SCR型铜杆生产线竖炉故障分析及控制

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司， 江西 贵溪 335424)

燃气竖炉最早与美国南方线材公司(SOUTHWIRE)开发的连铸连轧铜杆生产线设备配套使用生产铜线杆，现已成为国内外铜加工行业不可或缺的主要热工装备。SCR型燃气竖炉仅是一种熔铜设备，而非精炼设备，其采用分批进料、连续熔化方式，不能用来氧化、造渣及还原，也是铜加工行业能源、材料消耗最大的生产环节，熔铜速率、吨铜能耗是燃气竖炉两个最基本的能力指标。尽管SCR熔化技术目前在世界上领先，但其在炉型结构、燃烧系统、热能利用、耐火材料、热工检测、环境保护及控制系统等方面仍有不足之处，导致产品综合能耗高、环境污染及产品存在缺陷等诸多问题，其熔铜工艺及设备具有一定的局限性。

江西铜业集团铜材有限公司分别于2003年、2006年引进了美国南方线材公司SCR3000/4500型连铸连轧铜杆生产线，设计熔铜速率分别为25 t/h、35 t/h。SCR3000试生产期间，因竖炉熔化燃烧过程机理复杂，运行工况变化频繁，影响产品质量因素多且复杂，若操作调整、维护保养不当，易引起生产不稳定，竖炉故障率居高不下，“卡炉”、“回火”现象时有发生，吨铜能耗高，炉龄短，产品易出现疏松、气孔、夹杂、夹渣等缺陷，无法满足生产高端铜细线、超微铜线产品的苛求，严重制约了竖炉产能的进一步释放，严重影响了生产的顺行，成为生产技术的“瓶颈”[1]。因而针对SCR燃气竖炉故障及控制进行技术分析及研究，意义重大。

1 SCR型燃气竖炉热工过程分析

SCR3000/4500型燃气竖炉是典型连续式高温熔铜设备。从热工的角度分析，在设计容量相同的前提下，圆筒形竖炉与矩形竖炉相比，炉内体积更大，炉子容积热强度更大，小时吨铜熔化率更高，且炉型结构便于安装燃烧器，有利于组织合理的炉内气流流动，热交换效率更高，吨铜能耗更低。采用炉顶加料口加料方式，可缩短装料时间，实现快速装炉操作，提高装料作业率。

竖炉检修完毕，开炉前需预先将炉内铜原料码成圆柱状料柱直至加料口；开炉生产后，烧嘴高温火焰直接喷射至炉内铜原料，将料柱熔化成铜液；铜原料从加料口缓慢下降过程中，高温烟气在烟囱效应的作用下逆铜原料流向上升，与料柱充分换热后由炉顶排出，热量利用充分，节能降耗效果显著；烟气温度由炉底的约1 200 ℃降至加料口的约400 ℃，加料口作为补新风口，最终排烟温度降至约300 ℃[2]；通过持续预热、熔化料柱，在炉底会形成一股连续的铜液流，铜液在重力作用下，汇入炉底斜坡从出铜口流出。铜液在炉内滞留时间短，难以提温，向炉壁热传导也较少，热损失少。

加料时，铜原料凭借自重滑入竖炉内，落至料柱顶部，可持续补充、维持料柱，连续供应铜液自流入上溜槽、渣箱等，故成本能耗低。随着炉内料柱的熔化，料柱往炉底移动时，靠近炉壁处被熔化生成熔体，料柱形成“铅笔”形，生产时维持该“铅笔”形料柱，对稳定炉况、提高炉子热效率极为关键。为判断料柱的形状，可随时通过各个烧嘴观察孔进行观察。但因炉内难以形成微还原气氛，铜液含氧量及化学成分较难控制，难以保证杆线成分和氧含量均一。

竖炉燃烧系统采用燃料和空气预先混合，通过各阀组的一系列精准调节和PLC控制系统使空燃比达到最佳及CO可控，使竖炉中的CO达到较低水平，且保证燃烧系统具有微还原性，铜液中氧含量少，对耐火材料腐蚀小，可最大程度确保产品品质。但其预混燃烧机理复杂，燃气压力、空气涡流、喷火状况、燃料性质及燃烧规律等影响因素多且复杂，运行工况变化频繁，易导致竖炉故障频发，生产不稳定。炉内加料过程和料位由设在竖炉加料口的摄像头实时监控，炉内液位由闭路电视监控。CO分析调节系统可在线检测和分析燃烧烟气成分，实现燃烧系统的火力及氧含量的自动控制，可连续调节烧嘴空燃比，灵活控制炉内燃烧气氛，及时调控竖炉熔铜速度。竖炉停开炉极为便利，开炉后1 h即可供流，关闭后1 min即可停炉，生产组织安排十分灵活，可广泛应用于铜连铸生产，连铸板坯和线杆质量稳定[3]。

