SCR铜杆生产线下溜槽装置常见故障分析及设计改进

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西 贵溪 335424)



SCR铜杆生产线下溜槽装置常见故障分析及设计改进

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西 贵溪 335424)

通过分析SCR铜杆连铸连轧生产线下溜槽装置存在的主要问题，针对其常见故障进行分析及设计改进，新型下溜槽装置无飞溅、结冷铜少，铜杆产品夹杂、断线少、品质好、使用寿命长、成本能耗低，完全能满足国内外客户对高端铜细线及超微线的特殊需求。

下溜槽装置；常见故障；设计改进；结冷铜；高端铜细线；成本能耗水平

溜槽装置是SCR铜杆连铸连轧生产线铜液导流、调节温度和氧含量及除渣的关键设备。该装置的正常运行，对减少停机时间、稳定控制过程、改进产品质量等极为关键。江铜分别于2003年和2006年从美国SOUTHWIRE公司引进了SCR3000和SCR4500 两条铜杆连铸连轧生产线[1]。SCR生产线熔炼系统中，下溜槽装置是不可或缺的技术装备，其主要作用是在铜锭连续浇注过程中，将炉排放出的高温铜液输送至连铸中间包，再由PIN将铜液分配进入铸轮模腔中，可实现铜锭的连续浇注过程，保证生产的可靠性及铜坯的质量。

随着多头拉丝设备的普及，对电线电缆用铜导线性能和质量的要求越来越高。由于原SCR生产线下溜槽装置设计存在缺陷，致使其下溜槽流嘴、风管喷头、收集器等处结冷铜严重，牵引装置失灵，称重仪数据失真等，故该生产线产能低，产品夹杂和断线多，劳动强度高，成本能耗高，严重影响铜杆生产的顺利进行，降低了后续微细线加工的成品率。因而，针对下溜槽装置常见故障进行分析及设计改进，十分必要。

1 系统设计原理

1.1 主要结构设计

SCR炉区溜槽装置分为上、下溜槽两段，皆采用全封闭结构，使铜的损耗和热损失大大降低。其中下溜槽是从保持炉出铜水口至连注中间包的通道，主要用于铜液的升温、增氧。下溜槽整体设计为可移动式，长度为3.8m，可保证需要时将渣箱彻底排尽或清理干净，必要时方便中间包或铸造设备操作或维修作业。其外壳采用钢板焊接而成，内衬CM-2浇注料，经一次浇注烧结成整体。为减少铜水和空气的接触，保持铜水的含氧量，下溜槽由外部烧嘴和衬有耐火材料的盖子上的烧嘴加热，溜槽盖内烧嘴可为铜液提供保护性气氛，且通过调节空气与燃料的混合比率来调整铜液氧含量；其后部收集器具有除渣功能。该装置设计安全可靠，结构紧凑，安装简单，性能良好。

下溜槽燃烧控制系统由预混式烧嘴、燃气电磁阀组、燃气比例阀、助燃风机、空气电动调节阀、调节仪表及阀门检漏系统组成。为减少铜水吸入氧气，采用空气燃气比例燃烧方式，即燃气和空气在进入烧嘴前先按一定比例充分混合，通过调节仪表改变助燃空气和燃气的流量来改变烧嘴燃烧功率，达到改变铜熔化速度的目的。该系统的燃烧速度、温度、燃气和空气比例等采用CO分析仪监控，PLC控制，可根据生产现场熔铜流量调节，仅需简易操作即调节烧嘴的阀门和按钮，且可根据轧机生产状况，方便地控制铜水熔化速度，使整条SCR生产线高效稳定地生产。

1.2 主要技术要求

下溜槽对内衬耐火材料的基本性能要求是热导率低，保温性能良好；耐急冷急热，抗热冲击性良好；热膨胀系数小，正常工况下能保持外形稳定；工作温度下性能稳定，不与铜、溜槽内衬及钢壳发生反应；具有与铜的不浸润性，铜液流过后不粘铜；耐铜液的冲刷、腐蚀，表面强度、机械强度及抗热裂性良好；不吸潮，对铜液不增气；密度比铜小，能浮于铜液表面；蓄热率低，绝热性能优异；易清理，耐用性好。

