王紅軍,王春鋒,錢 龍

(武漢鋼鐵有限公司條材廠,湖北 武漢 430080)

連鑄結(jié)晶器冷卻水為軟水,為連鑄結(jié)晶器冷卻的核心介質(zhì),通過在結(jié)晶器管道內(nèi)循環(huán),起到冷卻結(jié)晶器銅板從而帶走鋼水熱量的作用。如果結(jié)晶器水質(zhì)穩(wěn)定性無法得到保障,在運行過程中容易產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕、堵塞等情況,使結(jié)晶器銅板表面產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)鑄坯裂紋、黏結(jié)以及嚴(yán)重的漏鋼事故,所以控制好結(jié)晶器水質(zhì)、防止結(jié)晶器銅板結(jié)垢是保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行的重要條件。

1 結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)的概況及水質(zhì)藥劑的介紹

連鑄結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)為軟水加壓閉路循環(huán)系統(tǒng),該系統(tǒng)由碳鋼管道、碳鋼水箱和銅板組成,結(jié)晶器水循環(huán)系統(tǒng)的總?cè)萘繛?00 m3,由3臺高壓泵(2用1備)供壓,冷卻水通過結(jié)晶器銅板后,經(jīng)管道過濾器形成閉路循環(huán),系統(tǒng)配置氮封罐,防止管道某處漏水造成結(jié)晶器無水。結(jié)晶器閉路冷卻系統(tǒng)流程見圖1。

為保證結(jié)晶器銅板不結(jié)垢,冷卻均勻,通常情況下,要保證結(jié)晶器水質(zhì)各項參數(shù)在一個合理的范圍內(nèi),因此,需要對結(jié)晶器冷卻水進(jìn)行加藥處理。之前武鋼CSP使用藥劑的主要類型是聚磷酸鹽,按時通過人工手動加入結(jié)晶器循環(huán)系統(tǒng)內(nèi),確保水質(zhì)參數(shù)符合要求。

聚磷酸鹽的緩釋機理:J.C.lamb[1-2]等利用放射性示蹤技術(shù)闡明了聚磷的緩蝕作用,指出了含有聚磷酸鈣和微量鐵的水產(chǎn)生帶正電荷的絡(luò)合離子,是含有聚磷的水合氧化鐵,它們沉積于陰極表面,阻礙了維持腐蝕的陰極反應(yīng)?？梢钥闯鼍哿椎木徫g作用有三個必要條件:有一定濃度的Ca2+、溶解氧和活化的金屬表面?，F(xiàn)在的連鑄工藝變化大,面對如此苛刻的條件,一般很難滿足。

2 運行過程存在的基本問題

武鋼CSP自2009年3月份投產(chǎn),生產(chǎn)過程結(jié)晶器銅板過鋼量一直穩(wěn)定在8萬t左右。自2017年以來,武鋼CSP結(jié)晶器銅板過鋼量急轉(zhuǎn)直下,平均過鋼量在3.5萬t左右,嚴(yán)重影響了鑄機的安全生產(chǎn)和質(zhì)量控制。結(jié)晶器銅板下線后,觀察結(jié)晶器銅板水側(cè)情況,發(fā)現(xiàn)銅板水側(cè)結(jié)垢比較嚴(yán)重,實物見圖2。

從上可以看出:結(jié)晶器銅板出現(xiàn)問題主要原因是銅板水側(cè)結(jié)垢嚴(yán)重,而且有灼燒的跡象,解決結(jié)晶器結(jié)垢問題是當(dāng)務(wù)之急。

3 原因分析

為尋找結(jié)晶器銅板結(jié)垢的原因,對水垢進(jìn)行取樣分析,成分見表1。

表1 水垢的成分Table 1 Compositions of scale %

從成分結(jié)果分析認(rèn)為:水垢主要是微生物黏泥和腐蝕產(chǎn)物,主要是鈣的不溶物、鐵銹、磷酸鹽。而武鋼CSP使用的結(jié)晶器水處理藥劑一直沒有更換,從水質(zhì)檢測結(jié)果看,水質(zhì)指標(biāo)沒有變化,檢測結(jié)果見表2。

