方坯鑄機結晶器銅管發黑常見原因分析

王克生，牛立峰，王進仁

（1.江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇淮安 223002；2.納爾科（中國）環保技術服務有限公司，上海 200063）

前言

煉鋼冶煉產出的1 500 ℃左右的高溫鋼水，需要通過連鑄機進行快速冷卻成坯，結晶器是連鑄設備中關鍵的部件，被稱為連鑄機的心臟，而該快速冷卻成坯的關鍵設備就是連鑄機結晶器的銅管，銅管傳熱效果好壞直接影響鑄坯產品質量，銅管在高溫傳熱過程中受到水溫、流速、水質、拉速、銅管本身質量等多種因素的影響，易出現表面發黑、結垢現象，銅管發黑、結垢后必然影響到傳熱效果，并影響到鑄坯產品質量［1］。通過對結晶器銅管發黑、結垢原因進行分析和排除，在實踐中分析查找產生結晶器銅管發黑、結垢的原因，采取措施控制和減緩銅管表面發黑、結垢，以滿足鑄坯冷卻要求。

1 結晶器銅管冷卻水系統簡介

淮鋼公司共有6 臺方坯連鑄機，鑄坯斷面以150×150、200×200為主，6臺連鑄機結晶器都是采用軟化水敞開式循環冷卻，每臺鑄機結晶器冷卻水工藝流程基本相同，即：合格的冷卻水經水泵提供壓力能夠達到1.2～1.3 MPa，根據鑄機流數不同，其水流量也不同，供水溫度小于34 ℃，冷卻水經水泵、過濾器過濾后送入到連鑄機分配器分配到各流的結晶器銅管使用，冷卻水經銅管換熱后，高溫回水利用余壓進入冷卻塔進行冷卻降溫，然后回到水池。水池附近有自動加藥系統和水質檢測取樣裝置，水池配有提升泵進行閉路循環清洗過濾，處理合格的水再次通過水泵供結晶器冷卻循環使用。其中1#方坯鑄機系統循環水量1 300 m3/h，保有水量約800 m3，結晶器銅管水縫寬度4 mm，銅管出水流量127～135 m3/h，冷卻水流速11.6～12.3 m/s，銅管冷卻進水溫度小于34 ℃，出水溫度43 ℃，系統循環水異養菌數控制在小于5×104個/mL，水系統運行過程中嚴格控制其指標在標準范圍內，表1 為6 臺連鑄機結晶器銅管水系統運行控制指標。

表1 軟水系統水質數據運行指標

2 結晶器銅管使用現狀

淮鋼公司連鑄機銅管在正常使用情況下，工藝要求過鋼量控制在5 000～6 000 t，實際銅管過鋼量能夠滿足工藝技術要求，完成過鋼量下線的銅管80%以上表面光潔，效果較好，偶爾也會出現銅管發黑、結垢現象，在觀察下線銅管發黑、結垢位置時發現，銅管發黑、結垢位置和發黑面積并不完全一樣，有時同一臺鑄機僅出現個別流中的單支銅管發黑，且基本是有規律的，銅管下半部有一圈明顯界面往上出現發黑；有時同一鑄機多流銅管相繼發黑，嚴重時甚至出現通體發黑；有時僅是倒三角高溫區局部發黑，具體見圖1 三種具有代表性的發黑銅管圖片。

圖1 下線結晶器銅管

3 結晶器銅管發黑原因分析與排查

3.1 排查水系統運行參數

針對發黑、結垢銅管進行分析排查，依次排查產生銅管發黑、結垢的冷卻水系統運行參數；排查銅管冷卻水壓力和流量是否滿足工藝要求；排查水溫是否低于34 ℃，事故水塔水有沒有進入冷卻水系統；同時排查結晶器冷卻水流速變化情況。

排查結果顯示，水系統運行參數基本正常，有時銅管冷卻水系統出現事故水進入系統并帶有雜質；銅管冷卻水流速11.2 m/s，沒有達到推薦流速（12 m/s）。上述二種異常情況中，事故水進入系統由于雜質較多，會產生銅管發黑、結垢；關于流速偏小問題，雖然大流速有利于形成湍流，降低層流區厚度，加速熱交換，避免銅管表面過熱，對有效控制銅管表面發黑影響重大，但是淮鋼公司連鑄機冷卻水流速一直處于此狀態，并沒有產生銅管膜態沸騰，造成銅套局部過熱，甚至出現銅管發黑現象，但此次排查間斷性的銅管發黑，冷卻水流速問題可能是引起銅管發黑、結垢的原因之一。

