張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西 貴溪 335424)

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SCR銅桿生產(chǎn)線下溜槽裝置常見故障分析及設計改進

張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西 貴溪 335424)

通過分析SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線下溜槽裝置存在的主要問題，針對其常見故障進行分析及設計改進，新型下溜槽裝置無飛濺、結冷銅少，銅桿產(chǎn)品夾雜、斷線少、品質好、使用壽命長、成本能耗低，完全能滿足國內外客戶對高端銅細線及超微線的特殊需求。

下溜槽裝置；常見故障；設計改進；結冷銅；高端銅細線；成本能耗水平

溜槽裝置是SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線銅液導流、調節(jié)溫度和氧含量及除渣的關鍵設備。該裝置的正常運行，對減少停機時間、穩(wěn)定控制過程、改進產(chǎn)品質量等極為關鍵。江銅分別于2003年和2006年從美國SOUTHWIRE公司引進了SCR3000和SCR4500 兩條銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線[1]。SCR生產(chǎn)線熔煉系統(tǒng)中，下溜槽裝置是不可或缺的技術裝備，其主要作用是在銅錠連續(xù)澆注過程中，將爐排放出的高溫銅液輸送至連鑄中間包，再由PIN將銅液分配進入鑄輪模腔中，可實現(xiàn)銅錠的連續(xù)澆注過程，保證生產(chǎn)的可靠性及銅坯的質量。

隨著多頭拉絲設備的普及，對電線電纜用銅導線性能和質量的要求越來越高。由于原SCR生產(chǎn)線下溜槽裝置設計存在缺陷，致使其下溜槽流嘴、風管噴頭、收集器等處結冷銅嚴重，牽引裝置失靈，稱重儀數(shù)據(jù)失真等，故該生產(chǎn)線產(chǎn)能低，產(chǎn)品夾雜和斷線多，勞動強度高，成本能耗高，嚴重影響銅桿生產(chǎn)的順利進行，降低了后續(xù)微細線加工的成品率。因而，針對下溜槽裝置常見故障進行分析及設計改進，十分必要。

1 系統(tǒng)設計原理

1.1 主要結構設計

SCR爐區(qū)溜槽裝置分為上、下溜槽兩段，皆采用全封閉結構，使銅的損耗和熱損失大大降低。其中下溜槽是從保持爐出銅水口至連注中間包的通道，主要用于銅液的升溫、增氧。下溜槽整體設計為可移動式，長度為3.8m，可保證需要時將渣箱徹底排盡或清理干凈，必要時方便中間包或鑄造設備操作或維修作業(yè)。其外殼采用鋼板焊接而成，內襯CM-2澆注料，經(jīng)一次澆注燒結成整體。為減少銅水和空氣的接觸，保持銅水的含氧量，下溜槽由外部燒嘴和襯有耐火材料的蓋子上的燒嘴加熱，溜槽蓋內燒嘴可為銅液提供保護性氣氛，且通過調節(jié)空氣與燃料的混合比率來調整銅液氧含量；其后部收集器具有除渣功能。該裝置設計安全可靠，結構緊湊，安裝簡單，性能良好。

下溜槽燃燒控制系統(tǒng)由預混式燒嘴、燃氣電磁閥組、燃氣比例閥、助燃風機、空氣電動調節(jié)閥、調節(jié)儀表及閥門檢漏系統(tǒng)組成。為減少銅水吸入氧氣，采用空氣燃氣比例燃燒方式，即燃氣和空氣在進入燒嘴前先按一定比例充分混合，通過調節(jié)儀表改變助燃空氣和燃氣的流量來改變燒嘴燃燒功率，達到改變銅熔化速度的目的。該系統(tǒng)的燃燒速度、溫度、燃氣和空氣比例等采用CO分析儀監(jiān)控，PLC控制，可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場熔銅流量調節(jié)，僅需簡易操作即調節(jié)燒嘴的閥門和按鈕，且可根據(jù)軋機生產(chǎn)狀況，方便地控制銅水熔化速度，使整條SCR生產(chǎn)線高效穩(wěn)定地生產(chǎn)。

1.2 主要技術要求

下溜槽對內襯耐火材料的基本性能要求是熱導率低，保溫性能良好；耐急冷急熱，抗熱沖擊性良好；熱膨脹系數(shù)小，正常工況下能保持外形穩(wěn)定；工作溫度下性能穩(wěn)定，不與銅、溜槽內襯及鋼殼發(fā)生反應；具有與銅的不浸潤性，銅液流過后不粘銅；耐銅液的沖刷、腐蝕，表面強度、機械強度及抗熱裂性良好；不吸潮，對銅液不增氣；密度比銅小，能浮于銅液表面；蓄熱率低，絕熱性能優(yōu)異；易清理，耐用性好。