表2 武鋼CSP未改善前的結(jié)晶器水質(zhì)指標(biāo)Table 2 Water quality index of mould before CSP improvement

從結(jié)晶器水質(zhì)數(shù)據(jù)看:水質(zhì)偏堿性,含磷高。結(jié)垢的原因應(yīng)該是外部條件的變化導(dǎo)致了銅板的結(jié)垢。

3.1 溫度變化導(dǎo)致聚磷酸鹽水解

武鋼CSP為提高產(chǎn)能,在2017年實現(xiàn)全面提速,增加坯厚。而提速增坯厚導(dǎo)致的主要結(jié)果就是結(jié)晶器水溫和銅板溫度的升高。武鋼CSP結(jié)晶器銅板背面裝有熱電偶,用來探測澆鋼過程銅板表面溫度的變化,簡稱BPS。銅板的熱電偶分布如圖3所示。

對武鋼CSP現(xiàn)場生產(chǎn)的BPS數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,分析了1 295 mm斷面三排偶頭的溫度和不同拉速在其他條件不變情況下的溫度分布,如圖4所示。

從圖4可以看出:拉速5.0 m/min時結(jié)晶器BPS偶頭溫度比拉速4.5 m/min平均高25 K左右,結(jié)晶器水溫則升高10 K左右。水溫升高利于聚磷分子擴散到金屬表面,有利于成膜,水溫升高利于氧的擴散,加速沉淀膜的形成并使成膜良好。但水溫過高超過50 ℃時,聚磷易水解產(chǎn)生[Ca2O(P2O5)(OH)2],導(dǎo)致腐蝕加劇,特別是在Ca2+濃度高的情況下,容易與鈣形成鈣的不溶化合物,黏附在結(jié)晶器壁上,形成水垢。

3.2 pH值的影響

結(jié)晶器水的pH值影響金屬表面保護(hù)膜的形成。一般情況下,當(dāng)pH>7時,金屬保護(hù)膜F2+的濃度極低,膜的牢固性降低;隨著pH值升高,膜的抗腐蝕性增高,但是當(dāng)pH>9時,由于污垢的沉積容易產(chǎn)生局部腐蝕,而此時加入的緩蝕劑不能改變局部腐蝕;當(dāng)pH<5時,聚磷的絡(luò)合物膜將因增溶而破壞。因此,pH值過高或過低都會促進(jìn)聚磷的水解。從上述水質(zhì)指標(biāo)可以看出:由于武鋼CSP用結(jié)晶器藥劑是一種堿性藥劑,pH值達(dá)到了11.17,高pH值促進(jìn)了聚磷的水解。而面對拉速提升,為保證結(jié)晶器水質(zhì)穩(wěn)定,最好的pH值應(yīng)控制在7～9之間。

3.3 銹蝕的影響

從水垢成分中可以看出,水垢中含有大量的鐵的銹蝕懸浮物。主要原因是由于溫度和pH值發(fā)生變化,導(dǎo)致聚磷酸鹽發(fā)生水解,鈍化作用失效,無法在金屬表面形成氧化膜;另外,由于武鋼CSP投產(chǎn)超過10年,結(jié)晶器循環(huán)水系統(tǒng)管道發(fā)生銹蝕,導(dǎo)致大量的鐵銹在水中懸浮,無法及時排出,與聚磷酸鹽發(fā)生水解的鈣的不溶化合物結(jié)合成水垢,當(dāng)遇到高溫的結(jié)晶器壁時,黏附在結(jié)晶器水側(cè),從而影響了結(jié)晶器銅板的傳熱,銅板被氧化,加劇了水垢的富集,形成惡性循環(huán)。

綜上所述,導(dǎo)致結(jié)垢的主要原因是:隨著鑄機提速,結(jié)晶器水溫升高,超過了聚磷酸鹽的穩(wěn)定值,再加上藥劑本身的局限性,pH值較高,導(dǎo)致藥劑發(fā)生水解失效,形成了鈣酸鹽,并且由于聚磷酸鹽的鈍化作用失效,加速了管道的銹蝕,鐵銹與鈣酸鹽一起形成水垢富集在結(jié)晶器銅板內(nèi)側(cè),阻止了結(jié)晶器銅板的導(dǎo)熱。