当下溜槽出现底部堆积冷铜太多，耐火材料中间裂缝太大不能修补，耐火材料太薄、厚度减少1/4，流槽烘烤破损严重，下溜槽正常使用半年后等情况时，必须对其实施报废。

2 常见故障分析及优化设计

2.1 流嘴处铜水飞溅、结冷铜

(1)原设计下溜槽流嘴采用短溜槽，远离中间包烧嘴火焰，且下溜槽流嘴离铜水液面的高度差过大，难以调节(图1)，致使铜水温度偏低，氧含量波动大，易造成铜水飞溅，下溜槽流嘴和收集器处易堆积冷铜，冷铜大块集结，甚至与中间包集结，使中间包摇架维护困难，工艺设备停机时间长，维修费用高，严重影响浇注生产及产品品质。其主因是增氧风管下风量过大，导致铜液温度低，保持炉出铜口与冷铜摩擦，保持炉出铜口及下溜槽嘴处易结冷铜，中间包与下溜槽连接，导致称重失灵、数据失真等；

图1 下溜槽流嘴离液面高度差过大Fig.1 Major height difference between lower launder spout and liquid level

(2)新设计改用长溜槽流嘴，将流嘴相对延长20cm，且在下溜槽底部加装小型千斤顶，如图2所示。在调节至适宜高度后，通过加装或拆卸斜铁，在线调节下溜槽前后两端的高度。同时，整体降低下溜槽的位置，即下溜槽嘴处与中间包之间的高度减少了1～2cm，可有效缓解铜水的飞溅和流嘴处冷铜的堆积，大幅延长保持炉嘴的寿命。且通过及时清理冷铜，能减少铜液对中间包的冲击，保持中间包液位的平稳，减少对中间包摇架的使用与维护；

(3)新设计增大保持炉嘴与下溜槽的高度差5cm，使从保持炉流出的铜液落入收集器位置的中部；

(4)原设计下溜槽铜水流速慢，温度下降快，铜水流动性低，易造成铜水粘结和堵塞，经过多次试验，采用无粘结性且抗热震性好的耐火材料—碳化硅预制件。改进后，下溜槽通畅，不结铜，不堵塞，出铜前后干净；铜杆夹杂等缺陷少，成品率高；使用寿命长，期间无需维修，劳动强度低，经济效益十分显著。

图2 下溜槽底部加装小型千斤顶Fig.2 Small jack installed below lower launder

2.2 风管喷头结冷铜严重

SCR4500竖炉熔化的铜液流量远大于SCR3000，因而被迫将下溜槽增氧风管开至更大，其后果是溜槽风管下易聚结大量飞溅冷铜，不到两周即可形成块、连成片，冷铜覆盖于铜液表面，使铜液与风的接触完全隔离且无法增氧，铜液缺氧造成浇铸断锭，且下溜槽结冷铜会降低其使用寿命。

(1)设定下溜槽内CO 值低于0，即空气比例大于LPG比例，整个下溜槽6个烧嘴皆变为增氧通道且增氧均匀，其实际效果远胜于一条增氧风管。下溜槽烧嘴中的LPG气氛由此从富余变稀薄，充分燃烧后产生的热量更多，可有效提升铜液温度，因风管而造成的冷铜飞溅现象大幅减少，增氧、节能效果俱佳，可大幅提高下溜槽寿命；

(2)严控下溜槽的火力。在相同CO正值的状况下，火力越大，还原性气氛越弱；反之，火力越大，增氧能力越强。为调整铜液温度，炉区操作人员往往会调整各区域火力，而下溜槽是调节氧的重要区域，加大火力时含氧会大幅增加，减少火力时含氧则会大幅减少，因而严格控制铜液温度必须与氧相适应；

