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(huán)保技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200063）

前言

煉鋼冶煉產(chǎn)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(jié)晶器是連鑄設(shè)備中關(guān)鍵的部件，被稱為連鑄機的心臟，而該快速冷卻成坯的關(guān)鍵設(shè)備就是連鑄機結(jié)晶器的銅管，銅管傳熱效果好壞直接影響鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量，銅管在高溫傳熱過程中受到水溫、流速、水質(zhì)、拉速、銅管本身質(zhì)量等多種因素的影響，易出現(xiàn)表面發(fā)黑、結(jié)垢現(xiàn)象，銅管發(fā)黑、結(jié)垢后必然影響到傳熱效果，并影響到鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量［1］。通過對結(jié)晶器銅管發(fā)黑、結(jié)垢原因進行分析和排除，在實踐中分析查找產(chǎn)生結(jié)晶器銅管發(fā)黑、結(jié)垢的原因，采取措施控制和減緩銅管表面發(fā)黑、結(jié)垢，以滿足鑄坯冷卻要求。

1 結(jié)晶器銅管冷卻水系統(tǒng)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(jié)晶器都是采用軟化水敞開式循環(huán)冷卻，每臺鑄機結(jié)晶器冷卻水工藝流程基本相同，即：合格的冷卻水經(jīng)水泵提供壓力能夠達到1.2～1.3 MPa，根據(jù)鑄機流數(shù)不同，其水流量也不同，供水溫度小于34 ℃，冷卻水經(jīng)水泵、過濾器過濾后送入到連鑄機分配器分配到各流的結(jié)晶器銅管使用，冷卻水經(jīng)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(tǒng)和水質(zhì)檢測取樣裝置，水池配有提升泵進行閉路循環(huán)清洗過濾，處理合格的水再次通過水泵供結(jié)晶器冷卻循環(huán)使用。其中1#方坯鑄機系統(tǒng)循環(huán)水量1 300 m3/h，保有水量約800 m3，結(jié)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(tǒng)循環(huán)水異養(yǎng)菌數(shù)控制在小于5×104個/mL，水系統(tǒng)運行過程中嚴格控制其指標在標準范圍內(nèi)，表1 為6 臺連鑄機結(jié)晶器銅管水系統(tǒng)運行控制指標。

表1 軟水系統(tǒng)水質(zhì)數(shù)據(jù)運行指標

2 結(jié)晶器銅管使用現(xiàn)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(shù)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(xiàn)銅管發(fā)黑、結(jié)垢現(xiàn)象，在觀察下線銅管發(fā)黑、結(jié)垢位置時發(fā)現(xiàn)，銅管發(fā)黑、結(jié)垢位置和發(fā)黑面積并不完全一樣，有時同一臺鑄機僅出現(xiàn)個別流中的單支銅管發(fā)黑，且基本是有規(guī)律的，銅管下半部有一圈明顯界面往上出現(xiàn)發(fā)黑；有時同一鑄機多流銅管相繼發(fā)黑，嚴重時甚至出現(xiàn)通體發(fā)黑；有時僅是倒三角高溫區(qū)局部發(fā)黑，具體見圖1 三種具有代表性的發(fā)黑銅管圖片。

圖1 下線結(jié)晶器銅管

3 結(jié)晶器銅管發(fā)黑原因分析與排查

3.1 排查水系統(tǒng)運行參數(shù)

針對發(fā)黑、結(jié)垢銅管進行分析排查，依次排查產(chǎn)生銅管發(fā)黑、結(jié)垢的冷卻水系統(tǒng)運行參數(shù)；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(tǒng)；同時排查結(jié)晶器冷卻水流速變化情況。

排查結(jié)果顯示，水系統(tǒng)運行參數(shù)基本正常，有時銅管冷卻水系統(tǒng)出現(xiàn)事故水進入系統(tǒng)并帶有雜質(zhì)；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(tǒng)由于雜質(zhì)較多，會產(chǎn)生銅管發(fā)黑、結(jié)垢；關(guān)于流速偏小問題，雖然大流速有利于形成湍流，降低層流區(qū)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(fā)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(tài)，并沒有產(chǎn)生銅管膜態(tài)沸騰，造成銅套局部過熱，甚至出現(xiàn)銅管發(fā)黑現(xiàn)象，但此次排查間斷性的銅管發(fā)黑，冷卻水流速問題可能是引起銅管發(fā)黑、結(jié)垢的原因之一。

3.2 冷卻水指標

根據(jù)結(jié)晶器冷卻水質(zhì)指標要求來核對運行過程情況，水中pH、鈣離子、氯離子、電導(dǎo)率、總堿都處于合格狀態(tài)，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(fā)黑水系統(tǒng)中檢測發(fā)現(xiàn)有油存在。對造成銅管發(fā)黑嚴重的水系統(tǒng)取樣檢查，發(fā)現(xiàn)水中異養(yǎng)菌數(shù)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(jié)果，可知：磷、異養(yǎng)菌、油、鐵離子等都有可能是產(chǎn)生銅管發(fā)黑、結(jié)垢的原因。

3.2.1 磷

結(jié)晶器冷卻水系統(tǒng)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(tǒng)水中總磷也出現(xiàn)波動，磷在系統(tǒng)高溫部位容易產(chǎn)生磷酸鈣垢，同時水中的磷作為異養(yǎng)菌的營養(yǎng)物質(zhì)，能夠促使異養(yǎng)菌快速繁殖，這些都有可能造成銅管發(fā)黑、結(jié)垢。

