張偉旗

（江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司，江西　貴溪　335424）

SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線渣箱事故分析及設(shè)計改進(jìn)

張偉旗

（江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司，江西貴溪335424）

針對SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備渣箱設(shè)計原理和典型事故，詳細(xì)分析了銅渣形成機(jī)理、影響因素及危害，改進(jìn)了渣箱結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)急預(yù)案，成功地解決了制約生產(chǎn)的技術(shù)“瓶頸”及同類型生產(chǎn)線澆注的“核心”問題。

渣箱；設(shè)計改進(jìn)；除渣；高端銅細(xì)線;成本能耗水平

SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線熔煉系統(tǒng)中，熔化銅液需經(jīng)幾次順利疏導(dǎo)，方能保質(zhì)保量地將連續(xù)熔化的銅液輸送至下溜槽、中間包進(jìn)行澆鑄。目前國內(nèi)外SCR生產(chǎn)線銅渣排放方式皆以渣箱為主，其正常運行、維修和調(diào)整，對連鑄工序的安全高效、減少停機(jī)時間、保證澆注過程穩(wěn)定可靠、改進(jìn)銅液質(zhì)量及提高成品銅桿品質(zhì)極為關(guān)鍵。渣箱事故時，易使?fàn)t膛內(nèi)料層厚度增加，需被迫調(diào)整多元燃料配比、豎爐風(fēng)機(jī)風(fēng)量及減負(fù)荷運行，操作難度增大，安全隱患大，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致整條機(jī)組停機(jī)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

江銅分別于2003年和2006年引進(jìn)了SCR3000/4500兩條連鑄連軋生產(chǎn)線，因進(jìn)口渣箱存在設(shè)計缺陷，造渣較多，易造成長流嘴堵塞、漏銅及高溫腐蝕；內(nèi)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(tǒng)時不再傾倒銅液；銅液突然井噴等，導(dǎo)致產(chǎn)品批量性空心、夾渣斷線、麻點、毛刺及夾冷銅等，生產(chǎn)效率及產(chǎn)能低，質(zhì)量投訴多，成本能耗高，設(shè)備綜合效能和規(guī)模效益得不到充分體現(xiàn)和發(fā)揮，成為生產(chǎn)技術(shù)的“瓶頸”。

一、渣箱結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線渣箱是銅液導(dǎo)流、除渣、調(diào)節(jié)溫度和氧含量的關(guān)鍵工序設(shè)備。熔融的銅液在重力作用下從豎爐出銅口流出，流經(jīng)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(jìn)入五輪澆注機(jī)澆注。渣箱內(nèi)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)等部分組成，設(shè)計呈可旋轉(zhuǎn)式且設(shè)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(nèi)的銅液。

圖1　渣箱結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

二、銅渣形成機(jī)理、影響因素及危害

從銅渣形成機(jī)理可知，影響因素很多且極為復(fù)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(zhì)量及設(shè)備負(fù)面影響大。銅渣的主要來源有：①陰極銅板所含雜質(zhì)被氧化成渣，漂浮于銅液表面；②豎爐內(nèi)溫度高，銅物料對爐體的沖擊和銅液沖刷，導(dǎo)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(jìn)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(nèi)外夾雜、氣縮等缺陷，夾雜嚴(yán)重時會引起線材拉絲過程中產(chǎn)生斷線，有的甚至用肉眼即能看見斷頭，嚴(yán)重影響銅桿品質(zhì)；②銅渣隨銅液流入連注中間包，會破壞液面的穩(wěn)定性，降低銅液質(zhì)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(huán)境，又使資源浪費大，生產(chǎn)成本增加，銅渣處置已成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題之一。

銅液溫度控制恰當(dāng)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(chǎn)線為例，據(jù)統(tǒng)計分析，2014年1～5月份期間，影響成品銅桿品質(zhì)降級因素中，結(jié)冷銅現(xiàn)象約占4%，主要表現(xiàn)為夾雜、反斷不良等現(xiàn)象，夾雜主要是指銅桿內(nèi)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(yán)重影響生產(chǎn)、降低微細(xì)線成品率的主要問題之一。

