1、水平连铸大截面紫铜空心、实心锭的开发生产实践刘才富江苏金奕达铜业股份有限公司，江苏苏州 215143摘要；在铜管生产当中，大口径和厚壁管材的坯料供应，国内基本上都是采用半连铸生产的大截面铜锭，控制铜锭质量、生产效率和加工成本，对企业来说至关重要。从生产方式来说；如果选用水平连铸生产，各项效果都应明显优于半连铸。目前；水平连铸150mm 以上大截面铜锭，只有少数企业开发生产成功。笔者认为，今后；水平连铸取代半连铸供坯将是铜加工行业发展的必然趋势，本文就水平连铸生产150mm 以上的大截面铜锭的成功实践进行总结介绍。关键词；大截面；空心锭；实心锭；水平连铸；半连铸；1；前言1.1 水平连续铸造小截
2、面铸锭，在国内发展很快，尤其近 10 年来，随着国内对铜管材的需求量和出口量的急剧上升，迎来了水平连铸的高速发展期。同时；对大口径和厚壁管材需求量也急剧上升，而且对产品质量要求越来越高，竞争也越来越激烈。生产效率和成本控制，尤其显得突出，因此；水平连铸的优点逐渐明显，生产技术也有了新的突破。目前国内铜管材产量约占铜加工材总量的 2025，其中壁厚在 10 毫米以下及中细外径的铜管，生产工艺技术已经很成熟，生产技术装备也很先进，生产工艺流程基本都是铸轧拉方法。但是大口径和厚壁管外径150-350mm、壁厚在 1030mm的生产，目前还仅仅局限于几家企业，如中铝洛铜、浙江海亮、江苏包罗，浙江金鹰等
3、，生产方式为铸挤斜轧穿孔、冷轧-拉伸扩孔，使用的坯锭基本都是采取半连续铸造大截面铜锭。1.2 笔者当时在包罗铜材公司时，大口径和厚壁管生产也是采取半连铸铸锭。半连续铸造的缺点是；单位生产电耗高，成材率低，工人劳动强度大，质量不好控制，经常发现铜锭锯开有气孔。生产 TP2 铸锭时，铸造工艺稍把握不好的话，就会出现铸锭中心裂纹，造成后续加工报废，而且容易发生安全事故，对操作工人技术掌握要求高。为此；笔者在 2006 年 6 月向公司建议开发水平连铸生产150mm 以上的大截面铜锭，方案前提条件是；一炉多规格生产，从160-200mm，既能生产实心又能够生产空心铜锭，生产牌号为 TAg、T2、TP2
4、。既然开发生产，首先要解决的是设备，然后确定工艺，最终到生产，形成一套合理完整的工艺和操作规程。1.3 从提案到设备制作安装完成，前后花了 3 个月时间，9 月份正式筑炉试产，由于进行了周密的工艺设计，试产十分顺利，从160mm、185mm、200mm 的实心锭到16060 和20075 的空心管坯先后成功生产，结果表明使用水平连铸坯锭加工的铜管质量和各方面指标明显优于半连铸坯锭，而且铸锭的成材率和成品铜管的加工成材率各提高了 6-8。铸坯生产用电单耗也比原来降低了将近 100KWH。车间的生产环境和员工的劳动强度有了明显改善，生产 TP2200 铜锭时，也没有出现中心裂纹现象。11 月份公司
5、将 2 台紫铜半连铸炉全部拆除。2007 年我们又相继开发生产成功大截面黄铜和青铜坯锭，同年 5 月公司将另外 2 台铜合金半连铸炉拆除。从此；半连续铸造退出了包罗铜材集团的历史舞台，开辟了水平连铸的新天地。2010 年 5 月；笔者在江苏金奕达铜业公司开发生产了水平连铸220mm 紫铜实心和空心铸锭。为了使水平连铸方法发扬光大，笔者就一些生产实践经验分别和业内人士进行探讨交流。2；水平连铸设备2.1 熔炉由于紫铜容易吸气，要铸造出质量高的铸锭，熔铸炉非常重要。采用水平连铸一炉多规格生产，首先要工艺设计；熔铸炉如何匹配，既取决于生产规格的大小，最快和最慢的拉铸速度。还要考虑模具如何更换等一系列
6、问题。熔化炉配置为 1000 公斤型，保温炉配置为 300 公斤型，设计日产能为 2025 吨，采用组合潜流式。为了模具更换方便和降低成本，废除了以前水平连铸用石墨塞棒和石墨底座的控流方式，直接在保温炉的炉口开孔安装结晶器，更换模具则采用液压倾翻式将铜液倒回熔化炉，保温炉口脱离铜液后，进行更换模具，但是炉口设计必须保证最小直径和最大直径模具的安装。2.2 结晶器结晶器是能否顺利生产成功的关键，铸锭质量、模具寿命、模具成本、安全等因素，主要取决于结晶器。结晶器由石墨模、铜套、循环冷却水套和外壳组成。结晶器的有效长度在保证安全的情况下；应当尽可能的短。太长会影响铸坯质量和提升石墨模具价格。太短会造