3.2 冷卻水指標

根據結晶器冷卻水質指標要求來核對運行過程情況，水中pH、鈣離子、氯離子、電導率、總堿都處于合格狀態，濁度和鐵含量有時處于指標控制的上限，水中磷含量有時波動，在銅管發黑水系統中檢測發現有油存在。對造成銅管發黑嚴重的水系統取樣檢查，發現水中異養菌數量有4.96×104個/mL，雖沒有超出控制范圍，但也處于上限邊緣。

針對上述排查結果，可知：磷、異養菌、油、鐵離子等都有可能是產生銅管發黑、結垢的原因。

3.2.1 磷

結晶器冷卻水系統采用磷酸鹽類藥劑處理方案，由于藥劑加入量會有波動，造成系統水中總磷也出現波動，磷在系統高溫部位容易產生磷酸鈣垢，同時水中的磷作為異養菌的營養物質，能夠促使異養菌快速繁殖，這些都有可能造成銅管發黑、結垢。

3.2.2 異養菌

冷卻水中異養菌易導致在結晶器銅管表面形成粘液層對設備進行覆蓋降低換熱效率，銅管表面高溫區域附著的粘液層在銅管高溫表面結垢發黑；異養菌可產生酸，降低pH 同時產生腐蝕，同時異養菌還易將冷卻水系統中的有機物轉成酸，進一步降低pH 值產生腐蝕，系統碳鋼受到腐蝕后，水中產生較多的鐵離子，這些鐵離子結合成氧化鐵經過銅管表面后，易形成沉積物附著在銅管表面產生黑色垢，垢最先易在銅管的倒三角最高溫部位產生。

6月份，在分析圖1（b）銅管發黑原因時，有選擇性地對3臺鑄機結晶器冷卻水系統中作異養菌含量分析，發現產生銅管發黑的1#鑄機（圖2）異養菌數為49 600 個/mL，而檢查銅管沒有發黑的3#鑄機、電爐0 號鑄機，其異氧菌數分別為12 100 個/mL，和6 300 個/mL，異養菌含量偏差很大。從分析數據判斷，產生圖1（b）銅管發黑的主要原因是異養菌造成的，隨后采取對水中的異養菌進行滅殺處理方案，并采取旁流過濾異養菌粘泥，降低濁度等措施，異養菌被滅殺后，銅管發黑情況得到消除。

圖2～4為當時分析異養菌數的圖片。

圖2 1#軟水異養菌數 圖3 3#軟水異養菌數 圖4 電爐軟水異養菌數

3.2.3 油的控制情況

結晶器銅管冷卻水正常情況下是沒有油的，當循環水冷卻塔減速機出現故障，其潤滑油泄漏后就進入冷卻水中，系統水中進入少量油后被迅速乳化，乳化的油隨冷卻水經過結晶器銅管表面，油在高溫銅管表面被碳化，形成黑色垢附著在銅管表面，根據水中油含量的不同，其附著的量和位置也不同，黑垢最先在銅管的倒三角高溫部位產生。

11 月1#鑄機再次出現類似圖1（b）銅管發黑現象，當時進行了快速排查異養菌數，發現異養菌數幾乎為零，沒有出現上述的異養菌問題，隨后抽取水樣進行油分析，針對性取了3 臺鑄機結晶器冷卻水進行油含量的檢測，見表2。發現產生銅管發黑的1#鑄機油含量0.195 mg/L，2#、3#鑄機油含量全部為零，排查發現1#鑄機循環冷卻塔減速機油泄漏，隨后立即采取措施去除水中的油，不久下線的銅管發黑情況得到消除。

表2 結晶器冷卻水油含量檢測

3.2.4 鐵

循環冷卻水中氧化鐵含量增多，這些氧化鐵也會隨著循環水經過結晶器銅管時，受到高溫銅管的吸附作用，形成沉積物附著在銅管表面產生黑色垢，從對銅管結垢物分析結果可以得到驗證。

3.2.5 濁度和懸浮物

水的沉積大都來自于懸浮物，雖然濁度和懸浮物是兩個不同的概念，但它們之間還是有關聯的，當循環水中的濁度較高時，懸浮物也會隨之升高，雖然水系統運行過程中濁度沒有超標，但當事故水進入冷卻水系統后，會造成懸浮物含量升高，懸浮物超標，也就意味著水中粘泥、生物污垢、藻類等含量發生變化，當然懸浮物中也會貢獻一些礦物質（CaCO3），懸浮物在經過結晶器銅管表面粘結聚積，經過高溫銅管燒結形成黑色垢附著在銅管表面，經長期觀察發現，此類懸浮物影響類似于圖1 銅管發黑現象。

