提高結晶器銅管使用壽命的措施

陳慶華

結晶器使用壽命是指結晶器內腔保持原有設計尺寸、形狀以及性能的時間長短和過鋼量數量等參數，通過提升結晶器使用壽命，能夠提升連鑄機連拉爐數量，從而促進鋼鐵冶煉生產作業效率提高，有利于涂料包、快換水口等多種新技術和新工藝的使用。在結晶器運行過程中，銅管使用壽命會受到多種因素的影響，如果出現使用壽命降低的問題，會導致鋼鐵冶煉連續性受到直接影響，所以必須應用使用壽命的相關措施，為此本文結合H市某鋼廠的實踐案例提出相應的應對措施。

1 結晶器簡要介紹

結晶器是承接從中間關注入的鋼水、使其按照設定斷面形狀凝固成為堅固胚殼的連續鑄鋼設備。其中連鑄機是最為關鍵的構件，連鑄機鋼管的結構、材質以及性能參數等會對鑄胚質量以及連鑄機的生產能力產生直接影響。結晶器為一種槽型容器，器壁內部具有夾套或蛇管，用于加熱或冷卻槽內溶液；結晶槽需要作用在蒸發結晶器或冷卻結晶器，為了提高生產效率，能夠在槽內增加攪拌器；結晶器可以用于連續操作或間接操作，間接操作得到的晶體體積較大，但是晶體容易連成晶簇，從而導致其夾帶母液，影響產品純度，所以一般用于連續作業中。結晶器的結構較為簡單，生產強度較低，適合使用在小批量的產品生產中。當前常用的結晶器主要包括套管式和組合式，常見的循環類型包括強制循環型、DTB 型以及奧斯陸型等。

為了確保結晶器具有良好的導熱性、足夠的抗磨損性、機械強度以及硬度等，以此延長使用壽命，當前結晶器內壁材質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晶器運行溫度，從而使其在高溫下的硬度和強度得以改善，延長內壁使用壽命；部分結晶器為了提高內壁耐磨性和光滑程度，以此減少拉胚阻力，還會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市某鋼廠生產情況分析

H 市某鋼廠連鑄機為德馬克型小方胚連鑄機，斷面為12cm*12cm，定徑水口敞開澆筑，二冷自動配水，主要為火焰切割方式。2020年在生產作業過程中，結晶器使用壽命較低，全面結晶器共計使用215 次，拉鋼量為480861t，平均過鋼量為2248t/個，在生產過程中出現因為銅管質量較低以及外部劃傷等因素引起的問題，從而導致生產被迫停機，使得連鑄機作業效率受到很大影響，并且使鋼鐵冶煉連拉水平下降，涂料包難以達到正常使用壽命，致使該鋼廠生產成本不斷上升。2021年通過對結晶器的管理，使得工藝更加穩定，對銅管參數進行全面改善，結晶器平均過鋼量達到了2833t/個，最高過鋼量達到了4200t/個，設備改進取得了良好的效果。

3 影響結晶器使用壽命的因素分析

3.1 結晶器自身質量因素

3.1.1 銅管設計參數影響因素分析

結晶器銅管的設計參數主要包括材質、鍍層、內腔曲線以及圓角半徑等，其參數能夠對結晶器銅管的使用壽命產生直接影響。H 市該鋼廠結晶器采用的原銅管材質為脫氧磷銅，含磷量為0.03%，再結晶溫度為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，出結晶器下口胚殼較??；銅管的自身參數導致結晶器在使用過程中容易出現質量缺陷和損害損壞問題。鋼廠結晶器2月停止的部分原因：①過鋼量1529t/支，遺漏率為0.04%，運行停止原因為劃傷。②過鋼量1835t/支，遺漏率為1.31%，運行停止原因為角裂。③過鋼量2879t/支，遺漏率為0.42%，運行停止原因為規劃。④過鋼量1517t/支，遺漏率為2.75%，運行停止原因為角裂。⑤過鋼量1835t/支，遺漏率為1.63%，運行停止原因為角裂。通過結合相關數據可以看出，該鋼廠的結晶器平均溢漏率達到了1.29%，存在著較為嚴重的漏鋼問題，將因為角裂漏鋼因素導致運行停止結晶器排除，壽命能夠提升到2631t/個。

