張偉旗

(江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司，江西貴溪 335424)

SCR 五輪澆注機(jī)是整條SCR 銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線鑄造結(jié)晶的關(guān)鍵設(shè)備和核心部分，該設(shè)備的正常運(yùn)行、維修和調(diào)整，對(duì)正常生產(chǎn)和鑄錠質(zhì)量至關(guān)重要[1]。鋼帶是其關(guān)鍵核心部件及主要易損件，不可或缺，銅鑄錠澆鑄的成敗，主要取決于其運(yùn)行狀況的好壞及其自身性能的優(yōu)劣。

江西銅業(yè)集團(tuán)分別于2003 年和2006 年從美國引進(jìn)SCR3000/4500 兩條連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線，試生產(chǎn)時(shí)，鋼帶失效問題凸顯，常導(dǎo)致無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)、故障率高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。鋼帶壽命≤30 h/根，導(dǎo)致更換系統(tǒng)頻繁，且維護(hù)焊接和調(diào)整復(fù)雜。每次換帶需停產(chǎn)約1 h，每次換中間包、鋼帶需停產(chǎn)約2.5 h。停爐、出湯作業(yè)次數(shù)多，銅液氧含量陡增，出湯失敗幾率加大，爐子燒嘴堵塞頻發(fā)。重新開機(jī)后，大量鑄錠被剪切，產(chǎn)能低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、能耗浪費(fèi)大，一直嚴(yán)重影響著該生產(chǎn)線的安全高效、連續(xù)穩(wěn)定、低耗環(huán)保及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因而成為SCR 銅桿生產(chǎn)線技術(shù)的“瓶頸”。

1 SCR 五輪式澆注機(jī)主要結(jié)構(gòu)工藝

1.1 主要結(jié)構(gòu)組成

美國南線SCR 五輪鋼帶式澆鑄技術(shù)因凝固組織均勻、錠坯厚度均勻、質(zhì)量好且易控制，目前在國內(nèi)外銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線備受青睞和推崇。圖1為SCR 五輪式鋼帶澆注機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，鑄機(jī)系統(tǒng)是SCR 連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線的重要工序[2]。該系統(tǒng)主要由鑄輪、鋼帶、鑄輪驅(qū)動(dòng)裝置、隨動(dòng)輪裝置及鑄模噴涂裝置、鑄錠牽引裝置、鑄錠運(yùn)送裝置等部分組成；輔助系統(tǒng)主要SPOUT 加熱器、鑄機(jī)水系統(tǒng)、高壓水系統(tǒng)、高壓風(fēng)系統(tǒng)、乙炔系統(tǒng)等部分組成。

圖1 SCR五輪式鋼帶澆注機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要工藝原理

連續(xù)澆注是銅桿連鑄連軋生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，而鋼帶的運(yùn)轉(zhuǎn)是SCR 五輪澆注機(jī)正常與否的重要標(biāo)志之一。其工藝流程：銅原料→提升加料機(jī)→豎爐→上溜槽→渣箱→保持爐→下溜槽→連鑄中間包→五輪式鋼帶澆注機(jī)→旋轉(zhuǎn)剪→預(yù)處理機(jī)。銅液由下溜槽流入連鑄中間包，通過連鑄中間包SPOUT流入由鑄輪銅環(huán)、鋼帶和壓輪共同壓緊包裹形成密閉的梯形結(jié)晶腔，且對(duì)錠坯形成一定的壓力；經(jīng)過鑄機(jī)冷卻水的冷卻，液態(tài)銅結(jié)晶凝固成固態(tài)的銅鑄錠，再經(jīng)過脫模裝置進(jìn)入下道預(yù)處理即削邊、修整工序，從而為后續(xù)軋制提供合格的銅鑄錠；而鋼帶NIP 冷卻水管則冷卻熔池的銅液，形成銅錠外殼，從而為連鑄連軋?zhí)峁﹥?yōu)良、連續(xù)、穩(wěn)定的銅錠，以確保銅錠澆注速度和銅桿軋制速度的平穩(wěn)。勿容置疑，鋼帶質(zhì)量的好壞將影響到銅桿后序的加工質(zhì)量，乃至最終產(chǎn)品品質(zhì)。

