SCR銅桿連鑄連軋生產線渣箱事故分析及設計改進

張偉旗

（江西銅業集團銅材有限公司，江西　貴溪　335424）

SCR銅桿連鑄連軋生產線渣箱事故分析及設計改進

張偉旗

（江西銅業集團銅材有限公司，江西貴溪335424）

針對SCR銅桿連鑄連軋生產線關鍵設備渣箱設計原理和典型事故，詳細分析了銅渣形成機理、影響因素及危害，改進了渣箱結構設計及應急預案，成功地解決了制約生產的技術“瓶頸”及同類型生產線澆注的“核心”問題。

渣箱；設計改進；除渣；高端銅細線;成本能耗水平

SCR銅桿連鑄連軋生產線熔煉系統中，熔化銅液需經幾次順利疏導，方能保質保量地將連續熔化的銅液輸送至下溜槽、中間包進行澆鑄。目前國內外SCR生產線銅渣排放方式皆以渣箱為主，其正常運行、維修和調整，對連鑄工序的安全高效、減少停機時間、保證澆注過程穩定可靠、改進銅液質量及提高成品銅桿品質極為關鍵。渣箱事故時，易使爐膛內料層厚度增加，需被迫調整多元燃料配比、豎爐風機風量及減負荷運行，操作難度增大，安全隱患大，嚴重時甚至導致整條機組停機，經濟損失巨大。

江銅分別于2003年和2006年引進了SCR3000/4500兩條連鑄連軋生產線，因進口渣箱存在設計缺陷，造渣較多，易造成長流嘴堵塞、漏銅及高溫腐蝕；內襯燒損、低溫積渣或凍流；擋渣磚破損、腐蝕或流口堵塞；換系統時不再傾倒銅液；銅液突然井噴等，導致產品批量性空心、夾渣斷線、麻點、毛刺及夾冷銅等，生產效率及產能低，質量投訴多，成本能耗高，設備綜合效能和規模效益得不到充分體現和發揮，成為生產技術的“瓶頸”。

一、渣箱結構設計原理

SCR銅桿連鑄連軋生產線渣箱是銅液導流、除渣、調節溫度和氧含量的關鍵工序設備。熔融的銅液在重力作用下從豎爐出銅口流出，流經上溜槽后排入渣箱除渣，再通過保持爐、下溜槽、連注中間包，進入五輪澆注機澆注。渣箱內設擋渣磚，可擋住銅液表面的浮渣，銅渣堆積至一定的量后，需人工清除。渣箱結構設計圖，如圖1所示。它主要由本體、渣箱蓋、流嘴、擋渣磚、支架及氣動系統等部分組成，設計呈可旋轉式且設有一個開口，以便及時坯去或撇掉銅渣；熔化停爐時，可完全倒盡渣箱內的銅液。

圖1　渣箱結構設計圖

二、銅渣形成機理、影響因素及危害

從銅渣形成機理可知，影響因素很多且極為復雜，隨著造渣過程而形成，或混于銅液中，或沉積于上溜槽、保持爐及渣箱表面，對銅液質量及設備負面影響大。銅渣的主要來源有：①陰極銅板所含雜質被氧化成渣，漂浮于銅液表面；②豎爐內溫度高，銅物料對爐體的沖擊和銅液沖刷，導致爐料破損、脫落成渣；③豎爐大修后爐渣多，有的呈粉末狀，有的呈粘糊狀；④上溜槽和渣箱耐火材料燒損和脫落，混入銅液中；⑤混入銅液中的異物等。因無法徹底撈凈銅渣，故銅渣在渣箱擋渣磚下方、進出流嘴處仍有部分堆積。

銅渣的主要危害是：①銅渣含量過高，易附著在銅桿上，形成內外夾雜、氣縮等缺陷，夾雜嚴重時會引起線材拉絲過程中產生斷線，有的甚至用肉眼即能看見斷頭，嚴重影響銅桿品質；②銅渣隨銅液流入連注中間包，會破壞液面的穩定性，降低銅液質量，也會堵塞SPOUT，影響澆注量，降低鑄輪壽命；③銅渣沉積于渣箱流嘴，會降低溜槽流量，沉積于燒嘴，易堵塞燒嘴；④銅渣是連鑄過程中的固體廢棄物，一些有用組分分散其中，既占用場地、污染環境，又使資源浪費大，生產成本增加，銅渣處置已成為企業可持續發展亟待解決的問題之一。