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

三、渣箱事故分析及控制技術(shù)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(tǒng)，因渣箱流嘴四周大量積冷銅，要求停機(jī)時保持爐噸位不得低于10t，8:00正常剪切更換系統(tǒng)，10:00過線生產(chǎn)，生產(chǎn)至16:20時，渣箱流嘴靠南側(cè)突然大面積漏銅，使用壓縮風(fēng)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(fā)現(xiàn)靠南邊的渣箱流嘴已扭轉(zhuǎn)破裂，無法將渣箱內(nèi)銅液安全輸送至保持爐內(nèi)，被迫提前檢修。其影響主因是渣箱與保持爐距離短，導(dǎo)致流嘴與保持爐之間易結(jié)冷銅；未及時巡檢到位，渣箱流嘴內(nèi)堆積渣子影響銅液流動。為杜絕類似事故，設(shè)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(shè)計SCR4500生產(chǎn)線從保持爐噴出的火焰猛烈且集中，導(dǎo)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(dǎo)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(diào)運。長流嘴受到高溫腐蝕后變軟、彎曲及變短時，易導(dǎo)致保持爐處銅液四溢，完全隱患極大。

2.內(nèi)襯燒損、低溫積渣或凍流

（1）內(nèi)襯燒損漏銅。渣箱經(jīng)多次使用后，內(nèi)襯耐火材料易燒損或冷銅熔化，漏銅時需及時采用風(fēng)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(zhì)量較差，侵蝕過快；渣箱涂抹料烘烤后，產(chǎn)生嚴(yán)重裂紋；銅液銜接緊張，多次低液面連注對內(nèi)襯耐火材料侵蝕嚴(yán)重；下渣量大，渣線部位侵蝕嚴(yán)重；渣箱使用爐數(shù)超過規(guī)定爐數(shù)等。針對漏銅等事故，需采取有效、穩(wěn)妥的應(yīng)急措施，特制定了《渣箱區(qū)事故應(yīng)急預(yù)案》。

（2）低溫積渣。渣箱低溫積銅。渣箱內(nèi)銅液溫度不夠時，極易積渣，應(yīng)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(nèi)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(zhì)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(zhuǎn)，溢流的銅液未及時完全地傾倒入渣模內(nèi)，冷銅包裹渣箱基座。渣箱積渣嚴(yán)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(guān)注及增加檢查頻次；燒氧槍作業(yè)處理時未考慮渣箱不能傾倒因素，仍按常規(guī)作業(yè)導(dǎo)致渣箱底被燒穿。渣箱必須按《爐鑄區(qū)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(biāo)溫度時，凍流危險性增大。爐區(qū)操作人員應(yīng)按照工藝上限控制銅液的溫度，以保證連續(xù)澆注，適當(dāng)提高拉速；適當(dāng)增加測溫次數(shù)，向渣箱內(nèi)增大覆蓋劑添加量；根據(jù)實測銅液的溫度，調(diào)整拉坯速度；銅液低于目標(biāo)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(nèi)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(diào)溫功能。應(yīng)嚴(yán)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(dāng)加大渣箱火力、豎爐紅色復(fù)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(shè)置臨時擋渣磚，且通過加大巡檢力度、增加撈渣頻次來應(yīng)對。

（2）擋渣磚腐蝕。哈銅腐蝕性強(qiáng)，造成渣箱腐蝕嚴(yán)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(diào)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(diào)整至1.0，增加還原性氣氛；③設(shè)計分別將渣箱內(nèi)溜槽和擋渣磚底部導(dǎo)流孔加寬加深，減緩流速；④將2個燒嘴優(yōu)化設(shè)計為1個，適當(dāng)調(diào)整燒嘴位置，使火焰無法正對擋渣磚，燒蝕較少；⑤加強(qiáng)撈渣密度，每月定期更換擋渣磚，充分發(fā)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(dǎo)致液位過滿外溢時，應(yīng)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(nèi)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(yè)不當(dāng)導(dǎo)致渣箱燒穿而漏銅。