當下溜槽出現(xiàn)底部堆積冷銅太多，耐火材料中間裂縫太大不能修補，耐火材料太薄、厚度減少1/4，流槽烘烤破損嚴重，下溜槽正常使用半年后等情況時，必須對其實施報廢。

2 常見故障分析及優(yōu)化設計

2.1 流嘴處銅水飛濺、結冷銅

(1)原設計下溜槽流嘴采用短溜槽，遠離中間包燒嘴火焰，且下溜槽流嘴離銅水液面的高度差過大，難以調節(jié)(圖1)，致使銅水溫度偏低，氧含量波動大，易造成銅水飛濺，下溜槽流嘴和收集器處易堆積冷銅，冷銅大塊集結，甚至與中間包集結，使中間包搖架維護困難，工藝設備停機時間長，維修費用高，嚴重影響澆注生產(chǎn)及產(chǎn)品品質。其主因是增氧風管下風量過大，導致銅液溫度低，保持爐出銅口與冷銅摩擦，保持爐出銅口及下溜槽嘴處易結冷銅，中間包與下溜槽連接，導致稱重失靈、數(shù)據(jù)失真等；

圖1 下溜槽流嘴離液面高度差過大Fig.1 Major height difference between lower launder spout and liquid level

(2)新設計改用長溜槽流嘴，將流嘴相對延長20cm，且在下溜槽底部加裝小型千斤頂，如圖2所示。在調節(jié)至適宜高度后，通過加裝或拆卸斜鐵，在線調節(jié)下溜槽前后兩端的高度。同時，整體降低下溜槽的位置，即下溜槽嘴處與中間包之間的高度減少了1～2cm，可有效緩解銅水的飛濺和流嘴處冷銅的堆積，大幅延長保持爐嘴的壽命。且通過及時清理冷銅，能減少銅液對中間包的沖擊，保持中間包液位的平穩(wěn)，減少對中間包搖架的使用與維護；

(3)新設計增大保持爐嘴與下溜槽的高度差5cm，使從保持爐流出的銅液落入收集器位置的中部；

(4)原設計下溜槽銅水流速慢，溫度下降快，銅水流動性低，易造成銅水粘結和堵塞，經(jīng)過多次試驗，采用無粘結性且抗熱震性好的耐火材料—碳化硅預制件。改進后，下溜槽通暢，不結銅，不堵塞，出銅前后干凈；銅桿夾雜等缺陷少，成品率高；使用壽命長，期間無需維修，勞動強度低，經(jīng)濟效益十分顯著。

圖2 下溜槽底部加裝小型千斤頂Fig.2 Small jack installed below lower launder

2.2 風管噴頭結冷銅嚴重

SCR4500豎爐熔化的銅液流量遠大于SCR3000，因而被迫將下溜槽增氧風管開至更大，其后果是溜槽風管下易聚結大量飛濺冷銅，不到兩周即可形成塊、連成片，冷銅覆蓋于銅液表面，使銅液與風的接觸完全隔離且無法增氧，銅液缺氧造成澆鑄斷錠，且下溜槽結冷銅會降低其使用壽命。

(1)設定下溜槽內CO 值低于0，即空氣比例大于LPG比例，整個下溜槽6個燒嘴皆變?yōu)樵鲅跬ǖ狼以鲅蹙鶆?，其實際效果遠勝于一條增氧風管。下溜槽燒嘴中的LPG氣氛由此從富余變稀薄，充分燃燒后產(chǎn)生的熱量更多，可有效提升銅液溫度，因風管而造成的冷銅飛濺現(xiàn)象大幅減少，增氧、節(jié)能效果俱佳，可大幅提高下溜槽壽命；

(2)嚴控下溜槽的火力。在相同CO正值的狀況下，火力越大，還原性氣氛越弱；反之，火力越大，增氧能力越強。為調整銅液溫度，爐區(qū)操作人員往往會調整各區(qū)域火力，而下溜槽是調節(jié)氧的重要區(qū)域，加大火力時含氧會大幅增加，減少火力時含氧則會大幅減少，因而嚴格控制銅液溫度必須與氧相適應；

(3)技術管理措施改進。改進前，每班需在交接班前清理保持爐出銅口和下溜槽嘴處的冷銅，尤其是清理保持爐嘴冷銅，易直接導致其耐火材料的脫落，是導致其使用壽命下降的主要原因。改進后，可大幅減少以上兩處的冷銅，僅需在剪切或更換系統(tǒng)時清理即可，節(jié)省了大量的人力。保持爐使用一個月后基本完好，保持爐出銅口、下溜槽嘴冷銅集結周期大大延長，稱重不再失靈，澆鑄、氧含量平穩(wěn)。