銅液溫度控制恰當時，銅渣會始終懸浮于銅液的表面，一旦銅液溫度過高時，銅液與銅渣并存且混雜在一起，因而有效地控制銅液的溫度、及時去渣，是防止銅桿夾雜最有效的手段之一。以SCR4500生產線為例，據統計分析，2014年1～5月份期間，影響成品銅桿品質降級因素中，結冷銅現象約占4%，主要表現為夾雜、反斷不良等現象，夾雜主要是指銅桿內夾有銅渣或其它金屬及非金屬異物等。而在電線電纜加工過程中，夾雜斷線等是嚴重影響生產、降低微細線成品率的主要問題之一。

通常低氧銅桿質量缺陷可分為表面缺陷和內在缺陷二大類。其中表面缺陷包括表面有發黑、氧化層偏厚、大塊氧化皮、耳子及折疊等現象，嚴重影響裸銅絲外觀質量，難以消除黑斑，易產生表面裂紋，拉絲斷線率高；內在缺陷主要包括銅桿夾雜；陰極銅純度不高，影響線材電導率；含氧量過高、過低且不均勻；夾送棍、軋輥表面開裂，導致Fe粒子被壓入軋件中等。

三、渣箱事故分析及控制技術研究

1.長流嘴堵塞、漏銅或高溫腐蝕

（1）長流嘴堵塞、漏銅。渣箱長流嘴積冷銅堵塞時，若無法及時疏通，銅液易滿出外溢，需停爐作燒氧槍處理，直至流嘴處疏通無冷銅為止。渣箱液位高或超過擋渣磚位置時，必須立即疏通。2014年9月16日，SCR4500正常換系統，因渣箱流嘴四周大量積冷銅，要求停機時保持爐噸位不得低于10t，8:00正常剪切更換系統，10:00過線生產，生產至16:20時，渣箱流嘴靠南側突然大面積漏銅，使用壓縮風冷卻效果不佳，仍無法堵住漏銅。

為了解流嘴破損狀況，澆空保持爐且對渣箱流嘴南邊作燒氧槍處理，發現靠南邊的渣箱流嘴已扭轉破裂，無法將渣箱內銅液安全輸送至保持爐內，被迫提前檢修。其影響主因是渣箱與保持爐距離短，導致流嘴與保持爐之間易結冷銅；未及時巡檢到位，渣箱流嘴內堆積渣子影響銅液流動。為杜絕類似事故，設計修改了原圖紙，將上溜槽嘴割短15cm，且將上溜槽列入技改項目。

（2）長流嘴高溫腐蝕。建廠初期，原設計SCR4500生產線從保持爐噴出的火焰猛烈且集中，導致渣箱長流嘴溫度過高，使用僅1個月即完全腐蝕，而SCR3000渣箱長流嘴壽命則超過半年，導致無長流嘴或回收二手長流嘴可用，不得不直接從江銅廣州臺一公司緊急調運。長流嘴受到高溫腐蝕后變軟、彎曲及變短時，易導致保持爐處銅液四溢，完全隱患極大。

2.內襯燒損、低溫積渣或凍流

（1）內襯燒損漏銅。渣箱經多次使用后，內襯耐火材料易燒損或冷銅熔化，漏銅時需及時采用風管冷卻，用耐火料堵住漏點。漏點過大難在線操作時，需停爐傾倒銅液，清理冷銅，封堵漏點。其影響主因是渣箱耐火材料質量較差，侵蝕過快；渣箱涂抹料烘烤后，產生嚴重裂紋；銅液銜接緊張，多次低液面連注對內襯耐火材料侵蝕嚴重；下渣量大，渣線部位侵蝕嚴重；渣箱使用爐數超過規定爐數等。針對漏銅等事故，需采取有效、穩妥的應急措施，特制定了《渣箱區事故應急預案》。