4 改進(jìn)措施

4.1 藥劑更換

表3 更換藥劑后水質(zhì)的主要指標(biāo)Table 3 Main indicators of water quality after changing

4.2 設(shè)備改造

4.2.1 加裝自動加藥系統(tǒng)

改造前需要人工定點定時加藥,存在水質(zhì)好的時候多加,水質(zhì)不好的時候沒加的情況,沒有針對性。改造后,安裝一個自動加藥系統(tǒng),配置了3D STRASER智能過程處理系統(tǒng),能夠根據(jù)水質(zhì)狀況自動加藥,以確保穩(wěn)定和實時地精確控制系統(tǒng)的水處理劑投加劑量。改造后的加藥系統(tǒng)如圖5所示。

要實現(xiàn)自動加藥,首先必須要能夠?qū)崟r監(jiān)測結(jié)晶器水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù),在結(jié)晶器循環(huán)系統(tǒng)的加藥處增設(shè)了一處實時水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備,主要是通過安裝腐蝕掛片、電導(dǎo)率探頭和pH值探頭,來實時探測出水質(zhì)狀況。藥劑濃度通常是通過人工定時一次性加入,加入時機可以通過藥劑濃度來判斷。在監(jiān)測到結(jié)晶器水質(zhì)數(shù)據(jù)后,就可以通過計算機模型計算出藥劑的投入量和加入時機,做到實時加藥。這種加藥系統(tǒng)是可以通過網(wǎng)絡(luò)終端來人工控制,也可以實時觀測水質(zhì)數(shù)據(jù)和查詢歷史功能。圖6是從安裝的水處理劑控制自動化套件中提取的控制圖。

4.2.2 加裝過濾系統(tǒng)

結(jié)晶器循環(huán)水為密閉循環(huán)系統(tǒng),管道的銹蝕、水的雜質(zhì)是不能通過自身循環(huán)消除的,為此,在結(jié)晶器循環(huán)系統(tǒng)中添加了雜質(zhì)過濾系統(tǒng),如圖7所示。

該系統(tǒng)接在結(jié)晶器循環(huán)管道的一個分支上,里面裝有濾芯,可以過濾掉水中夾雜和管道銹蝕物,并且在濾芯的出口和入口處安裝壓力檢測表,可以檢測兩端壓力,以此來判斷濾芯是否需要更換。

4.2.3 加裝通訊設(shè)備

通過與一級基礎(chǔ)自動化PLC數(shù)據(jù)交換,增加水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)在HMI上面的顯示,便于連鑄機操作人員查看,同時傳輸?shù)紼DAS數(shù)據(jù)服務(wù)器,便于專業(yè)人員對水質(zhì)數(shù)據(jù)的歸檔、查詢和分析。

5 改進(jìn)效果

通過對結(jié)晶器水質(zhì)藥劑更換和設(shè)備改造,結(jié)晶器水側(cè)結(jié)垢現(xiàn)象消除,改造前后的對比實物圖見圖8、圖9。水質(zhì)變化曲線見圖10。

從圖10可以看出:結(jié)晶器水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)基本達(dá)到目標(biāo)值并實現(xiàn)了穩(wěn)定控制,Fe2+含量基本控制在1.0 mg/L以下,pH值控制在7～9之間,電導(dǎo)率和濁度都控制在合理范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

提升拉速導(dǎo)致結(jié)晶器水溫升高和銅板局部溫度升高,致使結(jié)晶器藥劑聚磷酸鹽發(fā)生水解、失效,導(dǎo)致了管道的銹蝕和鈣酸鹽的形成,而且無法過濾,最終由于結(jié)晶器銅板的溫度升高而黏附在結(jié)晶器銅板壁上,形成水垢,嚴(yán)重地影響了結(jié)晶器的使用壽命。使用無磷的鉬酸鹽和亞硝酸鹽緩蝕劑可以更好地適應(yīng)高拉速對結(jié)晶器水質(zhì)需求,而先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備和過濾系統(tǒng)可以保證水質(zhì)的穩(wěn)定性,為CSP產(chǎn)線的順行提供了保障。

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