2.3 收集器結冷銅嚴重

收集器在連注過程中的作用不可忽視。但原設計下溜槽收集器蓋板存在缺陷，且保持爐嘴離下溜槽有一定距離，銅水抵下溜槽時有少許飛濺，若冷銅堆積過多，會卡住下溜槽使其不能后退，嚴重時必須作燒氧槍處理，且更換系統(tǒng)極為不便。經(jīng)現(xiàn)場調查，冷銅易堆積于收集器出口下方，這恰好是火焰難以到達的盲區(qū)。其主因是保持爐的火焰與收集器蓋板的火焰相對，火力難至底部，且火焰集中于收集器中部，與出口處距離較遠，出口處飛濺的冷銅更易結塊；交叉火力減小了氣氛溫度，影響熱效能，銅水易氧化，給銅桿品質帶來嚴重隱患，冷銅易粘附于收集器內壁，難以清理，勞動強度大。

新設計將下溜槽收集器擴寬10cm，可杜絕原設計與保持爐外沖的火力形成對阻，可減少飛濺至耐火材料上的冷銅，有效降低冷銅與保持爐的磨擦。新設計收集器蓋板設有新型可調整角度的活動燒嘴，可徹底消除結冷銅問題，通過優(yōu)化設計燒嘴排列方式，將火力改為平行向下的直噴，收集器火力能有效燒至底部，保持收集器內的氣氛溫度，防止飛濺冷銅的凝結成塊，燒嘴不結冷銅最佳位置及角度，如圖3所示。同時通過跟蹤使用狀況，及時調整燒嘴面，確保工作效能，可使結冷銅狀況明顯好轉，更換系統(tǒng)時間短，生產(chǎn)效率高，銅水氧化少，銅桿品質高，員工勞動強度低。新型下溜槽收集器蓋板使用狀況，如圖4所示。

圖3 燒嘴不結冷銅最佳位置及角度Fig.3 Ideal position and angle for burner without generating cold shuts

2.4 牽引裝置失靈

下溜槽工況十分惡劣，受高溫輻射、銅水飛濺的影響，牽引電機易燒壞而失效，牽引鋼絲繩會結冷銅，且啟動時鋼絲繩易被拉長，使溜槽動作減緩，到達不了指定位置，導致牽引裝置失靈。新設計采取隔熱措施，在靠近保持爐出銅口處，設置側面擋板，且加強對牽引鋼絲繩的點檢與潤滑。

2.5 稱重儀數(shù)據(jù)失真

生產(chǎn)過程中，因銅液常飛濺至溫度偏低的下溜槽流嘴周圍，下溜槽尾部易結冷銅，致使下溜槽與中間包形成冷銅連接，導致中間包稱重數(shù)據(jù)失真，補給模擬數(shù)據(jù)波動較大，造成中間包銅水液面波動較大，嚴重影響中間包銅水的質量；銅液流動紊亂，渣子不易上浮，嚴重時會造成自動澆注失靈，導致澆注液面丟失或漫出，嚴重影響鑄坯的結晶質量，易產(chǎn)生夾雜、斷線，必須及時進行清理。采取有效的工藝措施可降低各種夾雜進入銅桿，而有效地控制銅液溫度、及時去渣，則是防止銅桿夾雜最有效的手段[2]。新設計改進下溜槽裝置內部形狀及材料，包括降低雜質元素的含量，提高耐火材料的熱穩(wěn)定性和抗沖刷性[3]，銅液流動性好、質量好，可顯著提高銅桿產(chǎn)品成材率。

圖4 新型下溜槽收集器蓋板使用狀況Fig.4 New collector cover in use for lower launder

2.6 下溜槽體扭曲、變形或損壞

下溜槽是采用6mm薄鋼板焊接而成的鋼溝槽，由于其自身強度、剛度較差，組裝與焊接交叉進行，施焊空間小，焊接變形較大，且砌筑澆注料后承重量過大，吊運和安裝砌筑完成的下溜槽過程中，下溜槽體易出現(xiàn)扭曲、變形，甚至損壞，影響下溜槽的使用性能。故在保證下溜槽銅液較大通過量的前提下，針對下溜槽鋼結構進行設計改進及優(yōu)化。將整個下溜槽長度進行合理分段，在鋼槽外殼增設焊接加強筋、焊后進行火焰烘烤和矯正及采用科學的焊接順序，可大幅消除焊接應力，有效防止產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，徹底杜絕該故障的發(fā)生。