7、成铜液进入结晶器没有形成凝固，就被牵引出来，易造成冲铜泄漏事故。石墨模具的制造必须用高纯石墨，由于国内生产的石墨材料质量，远远不如国外的石墨材料，当然价格上也有很大的区别。从成本和使用寿命上综合考虑，采用上海碳素厂生产的石墨材料。结晶器的铜套采用 T2 铜，有良好的热传导性能，但是；必须保证其材质的致密性和足够的刚性，必须经过热锻制后加工成形。冷却水的出水角度设计必须合理，能够均匀形成水帘状喷射在铸坯上，进行有效的冷却。冷却水的流量和压力也必须保证。2.3 牵引铸造机由于是一炉多规格生产，结合水平连铸小规格的生产成功经验，克服水平连铸的弊病。牵引机的上下夹持拉辊中心和结晶器的中心必须保证 10
8、0的同心，且在同一水平线上，这样变换规格才不受到影响，拉辊最小可夹持150mm,最大可夹持到300mm。牵引机构采用伺服系统 PLC 控制，牵引频率为“拉停反推”制，满足每分钟能够牵引 20600mm 长度。2.4 锯切机为满足成品铜管生产的工艺及不同规格和长度，需要对不同规格坯锭进行锯切。为了保证大截面铸坯锯切端面平齐，切斜面尽可能的小，采用金属带锯机。通过对带锯的锯切速度计算，设计成水平同步锯切机，改掉以往倾斜式同步轨道，设计成水平轨道，方便了锯切机的同步运行和返回。3；工艺参数3.1 熔铸温度由于潜流式组合炉是连续生产，在生产时；熔化炉不停的熔化和不停的加料，温度可以不计。保温炉采取铜的
9、熔点温度加 50100为拉铸温度。在拉铸空心坯锭时温度可以提高至 11801200。待引锭头拉出结晶器后，迅速降至 1150，设定为10，可以实行自动控温，在生产时保持结晶温度的稳定性。3.2 拉铸速度在业内很多人会认为水平连铸坯锭的晶粒度会不如半连铸生产的晶粒度，通过生产相同规格200 铸锭的晶粒对比，实际不然；半连铸铜锭是统一的柱状晶，但是晶粒相当粗大，经常出现微小的气孔存在于晶粒当中，生产 TP2 铸锭时，会出现中心裂纹。而水平连铸铜锭的晶粒有 60的细小等轴晶，还有 40是稍微粗大枝状晶粒，但是都比半连铸铜锭的晶粒小。半连铸紫铜185 铸锭内部组织图片 水平连铸紫铜16050 组织图片
10、 水平连铸紫铜185 铸锭内部组织图片如何取得细小的晶粒，这和拉铸速度有直接关系，确定拉铸速度既要保证生产安全，又要尽可能的提高生产效率，还要兼顾铸锭的内部质量。铜液进入结晶器后形成 3个区域；液相区、凝固区、固相区，拉铸时形成液穴，液穴长度与拉铸速度成正比，要取得好的内部和表面质量，应根据不同规格选择不同的速度，以160mm 为例；每分钟拉铸速度为 100mm 140mm 最佳。但是；拉停退的频率和节奏配合必须得当，合理的工艺参数，能够有效的避免表面裂纹，还能够提高石墨模具的使用寿命。3.3 冷却强度冷却强度取决于冷却水的流量和压力，一次冷却水是使铜锭成形，并且形成凝壳，抵抗炉内铜液的静压力
11、，使铸锭与石墨结晶器摩擦时不产生变形和开裂。二次冷却水主要是保证铸锭出结晶器口的余热能够快速的导出，通过铸锭本身的轴向传导，对一次冷却进行强化，最终使铜液完全由液态转化为固态形成铸坯。在生产控制当中；一般一次冷却弱于二次冷却，对铸坯的质量有好处。尤其加强二次冷却是保证能够顺利、安全的铸造大截面铜锭成功的关键，根据现场生产实践，铸造200mm 铜锭时，冷却水压力在 0.30.4Mpa 为最佳。4；水平连铸大截面铸坯常见问题及解决水平连铸大截面铜铸锭一般会遇到裂纹、夹杂、内部气孔、皮下气孔、弯曲、表面沟槽等问题，基本上和半连铸生产一样，半连铸生产碰到的问题，水平连铸也会遇到，但是；水平连铸比半连铸