从竖炉熔铜过程分析不难看出，其装料、熔化、升温及后续保温各阶段热负荷的需求状况及热传导方式差异很大，唯有针对以上特点，加强竖炉故障分析及过程控制，方能实现SCR型燃气竖炉的最优化效果。

2 SCR型燃气竖炉故障分析及控制

2.1 “卡炉”、“回火”现象

竖炉作业过程中，以“卡炉”危害最大，但完全可控。有时铜原料投料零乱，且竖炉各层火力未及时根据铜原料的变化而适当调整，会引起各区域熔化速度不同步，当铜原料直径>过渡区域直径时，会悬挂于径缩过渡区的耐火材料上，且炉内形成局部电解铜烧空，产生“卡炉”现象，会引起铜液温度突然升高，氧含量波动大，易导致铸造缺陷及危害设备，使熔化速度骤降，浇铸速度降低，炉龄减短，甚至停炉。应提高“卡炉”的预见性，保持平稳投料和合适配比回料，灵活采用各种燃烧操作法，适时调整各区域的火力、CO值等，即使“卡炉”结束后，也需适时调整各区域的火力、CO值。

生产过程中，若总管的火力太小、烧嘴管子堵塞、蝶阀部分关闭、空气- 燃料混合物流量突然中断等，都易导致烧嘴回火。实际生产中，使用贵冶牌阴极铜产生“回火”的次数要远多于哈萨克铜业公司阴极铜，而且哈萨克铜业公司阴极铜使用小火力也可满足熔铜速率的需要。“卡炉”结束时，随着铜原料的熔化下滑，会不时撞击竖炉内的耐火材料，途经烧嘴前易瞬间靠近堵塞烧嘴而引起频繁“回火”，导致烧嘴冷却水套鼓包，安全防爆膜爆炸次数多，备件消耗多，且停炉停产频繁，对生产极为不利。

“卡炉”、“回火”现象是燃气竖炉内部故障的综合反映，它表明竖炉燃烧性能已改变，有时可预告其事故性损伤，在某种程度上也反映了竖炉的使用、维修及保养状况，是简单而有效的故障诊断方法及依据之一。长期实践证明，外方专家提供的上小下大的“正三角形烧炉”单一操作法难以适应铜原料复杂和工况多变的苛求，为确保出铜口铜液温度足够和铜液畅通无阻，需根据炉况的不同而改变燃烧操作法，灵活运用中间小、两头大“哑铃式”或“倒三角”、“正三角形烧炉”等多种燃烧方式，可大幅减少“卡炉”、烧嘴“回火”次数，竖炉损耗小[4]。

2.2 炉口衬板烧损变形及斜板坠炉

2.2.1 炉口衬板烧损、变形

竖炉炉壳上部设有加料口，加料段的内、外钢衬板在使用过程中，易产生烧损、变形，导致无法继续使用。可整体割除烧损、变形的内外钢衬板，按设计图纸技术要求，将预先加工好的内外衬板进行现场拼焊。

2.2.2 炉口斜板坠入炉内

竖炉炉口斜板原采用普通钢板制作、普通焊条焊接，焊缝强度较低，且原设计未设有效的防护措施，易形成事故隐患。炉口温度高，反复停、开炉易使炉口斜板变形大、焊缝开裂，一旦炉口斜板脱焊掉入炉内，铜液中的铁含量会严重超标，需被迫连续剪切废锭2天，经济损失巨大。选用锅炉钢取代普通钢板制作炉口斜板，具有焊接性能良好、变形小及一定的耐高温强度、耐氧化性能；选用506焊条取代原普通焊条，炉口斜板焊缝抗裂性能良好；增设斜板防护挂耳且靠炉内侧加焊顶块，炉口斜板不再脱焊坠炉。