3.1.2 結晶器維修影響因素

結晶器維修工作質量能夠直接影響結晶器運行壽命，其中維修工作的關鍵在于對水縫的優化。該鋼廠結晶器水套采用不銹鋼材質的爆破成型水套，與銅管之間的距離為3.5mm，銅管和水套利用碳鋼螺絲進行定位，在長時間的使用下容易發生銹蝕問題，難以將水縫調整為均勻狀態，導致銅管的傳熱不夠均勻，且初生胚殼生長不夠均勻，最終引起結晶器口出現漏鋼的問題，可以看出結晶器維修工作會對結晶器使用壽命產生直接影響。

3.2 工藝條件和作業方式的影響分析

3.2.1 結晶器潤滑影響因素

為了避免鑄胚胚殼和結晶器內壁出現粘連問題，減少拉胚阻力并降低結晶器內部磨損程度，提升鑄胚表面質量，必須做好結晶器的潤滑工作。該鋼廠結晶器和胚殼之間主要采用稀油進行潤滑，潤滑油為結晶器的專用油，澆鑄工藝習慣采用手動方式加入，潤滑油使用量較少，且應用不夠均勻；因為管理制度不夠完善，加油作業整體不夠規范，導致銅管磨損較為嚴重。

3.2.2 拉鋼次數影響因素

拉鋼次數的多少能夠直接影響結晶器運行情況，其能夠使得銅管產生熱膨脹，銅管就會出現應力，引起屈服和永久變形問題發生，特別是在銅管的彎月面區域，由于該部位溫度梯度較低，且由于該區域溫度最高，會導致屈服應力局部降低，2020年該連鑄機運行停止次數為415 次，導致銅管的老化變形程度加劇。

3.2.3 機械損傷影響因素

該鋼廠連鑄機2020年采用柔性引錠桿構件，上引錠難度較高，引錠頭使得銅管內部出現損傷問題，導致結晶器銅管使用壽命降低。

3.3 鍍層影響因素

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

根據相關數據且結合材料的其他特性來看，鍍層對于結晶器銅管銅管的使用壽命影響，主要集中在提高結晶器銅管硬度、摩擦系數以及耐磨性等幾個方面，如果結晶器銅管鍍層硬度較低、耐磨性較差、摩擦系數較高，那么鍍層使用壽命則會縮短，無法有效保護結晶器銅管，從而導致結晶器銅管使用壽命降低。

3.4 水質影響因素

水質是影響結晶器壁溫和變形度重要因素，在該鋼廠2020年生產過程中，因為采用的冷卻水水質較差，對于水質的管理工作重視程度不足，導致水垢大量沉積在結晶器銅管冷面中，使得熱阻出現很大提高，結晶器壁溫升高幅度較大，銅管出現嚴重的變形問題，尤其是在銅管彎月面區域的變形程度最大。根據對該結晶器的銅管變形監測情況來看，水垢使得結晶器彎月面下的變形從0.2mm 提高到了0.35mm，最大塑性應變從0.5*10-3提高到了2.0*10-3提高到了三倍，導致結晶器的永久變形增加。

3.5 管理因素

在該鋼廠2020年生產過程中，因為結晶器銅管設備缺乏檢測與維修，沒有建立結晶器使用臺賬，對結晶器的在線使用管理較為松懈，在缺乏管理的情況下，使得結晶器出現較為嚴重的故障。

4 提高結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 市該鋼廠的結晶器使用壽命較低，導致其生產連續性受到很大影響，且無法保障產品質量，為了解決該問題，在2021年對結晶器整體進行改造，具體采用了如下幾項措施。

4.1 結晶器設計參數改進

在對結晶器銅管進行改造時，需要考慮到自身材質以及鍍層對其使用壽命的影響，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 鍍層摩擦系數較低，塑性較好，耐磨性與壽命優于Ni—Fe 鍍層。在改進前，結晶器銅管參數為脫氧磷銅，鍍層為單一鉻鍍層，圓角半徑為R8mm，內腔曲線為單一錐度；在對結晶器銅管進行改進后，結晶器銅管參數為DHP122 材質，鍍層為復合鎳鉻鍍層，圓角半徑為R6mm，內腔曲線為拋物線形錐度。

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

4.2 加強維修管理工作

首先，在結晶器的維修管理工作中，重點是對水縫進行優化調整，將原有的碳鋼螺栓定位調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。采用預防性維修管理措施，該鋼廠根據結晶器銅管的運行強度、故障問題，制定完善的預防性維修管理規范，確保結晶器銅管維修管理體系能夠對工作人員的操作、行為等產生約束作用，使其能夠在規定范圍內正確對結晶器銅管進行維護和保養，從而避免結晶器銅管出現故障。預防性維修管理標準規范制定，必須結合結晶器銅管的基本情況，明確結晶器銅管的使用注意事項，根據其故障發生歷史情況，加強對結晶器銅管正確預防性維修管理方法的培訓和教育，使工作人員能夠在專業維修管理能力方面得到提升，嚴格遵守結晶器銅管檢修規范，進而保障結晶器銅管質量，避免多項故障問題的發生，將結晶器銅管故障控制在合理的范圍內。結晶器銅管的預防性維修管理工作，必須具有明確的規定要求，才能夠有效提升結晶器銅管使用壽命。