2 SCR 五輪式澆注機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及工況分析

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

SCR3000 與SCR4500 鑄機(jī)長(zhǎng)鋼帶對(duì)比，相同點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，均采用優(yōu)質(zhì)耐熱不銹鋼材質(zhì)，工作原理大致相同，鑄輪直徑皆為φ2 438 mm，鑄坯形狀、晶相組織也基本相同。不同點(diǎn)是其主要性能參數(shù)不同，SCR3000 與SCR4500 鑄機(jī)主要性能參數(shù)見表1。其主要特點(diǎn)是成卷包裝、表面拋光平整、尺寸精度高、真空除氣、涂油；具有良好的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、焊接性能、深沖性且經(jīng)過特殊脫氧，無濃泡形、裂紋、起皺、夾渣及麻點(diǎn)等缺陷。

表1 SCR3000與SCR4500鑄機(jī)主要性能參數(shù)

2.2 主要工況分析

整個(gè)連續(xù)澆注生產(chǎn)過程中，鋼帶的工況極其惡劣，需頻繁承受高溫?zé)彷椛浜屠鋮s噴水的周期性急冷急熱、機(jī)械拉伸應(yīng)力、摩擦力及沖擊力的作用等。然而，由于鋼帶受到SOOUT 加熱槍和澆注熔池高溫?zé)彷椛涞淖饔脮r(shí)，溫度陡升，雖然采取了鋼帶加熱器預(yù)熱鋼帶、吹干裝置及冷卻水系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)措施，一旦操作不當(dāng)，鋼帶的工作溫度會(huì)變得很高，使用壽命短且難以預(yù)測(cè)。

3 主要失效形式及影響因素

3.1 主要失效形式

SCR 五輪澆注機(jī)的鋼帶主要失效形式有熱疲勞裂紋、拉長(zhǎng)變形及損壞、跑偏及邊緣撕裂、漏銅、放炮、粘銅、波紋、灼傷及燒壞、翅邊、磨損及跑偏卷邊、機(jī)械損傷及裂紋等。

3.2 影響因素

影響SCR 五輪澆注機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的因素很多，且極為復(fù)雜，具體分為以下幾種：

自身影響因素：不銹鋼帶材質(zhì)。

冷卻影響因素：冷卻水調(diào)整不當(dāng)；冷卻水噴頭堵塞；冷卻水噴頭偏移，不在中心；冷卻水水質(zhì)等。

張緊影響因素：鋼帶張緊氣壓太大或太??；張力波動(dòng)大；張緊氣缸漏氣；張緊輪地腳螺栓松動(dòng)等。

澆注影響因素：澆注工藝參數(shù)；開機(jī)時(shí)速度過快；澆鑄中飛邊過大；生產(chǎn)中澆空鑄坯；鋼帶加熱位置偏移；澆鑄管位置偏移；鋼帶涂炭偏移或煙灰噴涂不均勻；來料的復(fù)雜性；機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀況變化。

密封影響因素：鋼帶跑偏；鋼帶與鑄輪、壓輪之間縫隙；軸承故障。

五輪影響因素：五個(gè)輪子不在同一平面內(nèi)、軸線發(fā)生偏移、軸產(chǎn)生彎曲；壓輪、張緊輪、惰輪磨損及變形嚴(yán)重；鑄輪變形嚴(yán)重，呈橢圓形；各輪子加工時(shí)不同心；輪子軸承損壞；設(shè)備安裝精度等。

包裝儲(chǔ)運(yùn)因素：包裝、儲(chǔ)運(yùn)及吊裝質(zhì)量。

制作焊接因素：焊絲質(zhì)量；氬氣質(zhì)量；制作焊接技術(shù)；工作責(zé)任心。

4 失效形式分析及其控制關(guān)鍵技術(shù)