（2）低溫積渣。渣箱低溫積銅。渣箱內銅液溫度不夠時，極易積渣，應采取必要措施增大渣箱熱量，減少渣量。該事故主因是渣箱內溫度低，上溜槽吹出的火焰使渣箱燒嘴火焰吹不到液面，將雜質和冷銅直接吹在擋渣磚和渣箱嘴前端，易積冷銅和銅渣。

渣箱處平臺鋼板有變形時，會造成渣箱出口處低于入口處，不利于銅液的順流；渣箱氣動千斤頂故障時，無法手動傾轉，溢流的銅液未及時完全地傾倒入渣模內，冷銅包裹渣箱基座。渣箱積渣嚴重，操作人員雖處理了渣箱液位上升問題，但事故隱患卻未根除，且未特別關注及增加檢查頻次；燒氧槍作業處理時未考慮渣箱不能傾倒因素，仍按常規作業導致渣箱底被燒穿。渣箱必須按《爐鑄區崗位撈渣管理制度》要求及時撈渣，渣量多時增加撈渣頻次。

（3）低溫凍流。銅液溫度低于目標溫度時，凍流危險性增大。爐區操作人員應按照工藝上限控制銅液的溫度，以保證連續澆注，適當提高拉速；適當增加測溫次數，向渣箱內增大覆蓋劑添加量；根據實測銅液的溫度，調整拉坯速度；銅液低于目標溫度時，拒絕澆注。

3.擋渣磚破損、腐蝕或流口堵塞

（1）擋渣磚破損。渣箱中若無擋渣磚或擋渣磚部分損壞，從豎爐流出銅液中的浮渣得不到及時清理，易在保持爐內大量堆積，使下道工序除渣困難，易夾雜、斷線，且使銅液與保持爐火焰隔離，保持爐失去對銅液必要的調溫功能。應嚴格巡檢渣箱的擋渣狀況，保持火力適中即30～50cm水柱，若過大時，擋渣磚壽命縮短；若過低時，易積渣；若擋渣磚底積渣較快，說明渣箱銅液溫度偏低，可適當加大渣箱火力、豎爐紅色復合管A排及上溜槽火力來提高渣箱銅液溫度，點檢上溜槽密封狀況，確保無外泄火焰；擋渣磚有部分破損等異常狀況時，宜設置臨時擋渣磚，且通過加大巡檢力度、增加撈渣頻次來應對。

（2）擋渣磚腐蝕。哈銅腐蝕性強，造成渣箱腐蝕嚴重，擋渣磚不到半個月即被腐蝕成兩半，連外方專家都詫異從未遇過該狀況，SCR3000/4500原渣箱壽命分別為6個月、2～3個月。其針對性措施主要有：①調整上溜槽嘴或渣箱底座高度，減少上溜槽銅液的沖刷；②將CO值由0.5調整至1.0，增加還原性氣氛；③設計分別將渣箱內溜槽和擋渣磚底部導流孔加寬加深，減緩流速；④將2個燒嘴優化設計為1個，適當調整燒嘴位置，使火焰無法正對擋渣磚，燒蝕較少；⑤加強撈渣密度，每月定期更換擋渣磚，充分發揮其擋渣功能，可確保渣箱壽命延長半年以上。

（3）擋渣磚流口堵塞。若擋渣磚流口堵塞，導致液位過滿外溢時，應立即疏通擋渣磚流口；若效果不明顯，必須停爐且傾倒完渣箱內銅液，再作燒氧槍疏通處理，確保所燒點可視，防止因燒氧槍作業不當導致渣箱燒穿而漏銅。

4.換系統時渣箱不再傾倒銅液

試產期間，SCR4500生產線更換系統頻繁，每次渣箱皆需傾倒干凈，銅損大，每次傾倒時渣箱溢流口易長“冷銅胡須”，或粘接于鐵模上，或大量銅液流出鐵模外，濺得到處皆是冷銅，甚至在傾轉過程中會擠斷上溜槽碳化硅流嘴，故障處理難。