2.3 炉墙破损、烧穿及耐火材料脱落

竖炉长期高温大风量生产，对炉体结构稳定性和耐火材料寿命影响极大。熔化过程中，受原设计影响，加料时铜板等原料落点偏前，砸至砖块上部，炉墙及耐火材料长期受到撞击、冲刷及侵蚀，耐火砖仅用2个月即会脱落，炉墙内衬砖因磨损变薄，炉墙因冲刷形成凹坑，被迫多次停炉修补。竖炉内部铜板烧得太低时，会导致加料口正对面的锁砖部位掉砖多，严重影响生产的顺行及炉龄，一旦炉墙严重破损或烧穿时，易引起竖炉坍塌等重大事故，后果相当严重。

可设计增大加料小车斜面，将铜原料倾倒角度改为36°，使铜原料落点靠后至炉体的中心线上，对炉墙及耐火材料的撞击锐减；适当改进和优化耐火砖结构尺寸，使用大规格耐火砖取代小规格耐火砖；严格执行操作技术规程，加强对叉车加料环节的控制，避免因烧空竖炉添加铜原料而造成对竖炉炉砖的冲击；加大对竖炉出铜口、溜槽系统的巡检力度，必要时更换耐火材料。

2.4 铜砖支撑板烧损或断裂

铜砖支撑板烧损后，铜砖重量完全由连接螺杆承受，因受电铜的冲击和高温的影响，铜砖变形下坠挤压下面的锁砖，造成锁砖脱落，严重时炉口被抬高，加料时料斗出现卡斗，严重影响竖炉的安全运行。应急处理时，可临时补全烧损区钢板，但二次烧损脱落风险较大；从长期安全着想，需利用停炉时间将烧损区支承板整块割除，更换新加工法兰整板更为妥当。

若渣箱、中间包的浮渣量突然增多且呈黑色泡沫状时，则与铜砖支撑板及铁块掉入竖炉后铜水中铁超标有关，可明确判断为铜砖支撑板发生断裂事故。

出现铸机浇注流量不稳定、铜液流速明显下降、降速效果不良、流量跟不上等问题时，应立即排查叉车加料情况、上料小车或铜砖支撑板结构有无缺损、铜砖情况是否空架及螺杆紧固情况等，若确认发生竖炉铜砖支撑板及铁块掉入竖炉事故时，应作如下处理：立即低速浇注、剪切废锭，且根据铜液流量来控制速率和铜液温度，取中间包内铜水样及铸锭金相样送质检中心，检测铁成份是否超标；快速(连续捞渣、加磷铜或外溢)处理渣箱、收集器和中间包内的浮渣，并疏通浇管；待铜液流量稳定后，再次检查保持炉、渣箱及中间包的积渣状况，确保清理干净，在稳定生产速率后恢复生产；恢复生产期间，应保持对缺损部位的跟踪，防止状况恶化，且根据处理意见决定生产状态。

2.5 出铜口堵塞

竖炉作业的重要要求是任何时候皆应保持出铜口铜液流动顺畅且干净，以防止下面一排烧嘴被铜液淹没而堵塞。易产生铜粉覆盖致使铜液缺氧、产生浇注断锭等严重后果，甚至堵塞出铜口的状况包括：高火力加热前，炉子未充分预热；投料凌乱，铜细线直径过小；部分熔化物料或其它物料悬挂在出铜口；出铜口有难熔物质；炉渣堆积等。

为防止铜液在生产过程中二次污染，应加强对铜原料管理、加料斗管理及炉口检查等，特别是要把好铜原料加料关，做到合理科学配比，实行定人、定时和定量控制，采用小批量、多批次投料，严禁添加非铜物料，如削边料中夹有施工遗留的水泥块、烟囱钢结构件脱落、竖炉加料平台焊接件铁板抖落入竖炉内、铜砖固定螺栓脱落及加料斗内混有铁器等，避免发生竖炉出铜口堵塞烧嘴铜液倒灌、中间包浇铸口SPOUT堵塞变小、铜液中铁严重超标等大型事故。

一旦出铜口堵塞，要及时进行清理且采取相应的补救措施，即降低上面几排烧嘴的火力，提高下面几排烧嘴的火力，若可行的话也可在溜槽中进行；预热时间要充分，以保证溜槽和出铜口是热的；查寻堵塞物，立即作烧氧枪处理，熔化堵塞物。

2.6 炉壳、烟囱烧红或烧穿

竖炉整体结构经过多次灌浆，但炉壳及烟囱部位仍易烧红、跑风、冒火，随着燃烧温度的提高，燃烧室压力升高，膨胀加剧，炉墙外侧不能抵挡炉内高温炉料的热负荷冲击，导致炉壳及烟囱产生烧红、变形甚至烧穿，会引起炉内气流的分布不均，进而影响竖炉产能和铜液质量，也严重影响竖炉的安全生产及炉龄。