(3)技术管理措施改进。改进前，每班需在交接班前清理保持炉出铜口和下溜槽嘴处的冷铜，尤其是清理保持炉嘴冷铜，易直接导致其耐火材料的脱落，是导致其使用寿命下降的主要原因。改进后，可大幅减少以上两处的冷铜，仅需在剪切或更换系统时清理即可，节省了大量的人力。保持炉使用一个月后基本完好，保持炉出铜口、下溜槽嘴冷铜集结周期大大延长，称重不再失灵，浇铸、氧含量平稳。

2.3 收集器结冷铜严重

收集器在连注过程中的作用不可忽视。但原设计下溜槽收集器盖板存在缺陷，且保持炉嘴离下溜槽有一定距离，铜水抵下溜槽时有少许飞溅，若冷铜堆积过多，会卡住下溜槽使其不能后退，严重时必须作烧氧枪处理，且更换系统极为不便。经现场调查，冷铜易堆积于收集器出口下方，这恰好是火焰难以到达的盲区。其主因是保持炉的火焰与收集器盖板的火焰相对，火力难至底部，且火焰集中于收集器中部，与出口处距离较远，出口处飞溅的冷铜更易结块；交叉火力减小了气氛温度，影响热效能，铜水易氧化，给铜杆品质带来严重隐患，冷铜易粘附于收集器内壁，难以清理，劳动强度大。

新设计将下溜槽收集器扩宽10cm，可杜绝原设计与保持炉外冲的火力形成对阻，可减少飞溅至耐火材料上的冷铜，有效降低冷铜与保持炉的磨擦。新设计收集器盖板设有新型可调整角度的活动烧嘴，可彻底消除结冷铜问题，通过优化设计烧嘴排列方式，将火力改为平行向下的直喷，收集器火力能有效烧至底部，保持收集器内的气氛温度，防止飞溅冷铜的凝结成块，烧嘴不结冷铜最佳位置及角度，如图3所示。同时通过跟踪使用状况，及时调整烧嘴面，确保工作效能，可使结冷铜状况明显好转，更换系统时间短，生产效率高，铜水氧化少，铜杆品质高，员工劳动强度低。新型下溜槽收集器盖板使用状况，如图4所示。

图3 烧嘴不结冷铜最佳位置及角度Fig.3 Ideal position and angle for burner without generating cold shuts

2.4 牵引装置失灵

下溜槽工况十分恶劣，受高温辐射、铜水飞溅的影响，牵引电机易烧坏而失效，牵引钢丝绳会结冷铜，且启动时钢丝绳易被拉长，使溜槽动作减缓，到达不了指定位置，导致牵引装置失灵。新设计采取隔热措施，在靠近保持炉出铜口处，设置侧面挡板，且加强对牵引钢丝绳的点检与润滑。

2.5 称重仪数据失真

生产过程中，因铜液常飞溅至温度偏低的下溜槽流嘴周围，下溜槽尾部易结冷铜，致使下溜槽与中间包形成冷铜连接，导致中间包称重数据失真，补给模拟数据波动较大，造成中间包铜水液面波动较大，严重影响中间包铜水的质量；铜液流动紊乱，渣子不易上浮，严重时会造成自动浇注失灵，导致浇注液面丢失或漫出，严重影响铸坯的结晶质量，易产生夹杂、断线，必须及时进行清理。采取有效的工艺措施可降低各种夹杂进入铜杆，而有效地控制铜液温度、及时去渣，则是防止铜杆夹杂最有效的手段[2]。新设计改进下溜槽装置内部形状及材料，包括降低杂质元素的含量，提高耐火材料的热稳定性和抗冲刷性[3]，铜液流动性好、质量好，可显著提高铜杆产品成材率。

