淺談提升紫銅水平連鑄質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本的方法

薛高民

(上海海亮銅業(yè)有限公司，上海 201412 )

2012年10月底之前，上海海亮銅業(yè)有限公司水平連鑄采用的是40t連體爐、三流連鑄、低速(最高220mm/min)連鑄工藝，紫銅盤管綜合成材率只有75%，探傷主要缺陷為 “鋸齒型線缺”，此缺陷主要原因?yàn)殂~錠表面裂紋和內(nèi)部氣孔質(zhì)量問題。石墨模具使用壽命較低，單只產(chǎn)量最多時(shí)僅有40t，平均不到兩天更換一付模具，而且極不穩(wěn)定，直接影響了銅錠的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。為此，成立了項(xiàng)目組，對(duì)上述問題進(jìn)行立項(xiàng)攻關(guān)。

1 改進(jìn)措施

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于石墨模具使用壽命短，更換頻繁，在新模具剛開拉的前三刀和模具壽命結(jié)束前的數(shù)刀(不確定)，銅錠質(zhì)量問題較多。主要表現(xiàn)為銅錠表面裂紋和剛開拉時(shí)的銅錠晶粒粗大；由于木炭、電解銅的干燥度不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致銅錠基體產(chǎn)生氣孔質(zhì)量問題。因此，提高石墨模具的使用壽命即可減少銅錠表面裂紋；管理好木炭、電解銅的干燥度即可減少銅錠的內(nèi)部氣孔，從而提升銅錠的質(zhì)量和紫銅盤管的綜合成材率，也可以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。項(xiàng)目組通過對(duì)影響石墨模具使用壽命、銅錠質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查，進(jìn)行原因分析，制訂改進(jìn)對(duì)策，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

1.1 水冷套的維修改造

現(xiàn)場(chǎng)水平連鑄冷卻系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水平連鑄冷卻系統(tǒng)裝配示意圖Fig.1 Assembly diagram of horizontal continuous casting cooling system

水冷套從2007年使用至2012年10月，基本上不同程度的出現(xiàn)了內(nèi)外套焊點(diǎn)開裂和端面法蘭腐蝕(有孔洞出現(xiàn))，嚴(yán)重影響了銅套的冷卻效果，導(dǎo)致銅錠表面裂紋的產(chǎn)生，也會(huì)由于密封槽邊腐蝕導(dǎo)致密封圈過早被高壓水沖斷失效，模具非正常報(bào)廢。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的水冷套端面法蘭材質(zhì)是普通碳鋼，易腐蝕，壽命短，我們維修時(shí)用不銹鋼材質(zhì)代替，5年來，此問題沒有再出現(xiàn)。

1.2 冷卻水質(zhì)的改善

紫銅水平連鑄的冷卻水一直用自來水，CaCO3含量達(dá)160mg/L以上，水質(zhì)太硬，冷卻水在冷卻銅套表面時(shí)由于溫度升高(約55℃)會(huì)在銅套表面產(chǎn)生水垢集結(jié)，水垢多了會(huì)導(dǎo)致銅套冷卻效果降低，從而導(dǎo)致銅錠表面裂紋出現(xiàn)。為此，公司購(gòu)置了軟化水設(shè)備，經(jīng)過此項(xiàng)改造，冷卻水的CaCO3含量控制在10mg/L以下，從使用過的銅套表面可以看出(圖2)，冷卻水未軟化前的銅套表面有厚厚一層水垢，冷卻水軟化處理后的銅套表面光潔如初。冷卻水質(zhì)變好，模具使用壽命提升、銅錠的表面裂紋減少。

圖2Fig.2

1.3 設(shè)備調(diào)整

(1)連鑄爐水平的調(diào)整

設(shè)備是銅錠質(zhì)量的保證，由于水平連鑄工序人員變化，現(xiàn)有調(diào)整爐子水平的技術(shù)工人經(jīng)驗(yàn)不足，一段時(shí)間內(nèi)銅錠表面裂紋質(zhì)量問題較多，最多時(shí)，每天更換一套模具，損失很大。我們請(qǐng)來供應(yīng)商工程師，對(duì)所有爐子進(jìn)行了水平調(diào)整，同時(shí)對(duì)爐子技術(shù)工人進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)。工段為此制定了爐子水平調(diào)整制度并嚴(yán)格執(zhí)行，幾年來，設(shè)備運(yùn)行良好，銅錠質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)成本降低。

(2)增加一次冷卻水進(jìn)水、出水溫度監(jiān)測(cè)功能

一次冷卻水進(jìn)水、出水溫度是水平連鑄非常重要的一個(gè)參數(shù)，控制出水與進(jìn)水溫度來控制冷卻銅錠的效果。之前沒有這個(gè)理念，完全靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)。為此，我們?cè)谝淮卫鋮s水進(jìn)水和出水管路上安裝測(cè)溫表，調(diào)整水流量要參考出水、進(jìn)水溫度，控制出水、進(jìn)水溫差在15℃左右。

