方坯結晶器銅管異常結垢分析與處理

李和平,楊燦軍

(湖南華菱漣源鋼鐵有限公司生產管理部,湖南婁底 417009）

1 概述

結晶器傳熱狀態的好壞直接影響鑄坯生產和質量。據資料介紹利用保護渣澆注的結晶器上部區域內和冷卻水接觸的銅壁溫度一般65～95℃，鋼液面附近水側壁溫高達100～150℃，冷卻水運行要防止產生膜沸騰。結晶器結垢和微生物的繁殖是需重點解決的問題。設置合理的供水系統，提供合格的供水水質和合理的水質穩定處理，防止在結晶器銅管結垢是保證結晶器良好導熱性和水冷效果的重要措施，也是保證結晶器安全、穩定、正常運行的關鍵。

某鋼廠兩臺150×150方坯機 (生產螺紋鋼)，1#機銅管長1000 mm，2#機銅管長900 mm，銅管壽命設計450爐，結晶器冷卻水系統為間冷開式循環冷卻系統，補水為工業水環管網+軟化水，冷卻水泵二開二備，每臺泵銘牌流量790 m3/h，揚程90 m，水系統設置工業水補水過濾器，1#機進水母管設置了管道增壓泵(流量1000 m3/h，揚程41.6 m)。2018年2～3月高效化改造，其中結晶器沒有進行改造，僅銅管長統一為1000 mm，計劃最大拉速提高到4 m/min。1#機3月5日投產后，生產正常，4月12日2#機改造完成開始實現雙機生產，投產后4月15日開始發現爛頭鋼、漏鋼，4月19日發現下線結晶器銅管在渣線液面處基本上都有鼓包，結垢嚴重，尤其是新采購的結晶器銅管運行一天就發現漏鋼、嚴重結垢(1-16#為舊結晶器,17#～30#為新結晶器)。公司相關部門立即對結晶器水質控制、冷卻水溫升等進行檢查，查找導致漏鋼、爛頭鋼、銅管結垢的形成因素。本文討論解決結晶器工藝的冷卻水問題，經過采取綜合措施，解決了結晶器銅管結垢問題，銅管過鋼爐數滿足生產要求。

2 結晶器冷卻水系統概況

2.1 結晶器運行各工藝參數見表1

表1 結晶器運行各工藝參數(水量、水溫、拉速)

單機總管流量830 m3/h,雙機總管流量1500～1530 m3/h。

2.2 結晶器冷卻水補水水質見表2

2.3 結晶器運行水質見表3

表2 結晶器冷卻水補水水質

表3 結晶器運行水質

2.4 結晶器銅管附著物分析見表4

表4 方坯結晶器冷卻水系統銅管附著物分析 %

3 結晶器銅管異常結垢分析

3.1 結晶器冷卻水流量、流速不滿足要求

2018年2～3月高效化改造時結晶器沒有進行改造，僅銅管長統一為1000 mm，改造完成后，生產時新制造的結晶器與舊結晶器同時上線。

4月12日前基本上是單機(1#機)生產，結晶器冷卻水總管流量約830 m3/h(每臺現場計量顯示145 m3/h以上)，結晶器基本無漏鋼，下線的結晶器銅管檢查基本干凈無垢。

4月12日，2#機改造調試完成開始實現雙機生產，4月15日開始發現爛頭鋼，漏鋼，4月19日檢查下線的1#機3臺結晶器銅管(20#206爐、9#474爐、25#459爐)在渣線液面處基本上都有鼓包，結垢嚴重。以結晶器在線運行時點(非具體時間日期)為橫座標與對應班組記錄運行水量為縱座標列出運行曲線，以下表同。3臺結晶器銅管在線時點與運行水量見圖1，3臺結晶器銅管表面結垢見圖2(依次為20#、9#、25#)。

圖1 結晶器銅管在線時點與運行水量

圖 2 20#、9#、25#結晶器銅管表面結垢

4月20日開始，提高冷卻水水質，補水方面改變工業水補水為新水,增大軟化水加入量，總硬度指標控制在2.5 mmol/L以下，維持藥劑濃度穩定，跟蹤水質與銅管結垢關系。

提高水質質量后，發現水質變化在結晶器銅管的結垢改善方面沒有對應關系，期間，因下線檢查結晶器多，舊結晶器數量少，上線的新結晶器多，發現新結晶器運行一天就漏鋼、銅管鼓包，舊結晶器相對來說情況明顯好于新結晶器。新舊結晶器在線時點與運行水量見圖3。

圖3 新舊結晶器在線時點與運行水量

針對19日下線結晶器銅管結垢、鼓包問題，當時生產單位、新結晶器制造廠均認為水質存在嚴重問題。銅管鼓包原因是高溫,但有兩種可能，其一是銅管表面異常高溫導致表面沸騰結垢，然后結垢導致更高溫度，其二水質差結垢導致傳熱不良溫度高。結合水質方面，分析認為主要原因為銅管表面異常高溫導致結垢，結晶器冷卻系統參數可能存在問題。

4月23日生產廠檢查結晶器影響傳熱的相關因素，測量新制造結晶器銅管水縫尺寸，發現水縫寬度較設計要求大約寬1 mm。按總水量雙機時平均用水測算,新結晶器水縫平均流速約10.76 m/s,舊結晶器水縫平均流速約13.91 m/s，實際運行中因水量調整差異某些新結晶器水縫流速可能低于10 m/s。