4.1 熱疲勞裂紋、拉長(zhǎng)變形及損壞

鋼帶疲勞失效最為常見，它是鋼帶產(chǎn)生裂紋的主因。鋼帶表面長(zhǎng)期受溫度反復(fù)變化產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力，會(huì)形成熱疲勞；鋼帶在走帶過程中的反復(fù)彎曲，易產(chǎn)生彎曲疲勞，導(dǎo)致拉長(zhǎng)變形及損壞。而鋼帶有受熱面和冷卻面之分，通常導(dǎo)致其中部開裂和損壞的主因之一是急冷急熱、冷熱不均相當(dāng)嚴(yán)重，往往中斷連續(xù)性作業(yè)，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。SCR鋼帶中部熱疲勞裂紋圖，如圖2 所示。

鋼帶受熱面受熱不均時(shí)，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)引起鋼帶的局部變形，甚至導(dǎo)致鋼帶中部產(chǎn)生熱疲勞裂紋及損壞。為防止裂紋的逐步擴(kuò)展，需及時(shí)進(jìn)行維修和處理，以免影響鋼帶壽命。

鋼帶使用過程中因受到張緊力的作用，會(huì)拉長(zhǎng)變形，特別是開機(jī)啟動(dòng)過快或過熱時(shí)，鋼帶易拉長(zhǎng)變形及損壞，促使鋼帶缺陷部位的微裂紋逐步擴(kuò)大為較大的裂紋。因此，必須逐步下調(diào)壓縮空氣的壓力，在保證鋼帶平直運(yùn)行的狀態(tài)下，將美國南線公司設(shè)計(jì)值由原2.6 kg/cm2下 調(diào) 至2.4 kg/cm2；開機(jī)宜低速啟動(dòng)，澆注時(shí)變頻器頻率控制于40 Hz 左右，以避免啟動(dòng)拉力過大導(dǎo)致鋼帶變形。而鋼帶冷卻面冷卻不均時(shí)，鋼帶中部也會(huì)產(chǎn)生裂紋或損壞，每次開機(jī)前，必須嚴(yán)格按工藝規(guī)范操作，確認(rèn)鋼帶冷卻、噴淋水是否正常使用、水質(zhì)清潔，水溫控制于35 ℃以下，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)鋼帶冷卻噴嘴運(yùn)行狀況的排查，避免因噴嘴堵塞或脫落而造成鋼帶的冷卻不均。

圖2 SCR鋼帶中部熱疲勞裂紋

4.2 邊緣撕裂

鋼帶邊緣撕裂失效最為常見，也極易疏忽。鋼帶跑偏易造成銅桿缺陷、成材率低，會(huì)影響機(jī)組產(chǎn)能、損傷設(shè)備，但其影響因素多、變化大，往往交織在一起，相互作用，要在數(shù)量上加以精確分析來確定澆注鋼帶跑偏方向及跑偏量極為困難。而澆鑄機(jī)鋼帶軌跡的調(diào)整，是一項(xiàng)極為重要的工作，鋼帶的運(yùn)轉(zhuǎn)是鑄機(jī)正常與否的重要標(biāo)志[3]。

試機(jī)時(shí)，鋼帶往往運(yùn)行平穩(wěn)，而負(fù)荷狀態(tài)下，鋼帶跑偏問題則凸顯，造成鋼帶受力不均勻，單邊受力過大，甚至使鋼帶邊緣與其它零部件發(fā)生擦碰，鋼帶邊部易產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象,必須及時(shí)糾偏。期間雖經(jīng)多次努力調(diào)整，也請(qǐng)專業(yè)人員校正過，但效果皆不理想。鋼帶運(yùn)行過程中，宜細(xì)心觀察鋼帶的跑偏方向及鋼帶與惰輪的摩擦狀況，精心調(diào)節(jié)惰輪軸后的螺桿螺母，通過“聽音法”來判斷調(diào)節(jié)控制效果，直至鋼帶恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，且需定期檢測(cè)各輪軸線的平行度。該法可大幅提高鋼帶運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性，增加其使用壽命。