SCR3000生產線熔銅能力小、流量小，故停爐時需傾倒干凈，否則渣箱中未傾倒干凈的銅液易吸收大量的氧，重新開爐生產后，會導致整個保持爐內銅液含氧較高，不得不長時間在澆鑄剪切狀態下除氧，致使成本增加；SCR4500生產線熔銅能力大、流量大，渣箱內銅液含氧很快被稀松。經長期摸索，宜適當調整渣箱CO值及火力，徹底改變傾倒方式，僅在檢修前傾轉1次即可。

5.渣箱銅液突然井噴

銅液脫氧不良或含氫超量時，銅液內的氣體瞬間排出，易導致銅液井噴事故。應立即疏散現場作業人員；作業值班長需組織崗位人員盡快恢復生產，將損失降至最低程度；避免銅液過氧化，提高熔煉操作技術，必要時酌情脫氧；新渣箱烘干、烤透；渣箱安裝到位后，及時蓋上渣箱蓋；一旦有井噴預兆時，應嚴格執行安全操作規程，快速關閉燒嘴，遠離渣箱，避免受傷。

6.渣箱結構設計改進

（1）渣箱結構優化設計。在不改變渣箱原設計尺寸前提下，解決渣箱積渣、漏銅的關鍵在于保持爐與渣箱的間隙問題，原設計間隙小，易堆積冷銅，處理難；保持爐火力因間隙小，火力更集中，導致溜嘴燒損更大。為給渣箱與保持爐留足位置，宜改進渣箱兩頭間隙及蓋板尺寸，設計將上溜槽截短15cm。

設計增加渣箱兩頭尺寸，將渣箱調高5～10cm，與上溜槽、保持爐距離分別擴大4cm、6cm，上溜槽嘴不易積冷銅，有利于觀察和清理堆積銅渣。改進后，長流嘴壽命超過半年，年可節省長流嘴近10個；渣箱二手長流嘴還可利用于下溜槽嘴，年可節約3萬多元。原傾倒渣模銅液含渣量大不能回爐，只得作廢銅處理；停止傾倒后，年可為公司挽回百余噸廢銅差價等損失。

該公司通過研發溜槽系統銅水溢流防護裝置，對機架、地面分別采用石棉氈、細沙進行防護；月修時，更換渣箱處變形平臺鋼板，制作一套渣箱底座支架作為備用件；恢復渣箱氣動千斤頂和限位開關；充分利用科研手段，取樣化驗分析粉末狀、粘糊狀銅渣及研究其形成機理，便于采取應對措施；設計改進渣模內膽的尺寸，擴大擋渣磚后的流道，便于銅液和銅渣的順流。

（2）渣箱支架、渣箱蓋等設計改進。渣箱工況惡劣，高溫輻射強，渣箱支架造價高、吸熱強，易被空氣腐蝕，尤以與地面接觸處更易腐蝕。宜設計特制渣箱支架，以防輻射罩為主，由復雜結構改為簡單結構，采用特定的模具來澆筑渣箱及渣箱蓋，以保證滿足渣箱正常生產的要求。設計改進渣箱蓋尺寸，可使上溜槽氣流吹入渣箱，防止渣箱入口處積渣、蓋板燒損。

（3）爐區系統溢流應急處理預案設計。爐區系統溢流事故主因是管理漏洞多，如修爐后各區域溜槽、渣箱間距調整不到位；備件考慮不周、供應不足及未及時修復故障設備；渣箱不能正常傾倒時，燒氧槍作業未作特殊處理；無應急處理預案，應急培訓不到位、未及時跟進；設備異常時，未加密巡檢等。對此，應遵循“預防為主，積極處置”的原則，進一步建立和完善渣箱事故管控機制，特設計系統溢流應急處理預案，從而提高突發事件應急保障能力。

[1]居敏剛.郭均華.SCR連鑄連軋銅桿生產線溫度的控制[J].銅加工.2003（3）：30-33.

[2]廖曾麗.唐譜，張波等.銅渣在中低溫下氧化改性的實驗研究[J].中國有色冶金.2012，41(2)：74-78.

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1671-0711（2015）12-0066-03

（2015-10-16）