3.3 排查結晶器配套工藝設備運行情況

造成結晶器銅管發黑不僅與冷卻水水質有關，還與銅管材質、水縫、冷卻水流速等因素有關［2］。無論敞開系統還是密閉系統，在0～80 ℃的范圍內，碳鋼的腐蝕速率隨著溫度的升高而增大，這主要是因為，隨著溫度的升高，溶解氧向碳鋼表面的擴散速度增加，從而加速氧的去極化作用［3］。而銅管的冷卻效果還受銅管與冷卻水界面之間的對流換熱系數的影響有關，而該對流系數與冷卻水的流速、水縫寬度等因素有關；對于鑄坯拉速1.5 m/min 的方坯連鑄機來說，總長只有1.0 m 的銅管，鋼水在結晶器銅管中冷卻的時間只有不到40 s，結晶器在此很短的時間內需要帶走鋼水20%以上的熱量，必然要求冷卻水流速足夠大。經過分析對比3臺鑄機的冷卻水流速情況，發現在同樣水質情況下，6 臺鑄機中冷卻水流速最高的電爐連鑄機，其冷卻水流速達到13 m/s，該臺鑄機的銅管就始終明顯好于其它幾臺鑄機；很明顯冷卻水流速小易造成銅管冷卻強度不足，并影響到銅在高溫和腐蝕性水環境中逐漸被氧化，形成黑色氧化亞銅，氧化物形成進一步促進導熱能力下降，造成溫度升高，形成惡性循環。

結晶器維護后需要進行水壓檢測，工藝要求修好待用的結晶器需要吹干結晶器銅管水縫中的余水，若銅管水縫中的余水沒有清出，結晶器存放超過一周或更長時間，水縫中的死水易產生異養菌、水銹等附著物在銅管表面，這樣的銅管一旦上線使用，易出現類似圖1的有規則的發黑、結垢現象。

3.4 銅管表面結垢物

為了驗證銅管發黑、結垢原因，對發黑、結垢的銅管表面附著物進行電鏡掃描分析，檢測結果見表3。

表3 銅管附著物重量百分比

從表3 銅管表面附著物分析結果可以看出，銅管表面附著物主要成分為鐵的氧化物75%，結晶器表面沉積物鐵元素含量很高，說明系統管道腐蝕較重；其次是可燒損的粘泥類有機物，有機物重量百分比雖然只有13%，但由于有機物本身比重較小，含量13%的有機物其在銅管表面附著物中的體積比已經非常高了，這應該是造成銅管發黑的另一個重要因素，同時化驗異養菌數超標，兩者結合可以進一步驗證，異養菌也是產生銅管發黑的一個主要因素。粘泥附著銅管后造成銅管冷卻效果不好，銅管表面的銅被氧化腐蝕生成黑色的氧化銅沉積在結晶器表面。

4 改進措施

為了讓連鑄結晶器銅管始終具有良好的導熱性，穩定鑄坯產品質量，需要盡可能較少或消除銅管表面垢的形成。垢物質生成原因已初步查明，在實踐中需針對產生銅管發黑、結垢的原因分別采取有針對性的解決措施。

首先保證水泵、冷卻塔、旁流過濾器、加藥裝置等設備滿足工藝要求進行運行，水泵出口流量和壓力大于工藝要求，以此來保證銅管冷卻水的流速；定期檢查冷卻塔冷卻風機，一方面防止出現漏油現象，另一方面確保冷卻效果，讓水溫始終小于34℃，同時定期維護冷卻塔，防止周圍生長異養菌；縮短待用結晶器待機時間，防止待用銅管內部出現異養菌生長。

其次，控制異養菌生長，一方面加強異養菌的化驗檢查頻次，出現異養菌隨即進行滅殺，另一方面，從補水源頭控制異養菌來源。

加強水質管理，控制水質指標在工藝要求范圍內，另外，逐步優化藥劑品質，逐步使用無磷藥劑；密切關注水中總鐵含量的變化，杜絕油類物質進入污染冷卻水。

5 結束語

針對產生銅管發黑、結垢的原因分別采取有針對性的解決措施后，連鑄結晶器銅管發黑、結垢的問題已得到有效控制，下線銅管表面無明顯發黑、結垢現象。