4.換系統(tǒng)時渣箱不再傾倒銅液

試產(chǎn)期間，SCR4500生產(chǎn)線更換系統(tǒng)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(zhuǎn)過程中會擠斷上溜槽碳化硅流嘴，故障處理難。

SCR3000生產(chǎn)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(chǎn)后，會導(dǎo)致整個保持爐內(nèi)銅液含氧較高，不得不長時間在澆鑄剪切狀態(tài)下除氧，致使成本增加；SCR4500生產(chǎn)線熔銅能力大、流量大，渣箱內(nèi)銅液含氧很快被稀松。經(jīng)長期摸索，宜適當(dāng)調(diào)整渣箱CO值及火力，徹底改變傾倒方式，僅在檢修前傾轉(zhuǎn)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(nèi)的氣體瞬間排出，易導(dǎo)致銅液井噴事故。應(yīng)立即疏散現(xiàn)場作業(yè)人員；作業(yè)值班長需組織崗位人員盡快恢復(fù)生產(chǎn)，將損失降至最低程度；避免銅液過氧化，提高熔煉操作技術(shù)，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(yù)兆時，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，快速關(guān)閉燒嘴，遠(yuǎn)離渣箱，避免受傷。

6.渣箱結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)

（1）渣箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在不改變渣箱原設(shè)計尺寸前提下，解決渣箱積渣、漏銅的關(guān)鍵在于保持爐與渣箱的間隙問題，原設(shè)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(dǎo)致溜嘴燒損更大。為給渣箱與保持爐留足位置，宜改進(jìn)渣箱兩頭間隙及蓋板尺寸，設(shè)計將上溜槽截短15cm。

設(shè)計增加渣箱兩頭尺寸，將渣箱調(diào)高5～10cm，與上溜槽、保持爐距離分別擴(kuò)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(jìn)后，長流嘴壽命超過半年，年可節(jié)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(jié)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(fā)溜槽系統(tǒng)銅水溢流防護(hù)裝置，對機(jī)架、地面分別采用石棉氈、細(xì)沙進(jìn)行防護(hù)；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(fù)渣箱氣動千斤頂和限位開關(guān)；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(jī)理，便于采取應(yīng)對措施；設(shè)計改進(jìn)渣模內(nèi)膽的尺寸，擴(kuò)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(shè)計改進(jìn)。渣箱工況惡劣，高溫輻射強(qiáng)，渣箱支架造價高、吸熱強(qiáng)，易被空氣腐蝕，尤以與地面接觸處更易腐蝕。宜設(shè)計特制渣箱支架，以防輻射罩為主，由復(fù)雜結(jié)構(gòu)改為簡單結(jié)構(gòu)，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(chǎn)的要求。設(shè)計改進(jìn)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(qū)系統(tǒng)溢流應(yīng)急處理預(yù)案設(shè)計。爐區(qū)系統(tǒng)溢流事故主因是管理漏洞多，如修爐后各區(qū)域溜槽、渣箱間距調(diào)整不到位；備件考慮不周、供應(yīng)不足及未及時修復(fù)故障設(shè)備；渣箱不能正常傾倒時，燒氧槍作業(yè)未作特殊處理；無應(yīng)急處理預(yù)案，應(yīng)急培訓(xùn)不到位、未及時跟進(jìn)；設(shè)備異常時，未加密巡檢等。對此，應(yīng)遵循“預(yù)防為主，積極處置”的原則，進(jìn)一步建立和完善渣箱事故管控機(jī)制，特設(shè)計系統(tǒng)溢流應(yīng)急處理預(yù)案，從而提高突發(fā)事件應(yīng)急保障能力。

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[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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