竖炉密封性较好，通常难以知晓竖炉内部炉墙的实际工况，可使用Raytek手持式红外测温仪检测铜砖部位的温度，且关注超过500 ℃的状况，再根据炉壳发红现象进行综合判断，该测温仪具有响应时间快、非接触、操作简单、使用安全及寿命长等优点。

2.7 竖炉烧嘴总成故障

2.7.1 烧嘴、回火过滤器堵塞

飞溅的铜渣和铜液、脱落的耐火材料、断裂的原料材料或来自堵塞出铜口的铜液倒灌等，会导致烧嘴部分或完全堵塞。若出铜口保持加热和打开，部分烧嘴堵塞或关闭，炉子仍可正常运行时，可根据烧嘴堵塞程度确定必要的补救措施，即烧嘴堵塞较轻时，可利用烧嘴上的“气密切断”手动蝶阀消除；烧嘴严重堵塞时，应关闭部分烧嘴蝶阀，以改变火焰的特征和长度，熔化部分堵塞物；关闭烧嘴蝶阀、烧嘴，拆卸烧嘴管路上的窥视镜，用棍子敲下堵塞物；拆卸烧嘴管道，作烧氧枪处理，熔化掉堵塞物；保持下面一排烧嘴的出口压力≥35 cm水柱[注]1 cm水柱=98.066 5Pa。

因受条件限制，江西铜业集团铜材有限公司原来一直使用石油液化气(LPG)，油气成份复杂，含焦油量高，且现场灰尘大，易堵塞烧嘴回火过滤器，对竖炉内铜原料的熔铜速率影响极大。该公司于2015年底实施了液化天然气(LNG)改造工程，新的优质清洁能源油污极少，可有效地改善环境，提高空气质量，减轻大气污染；每天应坚持对比各烧嘴压力，若发现个别烧嘴压差过低时，可在更换大系统如铸轮、中间包、钢带时，更换回火过滤网；烧嘴堵塞较多时，可有计划地分批进行更换，以确保竖炉始终处于正常运行状态。

2.7.2 烧嘴冷却水套鼓包

尽管SCR3000型与SCR4500型竖炉结构类似，但却极少发生水套鼓包现象，其主因是SCR3000型的各烧嘴火力远小于SCR4500型，其烧嘴“回火”时水套内腔壁吸热也远小于SCR4500型“回火”产生的热量；因竖炉烧嘴冷却水流回水池水管处皆设有截止阀，SCR4500型“回火”时冷却水套内瞬间会产生大量高温高压水蒸气，若因出口阀门开口过小或淤泥堵塞而无法完全泄压，水套内腔壁既受到“回火”高温燃烧的影响，又会因局部缺水而烧红软化，促使内腔壁向内变形鼓包。针对这种现象，应严禁调节竖炉回水管阀门，且保持阀门全开，同时将工艺回水管道全部改为不锈钢制作，以使得水蒸气得以完全泄压，回火对冷却水套破坏减少，再无鼓包现象发生。

2.8 回火器和防爆片炸裂

对多次点炉、拆开回火器和烧嘴，利用废布在炉口燃烧实验等措施进行分析，发现造成绿色、紫色回火器炸裂的主因是C排以上形成“锅盖”，炉内燃烧气氛上行受阻，导致回火器和防爆片炸裂；而“锅盖”成因主要是C5水冷套管内部有3个砂眼漏水，停炉后吹扫过程中，由于被汽化的水蒸汽比空气的比热大，冷却过程中带走热量更多，散热速度快，C排以上一些已熔化的铜在吹风时下落，下落至C排以上立即凝固，因此堵塞气体上行的缝隙，加之炉内上部电铜的重力作用，使得C排以上电铜形成一层密封严实的电铜块，即形成“锅盖”；点炉过程中，将易燃的废布、木块丢进炉口后，未见明显火焰、气流上升，则说明炉内气氛上升受阻。