4.3 工藝優化與操作優化措施

為了提高結晶器銅管使用壽命，該鋼廠對生產工藝以及操作進行優化，具體內容包括：①制定了完善的潤滑油使用管理制度，將其納入到經濟責任考核制度中，通過完善的結晶器銅管潤滑管理制度確保能夠實現自動潤滑目標，將潤滑油均勻地涂抹在銅管中；確保結晶器銅管油量在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，以此實現潤滑目標，減少拉胚阻力和結晶器銅管磨損。②提高生產操作穩定性，確保連拉工藝效率。2021年連鑄機以穩定、均衡作為基礎生產目標，確保連鑄機連拉工作效率，以此方式減少結晶器銅管冷熱膨脹次數，從而縮小結晶器銅管變形量；2021年該連鑄機運行停止次數僅為292 次，連拉從上一年的43.29 爐/次，增加到了66.04 爐/次，使得結晶器銅管變形程度減少。③對引錠桿進行改造處理，以此減少對結晶器銅管的損傷，2021年采用設備中修方式對該結晶器原有的柔性引錠桿進行改造，采用20CrMo剛性引錠桿，使得對結晶器銅管的損傷減少，在很大程度上提高了結晶器銅管的使用壽命。

4.4 改善水質

2021年該鋼廠加強了對凈水閉路循環水質的監控與處理力度，分廠定時取樣分析，在硬度大于20mg/L 時，通過軟水站加阻垢劑100kg/次，直到硬度低于20mg/L；同時將水質的渾濁度控制在小于50mg/L 內，通過對水質的改善，使得結晶器銅管外壁和水套結構問題發生率較低，從而有效提升了結晶器銅管的使用壽命。

4.5 完善結晶器銅管管理制度

首先，該鋼廠加強了對管理人員的培訓工作，通過對部分鋼廠的結晶器銅管故障、損壞問題發生原因進行分析可以發現，主要是因為工作人員沒有正確的掌握結晶器銅管維修管理方法，導致維修管理工作無法有效落實，能夠起到的作用較為有限。因此，鋼廠需要加強對工作人員的維修管理技術培訓工作，使其掌握各項結晶器銅管的科學維修管理方法，能夠快速、準確地判斷出結晶器銅管是否存在故障問題，以及生產期間如果結晶器銅管發生故障問題，如何能夠將損降到最低，全面提高結晶器銅管維修管理工作規范性。通過科學的專業技術培訓能夠使工作人員快速熟悉各結晶器銅管的具體維修管理方法，使其在日產工作過程中，能夠將維修管理措施落實到實處，避免結晶器銅管出現多種故障問題。其次，鋼廠結合實踐生產情況，對結晶器銅管的維修管理體系進行完善，維修管理需要貫徹到結晶器銅管日常檢修工作中，才能夠發揮出維修管理的作用和價值，所以鋼廠需要根據現有的結晶器銅管運行情況，制定全面的維修管理制度。另外，需要對各結晶器銅管容易出現的故障問題進行總結，并明確結晶器銅管發生故障時的狀態，使得結晶器銅管發生故障時管理人員能夠第一時間判斷出來，這是推動結晶器銅管維修管理工作落實的有效方式。

5 改進效果

通過采用上述改進措施，該鋼廠結晶器使用壽命大幅度提升，2021年在產量提高3.8 萬t 的基礎上，減少銅管使用30 支，結晶器過鋼量平均達到了2831t/個，尤其是在12月份生產中，結晶器平均過鋼量達到了3300t/個，使得生產量以及效率得到了很大提升，全面提高了鋼廠生產經濟效益。

6 結語

綜上所述，本文全面闡述了結晶器與銅管的基本概念，并以H 市某鋼廠的生產實踐為例，對影響使用壽命的因素進行分析，根據影響因素制定了多項提高結晶器銅管使用壽命的措施，希望能夠對鋼廠起到一定的借鑒和幫助作用，并對鋼廠設備維修管理起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高鋼廠生產效率。