2.7 內襯澆注料嚴重破損

下溜槽裝置設計較長、斷面厚度不均勻且相差較大，其內襯采用美國進口99#耐火澆注料，供貨周期長、價格昂貴，長時間使用會膨脹、結渣，銅桿易夾雜，客戶質量投訴多，且修理時清理積渣較難。

選用國產(chǎn)CM-2替代美國進口99#耐火澆注料效果良好，澆注面光滑、堅硬，結渣較少；通過優(yōu)化下流槽烘烤及升溫曲線，作好爐區(qū)升溫記錄圖，可保證下溜槽的正常作業(yè)，大幅減少下溜槽工作面的破損，減少了因銅桿夾渣而造成的客戶投訴。

3 結語

生產(chǎn)實踐證明，SCR4500下溜槽裝置改進后，SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)過程控制穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，銅桿產(chǎn)品夾雜、斷線少，員工勞動強度低，且減少了因突發(fā)事故而造成的其它無形損失。

(1)改進后，SCR4500Φ8mm銅桿產(chǎn)能已超過原設計產(chǎn)能即>35 t/h，1～3級銅桿產(chǎn)品合格率由原來的95.57%升至97.69%，年可減少產(chǎn)品降級損失150余萬元；

(2)新型下溜槽表面致密，耐高溫銅液沖刷且不粘銅，銅液通過量大、無飛濺，保溫性能良好，吸氫和成渣少，熱量損耗低，污染小，有利于生產(chǎn)高品質的銅桿；

(3)可通過控制CO量，來控制空燃比，進而控制下溜槽裝置內的氣氛，LPG充分燃燒后會產(chǎn)生更多的熱量，有利于提高銅液的溫度，增氧、節(jié)能效果更為顯著；

(4)新型下溜槽裝置設計靈活、操作簡單、維修便利，可減少臨時更換保持爐嘴的次數(shù)，節(jié)省切割下溜槽支架和清理冷銅時間6～10h/次，年可節(jié)約10余萬元；

(5)新型下溜槽裝置壽命長，國產(chǎn)CM-2澆筑料砌筑成本低，年可節(jié)約耐火材料費用近6萬元；LPG消耗小，銅桿噸耗總成本低；不合格品率少，年可節(jié)約30余萬元；而整個改進項目僅耗費0.3萬元；

(6)新型下溜槽完全能滿足國內外客戶對高端銅細線及超微線的苛刻要求。

[1] 張偉旗.SCR鑄輪技術裝備創(chuàng)新與機械故障的控制[J].特種鑄造及有色合金，2012，32(3)：274-276.

[2] 彭云.光亮銅桿的質量控制[J].電線電纜.1999，(4)：12-16.

[3] 劉富國.齊增生.馮祥軼.銅桿質量對再拉斷線的影響[J].有色金屬加工.2010，39(4)：10-12.

[4] 楊建平.李賢.李曉燕等.預制塊鋁液溜槽的結構設計、制作及應用[J].有色設備.2014(6)：46-49.

《有色加工動態(tài)》簡介

《有色加工動態(tài)》是洛陽有色金屬加工設計研究院主辦，《有色金屬加工》編輯部主編的內部資料性質的月刊。內容包括有色金屬(鋁、鎂、銅為主)加工行業(yè)的國內外動態(tài)新聞，為文摘性質，源自互聯(lián)網(wǎng)、各報刊雜志及行業(yè)內專家和院內專業(yè)人員的投稿。主要分為政策法規(guī)、行業(yè)動態(tài)、企業(yè)新聞、項目信息、產(chǎn)品應用等板塊，供廣大業(yè)內人士閱讀參考。

聯(lián)系電話：0379-64872513

Common Fault Analysis and Design Improvements of Lower Launder in SCR Copper Rod Production Line

ZHANG Weiqi

(JCC Copper Products Co., Ltd., Guixi 335424, China)

Based on the analysis of major problems existing in lower launder of SCR copper rod production line, the paper presented design improvements for the common faults; it pointed out the new lower launder generated no spatter and fewer cold shuts; on the other hand, copper rod products had the advantages of fewer inclusions, less breakage, superior quality, longer service life and lower energy consumption, thereby meeting special requirements of home and overseas customers for high-end fine and ultra fine copper wire.

lower launder; common faults; design improvements; cold shuts; high-end fine copper wire; energy consumption level

2015-02-26

張偉旗(1965-)，男，高級工程師。

TG359

B

1671-6795(2015)06-0046-04