(3)牽引機(jī)減速機(jī)的修復(fù)和更換

牽引機(jī)長(zhǎng)期使用使減速機(jī)內(nèi)齒輪的咬合間隙變大，鍵及鍵槽磨損，導(dǎo)致工藝設(shè)置的“退程”不起作用，無法滿足工藝要求，無法保證銅錠質(zhì)量穩(wěn)定。我們及時(shí)外委修復(fù)了部分減速機(jī)，無法修復(fù)的更換新的減速機(jī)。修復(fù)和更換的減速機(jī)牽引機(jī)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足工藝要求。

1.4 引錠頭的修復(fù)和更換

引錠頭經(jīng)過長(zhǎng)期使用，與銅液接觸的頭部已經(jīng)開裂并出現(xiàn)毛刺，在與模具裝配時(shí)很容易劃傷石墨模具芯棒表面，導(dǎo)致銅錠內(nèi)壁拉道，從而引起模具的非正常報(bào)廢。找到原因后，我們逐個(gè)檢查，輕微開裂的進(jìn)行機(jī)加工修復(fù)，開裂嚴(yán)重的直接報(bào)廢更換新的，并把引錠頭的點(diǎn)檢納入工序管理。

1.5 引錠桿的更換

在引錠桿與引錠頭裝配的過程中發(fā)現(xiàn)，個(gè)別引錠桿在牽引機(jī)壓輪壓緊時(shí)會(huì)出現(xiàn)上翹或下翹，導(dǎo)致銅錠不能水平拉鑄，產(chǎn)生銅錠質(zhì)量問題。檢查發(fā)現(xiàn)是引錠桿的直度無法滿足使用要求，引錠桿的壁厚偏小、易變形引起的，因此在申報(bào)新引錠桿時(shí)加大了鋼管的壁厚，由Φ90mm×8mm改為Φ90mm×10mm。幾年來，沒有再發(fā)生因引錠桿變形引起的銅錠質(zhì)量問題。

1.6 一次冷卻水供水系統(tǒng)的改造

原來，單支銅錠一次冷卻水供水系統(tǒng)的最大流量設(shè)計(jì)為2500L/h,在夏季氣溫最高時(shí)會(huì)出現(xiàn)冷卻能力不足的現(xiàn)象，造成銅錠表面裂紋。同時(shí)，由于拉鑄速度大幅度提高(最高速度從220 mm/min提高到350 mm/min)，連鑄時(shí)銅錠的冷卻能力需要加強(qiáng)。因此，設(shè)計(jì)、制作并更換了一次冷卻水供水系統(tǒng)，單支銅錠一次冷卻水流量由原來的2500L/h增加到4000L/h，這樣滿足了高速拉鑄和夏季的生產(chǎn)需要。

1.7 降低冷卻水溫改造

原來的一次冷卻水冷卻能力在夏季最熱時(shí)不能滿足連鑄冷卻需要，冷卻池水的最高溫度達(dá)到42℃，往年的應(yīng)急辦法是天天加冰冷卻。我們對(duì)此進(jìn)行改造，把1臺(tái)閑置的冷卻塔并聯(lián)到冷卻水系統(tǒng)中，冷卻能力增加了約20%，冷卻水的最高溫度也由原來的42℃降低到了34℃，滿足了連鑄冷卻需要(經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示冷卻水最高溫度適宜控制在38℃左右)。幾年來，沒有因冷卻水溫過高引起銅錠表面裂紋的質(zhì)量問題。

1.8 導(dǎo)套的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在生產(chǎn)過程中偶爾發(fā)現(xiàn)個(gè)別銅錠內(nèi)孔早期拉道，而且只是一個(gè)地方拉道，分析認(rèn)為這種拉道與人工裝配引錠頭時(shí)只靠經(jīng)驗(yàn)裝配有關(guān)，裝配時(shí)引錠頭頭部的邊角處劃傷了模具的芯棒。為此，設(shè)計(jì)了裝配引錠頭時(shí)使用的導(dǎo)套(圖3)，導(dǎo)套的使用杜絕了人為因素，早期拉道現(xiàn)象基本解決。