月修中应重点关注回火器滤网的清洗、安装情况，对滤网片不好安装的，要对底盘进行攻丝，以免松脱造成防爆片爆炸；要利用月中更换系统的机会清洗回火器，且根据各烧嘴压力情况适时更换干净的回火器；水冷套管变形较多时，应排查、更换回火器；确认炉区各烧嘴处是否有冷铜，若冷铜距烧嘴较近，宜先用大火烧融，确认后再停炉吹风冷却；做好漏风、漏水等管道密封工作；后期要将各烧嘴冷却水一律开至最大，更换使用状况不良的蝶阀和不带钢丝的软管。

2.9 安全防爆膜爆炸

安全防爆膜是第二道防回火安全屏障。试生产期间，因工艺技术不成熟，且烧嘴回火过滤网内干性、油性脏物多，易堵死竖炉烧嘴，“回火”现象时有发生，烧嘴回火过滤网夹套易从回火底座内蹦出，其故障主因是底座频繁回火、温度增高而产生反复变形(不锈钢滤网片重复使用或多次回火后，强度明显降低，需及时清洗、筛查及剔除)，使底座内螺牙与夹套螺牙磨耗剧增，持续长久的或未检测到的未熄灭回火，易导致安全防爆膜故障或突然爆炸，引起频繁停机。

应利用压缩空气往回吹扫，能轻易地除去安全防爆膜内的干性脏物；拆洗网格衬垫或采用超声波浴清洁，可清除粘附有颗粒和泥浆状的油性脏物；确保烧嘴回火过滤网套夹固定支座安装到位，紧固情况良好，且将螺牙维护列入月修项目，安装时更换螺牙磨损夹套，将夹套安装至最低位置上紧固，可大幅降低防爆膜爆炸次数。

2.10 CO分析仪故障

发生空气燃气比率改变时，CO分析仪读数无变化故障排除措施：取样管路中有缝隙时，应更换或紧固管路；管路或过滤器探头脏污时，需清扫管路或过滤器；管炉温度太低时，应检查设定点，修理热电偶或修理加热器；仪表超出量程时，需校准零点或量程；取样泵、电磁阀故障时，需进行修理或予以更换；真空变换器堵塞时，应清扫且打开一段；发生到分析仪、炉子或旁通的流量低故障，取样泵故障时，需及时修理或更换；燃烧管故障或泄漏时，应更换管子或修复缝隙；过滤器或流量控制阀门脏污时，要及时清扫；冷凝器流量损失时，应检查温度或调整恒温器，否则会产生结冰；分离器中水体积损失时，应填充至溢出且监视其流量，以便准确找到水流失原因，排查冷凝器温度是否过高。

2.11 电气仪表故障

启动器线圈过热或电机控制中心MCC断电，使竖炉风机不能启动时，应排查过热或断电原因，排查电机轴承和叶轮是否故障；监视器背面开关、电气盘柜中断路器断开或电气盘柜无电源，监视器无画面时，应排查原因，接通监视器背面开关、电气盘柜断路器或电源；因管中缝隙、阻塞或凝结，烧嘴阻塞或防回火器脏污，引起烧嘴压力仪表读数之间偏差时，需清扫或修理管子、检查烧嘴堵塞、清洁防回火器筛网；炉区燃气气压波动或烧嘴“回火”时，易引起炉区控制器跳电，需排查原因、排除故障。

2.12 炉体整体倾斜

根据竖炉炉况及检测数据分析，导致竖炉炉体整体倾斜的主因：烘炉或熔化时，炉内温度场不均匀，炉体受热面受热不均匀；安装时水平度不合格；炉壳长期被氧化、腐蚀，易烧红、烧穿或变形，使其强度削弱；炉体偏离中心后，其自重重心与炉体中心会产生一个力矩，使炉体整体倾斜约5°。

可利用J2型经纬仪动态监测竖炉倾斜状况，同时优化竖炉烘炉曲线，改变料制以改善炉内气流分布，合理调整空燃比，并根据实测的炉内铜液、炉壳及炉口温度采取相应的整改措施；整体拆除竖炉内耐火材料，通过调整炉体连接螺杆的松紧度纠偏。

3 结语

为了进一步提高SCR型连铸连轧铜杆生产线竖炉的稳定可靠性，大幅减少设备故障率，减少或杜绝“卡炉”、“回火”事故的发生，保障竖炉系统安全顺行，做到防患于未然，就必须针对竖炉烧嘴回火过滤器、冷却水套、安全防爆膜、CO分析仪等关键备件进行重点维护保养、及时监控、定期检修及适时更换，且根据炉况的不同，灵活运用各种燃烧操作法，从而达到延长竖炉炉龄、节能降耗及提高企业经济效益之目的。