從圖1、圖2可看出，4月19日檢查下線的1#機3臺結晶器銅管表面結垢，新結晶器(20#、25#)銅管比舊結晶器(9#)結垢嚴重，舊結晶器(9#)為3月29日（436爐）下線后于4月18日又重新上線的。4月12日雙機后 (圖1對應橫座標44)，查運行記錄發現，20#、25#結晶器在14日開始每天均發生裂漏，檢查雙機后各臺結晶器分配水量，20#、25#結晶器冷卻水量一般小于140 m3/h(見圖1)，其中25#結晶器在單機運行時段 (3月30日至4月12日，對應橫座標23～43，生產了308爐，未出現漏鋼)出現過3個班次(共生產了35爐)流量小于140 m3/h情況，是2#機改造后進行了幾次調試，但此低水量情況對銅管同樣產生了結垢影響。

從圖3可看出，其中4月19～21日上線的3臺新結晶器 (25#、26#、27#)運行40多爐銅管就嚴重結垢、鼓包，查冷卻水量都小于140 m3/h，而前期一直在線(3月20日～4月23日)的7#舊結晶器458爐銅管表面干凈、正常，查冷卻水量一般140 m3/h以上。

分析認為該鋼廠螺紋鋼生產在目前拉速條件下，水流速應該滿足14m/s要求，結晶器冷卻水現場顯示流量在小于140 m3/h時，冷卻水水量明顯不足，流速不滿足要求。

3.2 結晶器冷卻水分配依靠人工手動調節，水量精確調節難度大

每臺方坯連鑄機六流，二臺機十二流，雙機生產時，靠人工調整水量，各流水量難免有差異。在流量較低的結晶器可能水量不足，并且在拉某些鋼種時水量可能更不能滿足要求，從而快速結垢造成提前下線，影響整體生產節奏。每臺機內部各結晶器在線時點與運行水量分布差異見圖4(5#結晶器在上線后期多次出現裂漏,16#結晶器無異常)。從檢查情況可看出，單臺結晶器冷卻水流量大的銅管運行狀態明顯優于流量小的結晶器

圖4 結晶器在線時點與運行水量分布差異

同時，從結垢的結晶器銅管下線檢查發現，銅管4個面的結垢狀態明顯不同，外弧結垢最重，在外弧結垢量少時內弧基本上沒有結垢，說明銅管4個面的水量分布差異，銅管4個面的水量分布中外弧水量最小。

3.3 結晶器冷卻水水縫堵塞影響

配合連鑄高效化改造，結晶器冷卻水管閥進行了相應檢修，改造完成后投產過程中經常出現閥門墊子絲壞而堵塞水縫，同時結晶器冷卻水系統為間冷開式循環冷卻系統，存在枯樹枝、塑料袋等外部雜物進入現象，堵塞時，外弧嚴重結垢而鼓包，內弧基本上無結垢。如15#結晶器堵塞時情況，堵塞時外弧、內弧實物質量見圖5，結晶器在線時點與運行水量見圖6。

圖5 堵塞時外弧、內弧實物質量

3.4 結晶器冷卻水水質影響

結晶器冷卻水水質運行基本穩定，但總硬度偏高，在高效化改造后拉速等變化情況下容易結垢，藥劑濃度在控制過程中有時出現波動較大情況，同時藥劑單體(主要成份:PBTC+HPMA+AMPS+其它)質量問題也可能存在。

圖6 結晶器在線時點與運行水量

4 改進措施與效果

4.1 增大結晶器冷卻水總流量，調整全開結晶器冷卻水閥門，2018年5月1日開始冷卻水總管流量增加約100 m3/h。調整每臺結晶器冷卻水流量，雙機生產時單臺現場流量表計140 m3/h以上，實施后5月7日開始生產恢復正常。

4.2 對不符合水縫要求的新結晶器全部退出運行，重新制作滿足要求的結晶器。

4.3 安排對冷卻水系統冷卻塔進風口、水池等部位安裝攔雜網，減少外部雜物進入水系統，同時，要求用戶端結晶器冷卻水總管上安裝管道過濾器，避免因雜物堵塞造成局部水量不足，銅管各受熱面冷卻不均勻使鋼坯產生裂紋、漏鋼。

4.4 調整阻垢緩蝕劑計量泵和補水變化的穩定運行，保持藥劑濃度的穩定，同時，根據方坯結晶器冷卻水系統銅管附著物成份結果分析，對阻垢緩蝕劑單體質量保證符合要求，同時對組成進行優化，運行控制總磷(以PO43-計)1～3 mg/L，加強對水系統的殺菌處理。

4.5 工業補水選擇新水，減少系統漏水、排水損失，增加冷卻水系統補水中軟化水的用量，維持系統總硬度(以 CaCO3計)＜250 mg/L，實施加酸措施，維持系統pH值8.5左右。碳鋼掛片腐蝕率0.0017 mm/a,銅掛片腐蝕率0.0006 mm/a。

4.6 督促前期正在實施的旁濾過濾器完工，保證系統濁度＜5 NTU。

5 結束語

2018年4月方坯高效化改造后結晶器銅管異常結垢，主要因素是新生產條件下冷卻水量、流速不夠造成，尤其是新制造的結晶器水縫寬不合要求，并與其它因素相互促進影響程度。在采取以上綜合措施后，結晶器銅管冷卻正常，解決了銅管結垢問題，滿足了生產的需要。

用戶端結晶器冷卻水總管上安裝管道過濾器還未實施，在項目實施前堵塞風險存在。