4.3 漏銅頻繁

鋼帶漏銅失效最為常見。鋼帶安裝于五輪上，應(yīng)保證鑄輪、壓輪、張緊輪及惰輪的中心線在同一平面內(nèi)，且鋼帶運(yùn)動(dòng)軌跡的變動(dòng)范圍不可過大，否則勢(shì)必影響澆注機(jī)的正常運(yùn)行。輪子、鋼帶分別在高溫下、急冷急熱下運(yùn)行，其表面的磨損及變形在所難免，即便是張緊狀況下，其磨損程度也截然不同，如鋼帶與壓輪表面、熱銅錠間相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦磨損，會(huì)導(dǎo)致漏銅，飛濺的銅液易包死、燒壞鑄輪，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生放炮及爆炸；或軸承故障時(shí)，也會(huì)造成鋼帶不能完全貼合而嚴(yán)重漏銅。因此，必須加強(qiáng)巡檢、排查隱患，一旦鋼帶發(fā)生漏銅現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響鑄錠的結(jié)晶質(zhì)量，最終導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。緊急停爐后，必須對(duì)鋼帶及其焊縫內(nèi)外側(cè)進(jìn)行著色和超聲波探傷，及時(shí)更換磨損變形超標(biāo)的輪子，但切忌動(dòng)輒大拆大卸。

圖3 鋼帶粘銅

4.4 粘銅、波紋起皺、灼傷及燒壞

連續(xù)澆注時(shí)，中間包出湯溫度對(duì)鋼帶粘銅和灼傷的影響極大，會(huì)直接影響到鋼帶的使用壽命。若開機(jī)速度過快時(shí)，易燒壞鋼帶，特別是銅液與鋼帶的接觸段；出湯溫度過高，粘銅[4]、表面波紋起皺及灼傷現(xiàn)象最嚴(yán)重（圖3），此時(shí)適當(dāng)降低中間包出湯溫度，由原設(shè)計(jì)1 200 ℃調(diào)整控制在約1 150 ℃，該現(xiàn)象會(huì)明顯好轉(zhuǎn)。而采用煙灰噴涂法，利用乙炔在空氣中的不完全燃燒產(chǎn)生大量的煙灰，通過一定的壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)SCR 鑄輪U 型槽、鋼帶的煙灰噴涂，最終使鑄模模腔內(nèi)煙灰分布均勻，可有效防止高溫銅液灼傷鑄輪及鋼帶。

4.5 機(jī)械損傷及裂紋

鋼帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，與鑄輪、壓輪、惰輪、張緊輪、導(dǎo)輪、鋼帶加熱器等零部件接觸，易產(chǎn)生擦傷、劃痕及卷邊等機(jī)械損傷；檢修時(shí)，若鋼帶未采取任何保護(hù)措施，受到撞擊或受壓也會(huì)產(chǎn)生裂紋，必須加強(qiáng)對(duì)鋼帶的保護(hù)，墊好較厚的棉毯或木板后再進(jìn)行檢修。一旦有冷銅、任何異物或固體顆粒落入鋼帶內(nèi)，鋼帶運(yùn)轉(zhuǎn)至某輪子時(shí)受到擠壓，易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中變形，運(yùn)轉(zhuǎn)多次后，鋼帶會(huì)在擠壓處產(chǎn)生裂紋。因此，開機(jī)前必須仔細(xì)排查鋼帶內(nèi)有無異物，以免擠壓鋼帶，產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)。

4.6 焊接處裂縫

該失效形式在建廠初期試生產(chǎn)時(shí)較為常見，其鋼帶皆采用冷軋低碳鋼，而備件則需長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。受鋼帶的自身材質(zhì)、澆注工藝技術(shù)參數(shù)、噴涂煙灰顆粒度、水冷卻、制作焊接工藝等因素影響，鋼帶在焊接處易產(chǎn)生裂縫、滲水，形成表面空氣穴，熱傳導(dǎo)減弱，銅錠坯結(jié)晶不達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重影響銅桿線的最終品質(zhì)，鋼帶使用壽命短。而通過長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐探索，鋼帶宜選用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)不銹鋼替代，且針對(duì)其平整裁剪、清潔處理、校準(zhǔn)校平、點(diǎn)焊引弧、錐形角度、焊接速度、熔池變化、拋光打磨等進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，終于摸索出一整套SCR 鋼帶制作焊接新技術(shù)即《SCR 鋼帶制作焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》；同時(shí)，通過加強(qiáng)崗位技能培訓(xùn)，提高員工責(zé)任心和操作技能，鋼帶壽命可達(dá)5 天以上，目前該失效形式較少。

