修管理能力方面得到提升，严格遵守结晶器铜管检修规范，进而保障结晶器铜管质量，避免多项故障问题的发生，将结晶器铜管故障控制在合理的范围内。结晶器铜管的预防性维修管理工作，必须具有明确的规定要求，才能够有效提升结晶器铜管使用寿命。

4.3 工艺优化与操作优化措施

为了提高结晶器铜管使用寿命，该钢厂对生产工艺以及操作进行优化，具体内容包括：①制定了完善的润滑油使用管理制度，将其纳入到经济责任考核制度中，通过完善的结晶器铜管润滑管理制度确保能够实现自动润滑目标，将润滑油均匀地涂抹在铜管中；确保结晶器铜管油量在0.2ml/min 左右，能够使得胚壳和器壁之间形成一层厚度为0.025mm 左右的油膜，以此实现润滑目标，减少拉胚阻力和结晶器铜管磨损。②提高生产操作稳定性，确保连拉工艺效率。2021年连铸机以稳定、均衡作为基础生产目标，确保连铸机连拉工作效率，以此方式减少结晶器铜管冷热膨胀次数，从而缩小结晶器铜管变形量；2021年该连铸机运行停止次数仅为292 次，连拉从上一年的43.29 炉/次，增加到了66.04 炉/次，使得结晶器铜管变形程度减少。③对引锭杆进行改造处理，以此减少对结晶器铜管的损伤，2021年采用设备中修方式对该结晶器原有的柔性引锭杆进行改造，采用20CrMo刚性引锭杆，使得对结晶器铜管的损伤减少，在很大程度上提高了结晶器铜管的使用寿命。

4.4 改善水质

2021年该钢厂加强了对净水闭路循环水质的监控与处理力度，分厂定时取样分析，在硬度大于20mg/L 时，通过软水站加阻垢剂100kg/次，直到硬度低于20mg/L；同时将水质的浑浊度控制在小于50mg/L 内，通过对水质的改善，使得结晶器铜管外壁和水套结构问题发生率较低，从而有效提升了结晶器铜管的使用寿命。

4.5 完善结晶器铜管管理制度

首先，该钢厂加强了对管理人员的培训工作，通过对部分钢厂的结晶器铜管故障、损坏问题发生原因进行分析可以发现，主要是因为工作人员没有正确的掌握结晶器铜管维修管理方法，导致维修管理工作无法有效落实，能够起到的作用较为有限。因此，钢厂需要加强对工作人员的维修管理技术培训工作，使其掌握各项结晶器铜管的科学维修管理方法，能够快速、准确地判断出结晶器铜管是否存在故障问题，以及生产期间如果结晶器铜管发生故障问题，如何能够将损降到最低，全面提高结晶器铜管维修管理工作规范性。通过科学的专业技术培训能够使工作人员快速熟悉各结晶器铜管的具体维修管理方法，使其在日产工作过程中，能够将维修管理措施落实到实处，避免结晶器铜管出现多种故障问题。其次，钢厂结合实践生产情况，对结晶器铜管的维修管理体系进行完善，维修管理需要贯彻到结晶器铜管日常检修工作中，才能够发挥出维修管理的作用和价值，所以钢厂需要根据现有的结晶器铜管运行情况，制定全面的维修管理制度。另外，需要对各结晶器铜管容易出现的故障问题进行总结，并明确结晶器铜管发生故障时的状态，使得结晶器铜管发生故障时管理人员能够第一时间判断出来，这是推动结晶器铜管维修管理工作落实的有效方式。