3.2.2 異養(yǎng)菌

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

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

圖2～4為當時分析異養(yǎng)菌數(shù)的圖片。

圖2 1#軟水異養(yǎng)菌數(shù) 圖3 3#軟水異養(yǎng)菌數(shù) 圖4 電爐軟水異養(yǎng)菌數(shù)

3.2.3 油的控制情況

結(jié)晶器銅管冷卻水正常情況下是沒有油的，當循環(huán)水冷卻塔減速機出現(xiàn)故障，其潤滑油泄漏后就進入冷卻水中，系統(tǒng)水中進入少量油后被迅速乳化，乳化的油隨冷卻水經(jīng)過結(jié)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(jù)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(chǎn)生。

11 月1#鑄機再次出現(xiàn)類似圖1（b）銅管發(fā)黑現(xiàn)象，當時進行了快速排查異養(yǎng)菌數(shù)，發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)菌數(shù)幾乎為零，沒有出現(xiàn)上述的異養(yǎng)菌問題，隨后抽取水樣進行油分析，針對性取了3 臺鑄機結(jié)晶器冷卻水進行油含量的檢測，見表2。發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生銅管發(fā)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(fā)現(xiàn)1#鑄機循環(huán)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(fā)黑情況得到消除。

表2 結(jié)晶器冷卻水油含量檢測

3.2.4 鐵

循環(huán)冷卻水中氧化鐵含量增多，這些氧化鐵也會隨著循環(huán)水經(jīng)過結(jié)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(chǎn)生黑色垢，從對銅管結(jié)垢物分析結(jié)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(guān)聯(lián)的，當循環(huán)水中的濁度較高時，懸浮物也會隨之升高，雖然水系統(tǒng)運行過程中濁度沒有超標，但當事故水進入冷卻水系統(tǒng)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(fā)生變化，當然懸浮物中也會貢獻一些礦物質(zhì)（CaCO3），懸浮物在經(jīng)過結(jié)晶器銅管表面粘結(jié)聚積，經(jīng)過高溫銅管燒結(jié)形成黑色垢附著在銅管表面，經(jīng)長期觀察發(fā)現(xiàn)，此類懸浮物影響類似于圖1 銅管發(fā)黑現(xiàn)象。

3.3 排查結(jié)晶器配套工藝設(shè)備運行情況

造成結(jié)晶器銅管發(fā)黑不僅與冷卻水水質(zhì)有關(guān)，還與銅管材質(zhì)、水縫、冷卻水流速等因素有關(guān)［2］。無論敞開系統(tǒng)還是密閉系統(tǒng)，在0～80 ℃的范圍內(nèi)，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(shù)的影響有關(guān)，而該對流系數(shù)與冷卻水的流速、水縫寬度等因素有關(guān)；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(jié)晶器銅管中冷卻的時間只有不到40 s，結(jié)晶器在此很短的時間內(nèi)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(jīng)過分析對比3臺鑄機的冷卻水流速情況，發(fā)現(xiàn)在同樣水質(zhì)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(huán)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(dǎo)熱能力下降，造成溫度升高，形成惡性循環(huán)。

結(jié)晶器維護后需要進行水壓檢測，工藝要求修好待用的結(jié)晶器需要吹干結(jié)晶器銅管水縫中的余水，若銅管水縫中的余水沒有清出，結(jié)晶器存放超過一周或更長時間，水縫中的死水易產(chǎn)生異養(yǎng)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(xiàn)類似圖1的有規(guī)則的發(fā)黑、結(jié)垢現(xiàn)象。

3.4 銅管表面結(jié)垢物

為了驗證銅管發(fā)黑、結(jié)垢原因，對發(fā)黑、結(jié)垢的銅管表面附著物進行電鏡掃描分析，檢測結(jié)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(jié)果可以看出，銅管表面附著物主要成分為鐵的氧化物75%，結(jié)晶器表面沉積物鐵元素含量很高，說明系統(tǒng)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(jīng)非常高了，這應(yīng)該是造成銅管發(fā)黑的另一個重要因素，同時化驗異養(yǎng)菌數(shù)超標，兩者結(jié)合可以進一步驗證，異養(yǎng)菌也是產(chǎn)生銅管發(fā)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(jié)晶器表面。

4 改進措施

為了讓連鑄結(jié)晶器銅管始終具有良好的導(dǎo)熱性，穩(wěn)定鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量，需要盡可能較少或消除銅管表面垢的形成。垢物質(zhì)生成原因已初步查明，在實踐中需針對產(chǎn)生銅管發(fā)黑、結(jié)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(shè)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(xiàn)漏油現(xiàn)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(yǎng)菌；縮短待用結(jié)晶器待機時間，防止待用銅管內(nèi)部出現(xiàn)異養(yǎng)菌生長。

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

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

5 結(jié)束語

針對產(chǎn)生銅管發(fā)黑、結(jié)垢的原因分別采取有針對性的解決措施后，連鑄結(jié)晶器銅管發(fā)黑、結(jié)垢的問題已得到有效控制，下線銅管表面無明顯發(fā)黑、結(jié)垢現(xiàn)象。