图4 新型下溜槽收集器盖板使用状况Fig.4 New collector cover in use for lower launder

2.6 下溜槽体扭曲、变形或损坏

下溜槽是采用6mm薄钢板焊接而成的钢沟槽，由于其自身强度、刚度较差，组装与焊接交叉进行，施焊空间小，焊接变形较大，且砌筑浇注料后承重量过大，吊运和安装砌筑完成的下溜槽过程中，下溜槽体易出现扭曲、变形，甚至损坏，影响下溜槽的使用性能。故在保证下溜槽铜液较大通过量的前提下，针对下溜槽钢结构进行设计改进及优化。将整个下溜槽长度进行合理分段，在钢槽外壳增设焊接加强筋、焊后进行火焰烘烤和矫正及采用科学的焊接顺序，可大幅消除焊接应力，有效防止产生开裂现象，彻底杜绝该故障的发生。

2.7 内衬浇注料严重破损

下溜槽装置设计较长、断面厚度不均匀且相差较大，其内衬采用美国进口99#耐火浇注料，供货周期长、价格昂贵，长时间使用会膨胀、结渣，铜杆易夹杂，客户质量投诉多，且修理时清理积渣较难。

选用国产CM-2替代美国进口99#耐火浇注料效果良好，浇注面光滑、坚硬，结渣较少；通过优化下流槽烘烤及升温曲线，作好炉区升温记录图，可保证下溜槽的正常作业，大幅减少下溜槽工作面的破损，减少了因铜杆夹渣而造成的客户投诉。

3 结语

生产实践证明，SCR4500下溜槽装置改进后，SCR铜杆连铸连轧生产过程控制稳定，生产效率高，铜杆产品夹杂、断线少，员工劳动强度低，且减少了因突发事故而造成的其它无形损失。

(1)改进后，SCR4500Φ8mm铜杆产能已超过原设计产能即>35 t/h，1～3级铜杆产品合格率由原来的95.57%升至97.69%，年可减少产品降级损失150余万元；

(2)新型下溜槽表面致密，耐高温铜液冲刷且不粘铜，铜液通过量大、无飞溅，保温性能良好，吸氢和成渣少，热量损耗低，污染小，有利于生产高品质的铜杆；

(3)可通过控制CO量，来控制空燃比，进而控制下溜槽装置内的气氛，LPG充分燃烧后会产生更多的热量，有利于提高铜液的温度，增氧、节能效果更为显著；

(4)新型下溜槽装置设计灵活、操作简单、维修便利，可减少临时更换保持炉嘴的次数，节省切割下溜槽支架和清理冷铜时间6～10h/次，年可节约10余万元；

(5)新型下溜槽装置寿命长，国产CM-2浇筑料砌筑成本低，年可节约耐火材料费用近6万元；LPG消耗小，铜杆吨耗总成本低；不合格品率少，年可节约30余万元；而整个改进项目仅耗费0.3万元；

(6)新型下溜槽完全能满足国内外客户对高端铜细线及超微线的苛刻要求。

[1] 张伟旗.SCR铸轮技术装备创新与机械故障的控制[J].特种铸造及有色合金，2012，32(3)：274-276.

[2] 彭云.光亮铜杆的质量控制[J].电线电缆.1999，(4)：12-16.

[3] 刘富国.齐增生.冯祥轶.铜杆质量对再拉断线的影响[J].有色金属加工.2010，39(4)：10-12.

[4] 杨建平.李贤.李晓燕等.预制块铝液溜槽的结构设计、制作及应用[J].有色设备.2014(6)：46-49.

《有色加工动态》简介

《有色加工动态》是洛阳有色金属加工设计研究院主办，《有色金属加工》编辑部主编的内部资料性质的月刊。内容包括有色金属(铝、镁、铜为主)加工行业的国内外动态新闻，为文摘性质，源自互联网、各报刊杂志及行业内专家和院内专业人员的投稿。主要分为政策法规、行业动态、企业新闻、项目信息、产品应用等板块，供广大业内人士阅读参考。

联系电话：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

张伟旗(1965-)，男，高级工程师。

TG359

B

1671-6795(2015)06-0046-04