圖3Fig.3

1.9 室外冷卻水池水位的報(bào)警設(shè)計(jì)與應(yīng)用

長(zhǎng)期以來，室外冷卻水池水位高低的控制是靠員工的經(jīng)驗(yàn)去調(diào)節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)補(bǔ)水、停水等問題。操作工忙時(shí)忘記補(bǔ)水，水位下降太多，冷卻水溫上升，導(dǎo)致產(chǎn)生銅錠表面裂紋質(zhì)量問題和安全隱患；或忘記關(guān)水，水位太高，水倒流進(jìn)入爐子地坑引起電器短路、冷卻水源污染、浪費(fèi)等。為此，我們特別設(shè)計(jì)應(yīng)用了水位報(bào)警裝置，及時(shí)提醒操作工保持水位平衡，保證連鑄生產(chǎn)安全、水溫穩(wěn)定及銅錠質(zhì)量。

1.10 木炭倉(cāng)庫(kù)的建造

水平連鑄用木炭的原存放位置容易被雨水浸入，受潮的木炭?jī)H依靠使用前在爐子旁烘干，不能達(dá)到工藝要求的干燥度，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生銅錠基體氣孔質(zhì)量問題。為此，專門建造了木炭專用倉(cāng)庫(kù)，從根本上保證了木炭的干燥度，減少鑄錠氣孔。

1.11 電解銅表面的風(fēng)干

由于散裝運(yùn)輸?shù)碾娊忏~來料表面不同程度有潮濕，尤其是下雨天運(yùn)來的散裝電解銅表面都是雨水，原來存放方式為水平放置，雨水流不出來，僅依靠在熔化加料前在爐口上烘干，不僅效率低而且有安全隱患(雨水滴入銅液中引起爆炸)，不干燥的電解銅水分進(jìn)入銅液中會(huì)引起銅錠基體氣孔質(zhì)量問題。我們對(duì)此種電解銅采取了空水措施，提前把一個(gè)班用量的電解銅在地面軌道上豎立放置空水，同時(shí)，把吊到爐臺(tái)上待用的電解銅豎立放置，用大功率風(fēng)機(jī)吹干(圖4)，加料前在爐口烘干正常進(jìn)行，這樣保證了電解銅表面的干燥度，減少了銅錠基體氣孔的產(chǎn)生。

圖4Fig.4

1.12 面板編號(hào)與維修

因?yàn)槊姘鍢?biāo)識(shí)不清曾出現(xiàn)過面板裝錯(cuò)導(dǎo)致模具損壞的問題。為此，我們?cè)诿姘迳线M(jìn)行醒目編號(hào)，確保不再出現(xiàn)類似的錯(cuò)誤。另外，由于長(zhǎng)期使用，面板正反端面(與水冷套配合面、與爐口配合面)有少量變形，與爐口和水冷套裝配達(dá)不到要求精度，改變了拉鑄中心線，造成銅錠表面裂紋、非正常退換模具，產(chǎn)量減少，成本增加，經(jīng)過外委維修加工后此原因已消除。

1.13 石墨模具管理新思路

用使用數(shù)據(jù)指導(dǎo)公司石墨模具的采購(gòu)方向和數(shù)量，用數(shù)據(jù)指導(dǎo)供應(yīng)商改進(jìn)方向。公司建立了石墨模具使用情況的月度質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析制度，分析報(bào)告上報(bào)公司相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)的同時(shí)也發(fā)給相關(guān)供應(yīng)商。在統(tǒng)計(jì)分析中，講明了各供應(yīng)商石墨模具的使用壽命數(shù)據(jù)和失效形式，指出了各自的優(yōu)點(diǎn)、不足以及改進(jìn)方向。同時(shí)，我們也確定了次月石墨模具的主要供應(yīng)商，使用最好的石墨模具，給有改進(jìn)潛力的供應(yīng)商以機(jī)會(huì)，通過此項(xiàng)動(dòng)態(tài)管理，性價(jià)比最好的石墨模具在我公司大量使用。在使用過程中發(fā)生的石墨模具質(zhì)量問題，通過電話及書面投訴方式及時(shí)與供應(yīng)商進(jìn)行溝通、交流。

1.14 兩流高速連鑄工藝的創(chuàng)新試驗(yàn)

經(jīng)過試驗(yàn)策劃準(zhǔn)備，公司從2012年11月17日第一臺(tái)爐子開始，由三流低速改為兩流高速水平連鑄試驗(yàn)(封住面板中間的孔，見圖5)，12月1日擴(kuò)大到2臺(tái)爐子試驗(yàn)，12月6日擴(kuò)大到3臺(tái)爐子試驗(yàn)，2013年1月擴(kuò)大到全部5臺(tái)爐子試驗(yàn)。

兩流高速水平連鑄試驗(yàn)工藝參數(shù)，(1)保溫爐溫度1145±5 ℃；(2)連鑄工藝(正常連鑄階段)，拉速330～350mm/min，引程7.5～9.5mm，引速15～25mm/s，(引)停止0.6～1.0s，退程0.4～1.5mm，退速15～25 mm/s，(退)停止0.2～0.4s；(3)一次冷卻水流向，按“外進(jìn)里出”方式；(4)一次冷卻水水壓≥0.4 MPa，出水、進(jìn)水溫度差控制在15℃；(5)二次冷卻水水流量1500～2000L/h。