4.7 鋼帶磨損或跑偏卷邊

(1)壓輪水管磨損鋼帶

壓輪凹槽內(nèi)設(shè)置有2根鋼帶NIP 冷卻水管，當(dāng)安裝位置偏移時(shí)，水管會(huì)磨損鋼帶，必須及時(shí)糾偏。而改用不銹鋼鋼帶替代原低碳鋼鋼帶生產(chǎn)，設(shè)備的工作周期則相應(yīng)延長(zhǎng)，且由于冷卻水管與壓輪相背，只好靠噴射時(shí)的反射水來冷卻壓輪。若生產(chǎn)時(shí)冷卻水量過大，易使銅錠過早收縮，影響后段結(jié)晶的品質(zhì)；而殘留在鑄坯內(nèi)部的氣孔對(duì)軋制以及內(nèi)部組織危害十分大，是造成拉拔空斷、產(chǎn)生毛刺的主要根源[5]，對(duì)壓輪的冷卻效果也較差。因而，必須控制好冷卻水量。

(2)壓輪故障導(dǎo)致鋼帶跑偏卷邊

壓輪軸彎曲或軸線偏移故障時(shí)，會(huì)直接影響到鋼帶的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，使鋼帶跑偏卷邊，造成鋼帶密封不良而漏銅，影響鑄機(jī)的正常工作。在調(diào)整鋼帶軌跡時(shí)，必須找好鑄輪基準(zhǔn)，逐步校正壓輪、惰輪、張緊輪的三維位置，同時(shí)要做好調(diào)整數(shù)據(jù)記錄。

4.8 安裝調(diào)整不良引起翅邊及放炮

鋼帶的安裝與調(diào)整是否到位，對(duì)生產(chǎn)的正常運(yùn)行及產(chǎn)品品質(zhì)影響極大。澆鑄過程中，若鋼帶調(diào)整不到位或跑偏，輕則出現(xiàn)滲漏、飛邊或邊部氣孔，嚴(yán)重影響鑄坯結(jié)晶質(zhì)量，產(chǎn)品報(bào)廢率高；重則將導(dǎo)致鑄機(jī)漏銅、放炮，鑄輪極易被包死或燒壞，甚至爆炸而被迫停產(chǎn)，四處飛濺的銅液對(duì)人身設(shè)備安全威脅極大。對(duì)此，必須確保鋼帶與鑄輪、壓輪之間密封性良好，避免出現(xiàn)任何的縫隙及跑偏現(xiàn)象。

5 結(jié)語

影響SCR 五輪澆注機(jī)鋼帶的可變因素很多，且極為復(fù)雜。江西銅業(yè)集團(tuán)憑借強(qiáng)大的技術(shù)支撐，攻克了預(yù)防鋼帶失效與過程控制的關(guān)鍵核心技術(shù)，延緩了鋼帶劣化進(jìn)程。目前，鋼帶使用壽命已由建廠初期不到30 h/根，攀升至140 h/根以上，總產(chǎn)能超過原設(shè)計(jì)37 萬t/a，已突破40 萬t/a 大關(guān)，且銅桿品質(zhì)穩(wěn)中有升，能耗成本水平高，這是SCR 生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)有序、連續(xù)緊湊、高效協(xié)同生產(chǎn)運(yùn)行體系的綜合體現(xiàn)。江西銅業(yè)集團(tuán)以世界一流的裝備和技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)，完全能滿足國內(nèi)外客戶對(duì)高端銅細(xì)線及超微線的特殊品質(zhì)需求，極大地提升了銅材精深加工水平，具有較大的實(shí)用及推廣價(jià)值。

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