圖5Fig.5

2 改進(jìn)成果

2.1 鑄錠質(zhì)量穩(wěn)定提升

(1)兩流高速連鑄銅錠的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于三流低速連鑄銅錠的表面質(zhì)量，表面光滑，表面裂紋大幅減少；(2)兩流高速連鑄銅錠晶粒度明顯細(xì)化于三流低速連鑄銅錠晶粒度(圖6)；(3)銅錠基體氣孔減少，表現(xiàn)在成品渦流探傷發(fā)現(xiàn)的“鋸齒線缺”逐步減少，2012-2016年，7mm紫銅內(nèi)螺紋管百公斤傷點(diǎn)數(shù)由3.8個(gè)逐步下降到2.0個(gè)；(4)紫銅盤管綜合成材率，2012-2016年，由75%逐年提升到86%。

圖6Fig.6

2.2 水平連鑄月產(chǎn)量增加

更換石墨模具的周期由原來的不到2d換一次，減少到現(xiàn)在的4d～5d換一次，爐子連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間增加，更換模具保溫時(shí)間減少，爐子月產(chǎn)量增加。 2012年12月份，連鑄3臺(tái)爐子產(chǎn)量創(chuàng)下歷史新高，合計(jì)達(dá)到4033t，單臺(tái)爐產(chǎn)量達(dá)1344t，比試驗(yàn)前單臺(tái)爐平均1100t增加244t，增加22.18%。

2.3 噸能耗下降

2011年?duì)t子能耗平均為368度/t，2012年12月份熔鑄3臺(tái)爐子平均能耗為324度/t，比2011年平均噸能耗下降12%。

2.4 石墨模具使用壽命提升，成本下降

2013年1～6月份，兩流高速連鑄的單只模具壽命平均97.07t/只，是原三流低速連鑄單只模具壽命(約40t/只)的2.43倍。每月按5400t產(chǎn)量計(jì)算，前者需要55.62只模具，后者需要135只，相差79.38只，月成本節(jié)約79.38×1150=91287元，年節(jié)約成本109.5萬元。

2013年5月，此項(xiàng)目經(jīng)公司主管部門驗(yàn)證，確認(rèn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 改進(jìn)中的思考及水平連鑄發(fā)展實(shí)踐

(1)工藝改進(jìn)與裝備改造

兩流高速連鑄試驗(yàn)的成功，奠定了工藝基礎(chǔ)，為提高產(chǎn)量打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同樣道理，三流拉鑄也可以高速拉鑄，只要熔化能力跟得上。2013年10月底第一臺(tái)爐子改造完成，截至2017年8月底，公司已經(jīng)對(duì)3臺(tái)爐子進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)熔化能力由原來的40t/d，改造升級(jí)后熔化能力達(dá)到60t/d，實(shí)現(xiàn)了三流高速拉鑄目標(biāo)。

(2)鑄錠質(zhì)量現(xiàn)象與裝備升級(jí)

在上述項(xiàng)目改進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連鑄過程中銅錠表面出現(xiàn)裂紋，調(diào)整工藝參數(shù)無效，決定退換模具不再加入電解銅時(shí)，銅錠表面的裂紋卻消失了，如果再繼續(xù)加入電解銅又會(huì)再出現(xiàn)銅錠表面裂紋。分析此現(xiàn)象，筆者認(rèn)為在石墨模具使用壽命到達(dá)一定程度時(shí)，保溫爐銅液液面的微小變化都會(huì)產(chǎn)生銅錠的表面裂紋，這個(gè)問題在目前使用的連體爐結(jié)構(gòu)無法解決，而理論上兩熔一保的分體爐結(jié)構(gòu)可以解決此問題。

經(jīng)過對(duì)兩熔一保分體爐(高速連鑄)的綜合論證，認(rèn)為此設(shè)備保溫爐液面穩(wěn)定，可以增加石墨模具壽命，穩(wěn)定銅錠表面質(zhì)量。同時(shí)，因熔化爐有靜止時(shí)間，可以減少銅錠雜質(zhì)含量和銅錠基體氣孔，公司于2015年底新購(gòu)置了1臺(tái)兩熔一保分體爐(替換原有的1臺(tái)連體爐)。運(yùn)行實(shí)踐證明，同樣批次的石墨模具在此爐子上使用，單只石墨模具壽命平均達(dá)130t左右(連體爐正常在100t左右)。當(dāng)然，其它的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)也顯現(xiàn)出來，如銅錠的晶粒度明顯細(xì)化于連體爐，相關(guān)的比較需要另外討論，本文不再探討。