12、好控制，质量缺陷出现的几率也远远小于半连铸。4.1 裂纹表面裂纹有横向裂纹和纵向裂纹，横向裂纹是延着节距线产生，是铜液凝固后，其凝固的强度和塑性很低的情况下和模壁摩擦造成的，裂纹长度在 2-10mm,深度在 1-3mm 之间。横向裂纹的产生和结晶器的安装有相当大的关系，如果模具中心和拉铸机夹持辊不在同一中心水平线上，将产生斜拉摩擦，不但会造成铜锭表面裂纹还会降低模具使用寿命。另外；由于铸造的是大截面铜锭，径向收缩很大，因此在模具设计时，注意把握合理的锥度，还要控制拉铸温度平稳，拉-停频率配合适当，再使用反推，能够有效的避免横向裂纹。纵向裂纹一般是沿着锭坯轴向产生细小而长、曲折状裂纹，深度在 1
13、-2mm，长度在 5mm 以上，间断性出现。炉温和拉铸速度以及铜液当中杂质含量对纵向裂纹的产生关系重大。如果炉温高、拉速块，铸锭出模口以后内外温差大，将是纵向裂纹产生的直接原因。另外；熔体中杂质含量和含气量高，也是产生纵向裂纹重要原因。4.2 气孔大的气孔在铜锭锯切后就能够发现，形状一般呈椭圆形，比较光滑，大小不一样，不规则的分布在铸锭内部。小气孔锯切当中很难发现，有针孔状气孔分布在晶界当中，凭肉眼很难发现。气孔的存在，降低了铸坯的致密度。在铜管加工过程当中，微小气孔可能通过热加工焊合。但是；大的气孔无论是热加工还是冷加工，都很难焊合，会直接造成产品报废，并且没有弥补方法。气孔在铸坯当中形成的
14、直接原因是；熔体受到污染，熔炼时原料不清洁，覆盖剂不够干燥，还有熔炼铸造温度过高。溶解在铜液中的气体没有有效地排出，会随着铜液不断的流入结晶器，在冷凝和收缩的过程中向外表面浮出，没有逃逸出的气泡就被凝固的枝状晶堵住，造成气孔的产生。另外；在实际生产当中还会产生皮下气孔，皮下气孔集中产生在铸锭表面，形成一个鼓包，稍微一捅就破，里面呈圆形。产生的原因主要是熔体含气量高，在凝固收缩时；自下而上形成顺序凝固，凝固速度较快时，气泡没有及时的排出，表面结晶已经完成，就形成表面鼓泡现象。需要很长时间对熔体进行循环减少含气量，才能够消除。如何避免气孔产生；只要注意以下几点；首先保证炉料清洁干燥，往往使用阴极铜
15、很好做到这点，但是下道加工产生的大量边角料，又不可能不用。有条件当然对边角料进行清洗烘干最好。没有条件处理的废料，必须在入炉前边处理边使用，按照一定的比例和阴极铜配合入炉，可以将边角料洒在熔化炉木炭覆盖层上面，进行烧烤除油污，待油污通过高温明火烧烤至不产生烟气后，再慢慢的压入铜液中进行熔化，这样就能够收到很好的效果。还有使用的木炭必须经过煅烧处理，才能够入炉使用，使用的工具也要进行干燥处理。尤其是新更换模具的结晶器，在安装固定后，必须等封接的耐火材料完全干燥后，才能将整个熔铸炉放平拉铸，尽可能的实行低温熔铸。如果能够做到以上几点，气孔的产生还是完全能够避免。如果是新筑熔炉，第一次生产时，需要对
16、铜液进行除气处理，可以向熔体进行吹氮除气。4.3 表面沟槽或凸起生产大截面实心和空心铜锭时，往往会在铸锭表面或内表面产生沟槽或凸起，一般模具使用时间过长会产生这种现象。有时新模具也会产生，产生的原因有两种；一种是石墨材质差或是安装引锭头时将模具刮伤造成。另一种是在结晶区形成的氧化物粘附在模具上，造成拉铸的锭坯外表面或内表面产生沟槽或凸起。要避免此类现象，石墨模具材料选择高纯度石墨材料，加工的工作壁必须保证较高的光洁度，不得有针孔或砂眼，实心锭模具要设计出合理的锥度，管模芯棒锥度设计配合也要合理根据拉铸规格确定，一般选取 0.51.5，这样还能够提高模具使用寿命。对于粘附在模具上面的氧化物，可以
17、利用调整拉铸参数，将氧化物带出模具工作面。做到以上几点，就能够完全解决铜锭表面的沟槽和凸起问题。4.4 弯曲和夹杂铜锭拉铸弯曲是水平连铸常见现象，并且是有规律和等长度出现的弯曲，一旦产生弯曲严重的话，不但影响铸坯的质量，还会造成模具报废，最严重时还会造成冲铜泄漏。新换模具弯曲会好一点，但是只要产生弯曲现象，随着拉铸时间的延长，不能够进行有效的控制，弯曲会越来越严重，而且会造成锭坯在结晶器内移来移去现象。弯曲产生的原因无外乎这几点；一是结晶器和牵引机不在同一水平线上，二是引锭棒弯曲造成，三是结晶器铜套和石墨模具配合不紧密，局部冷却不均匀。只要注意以上几点，就能够有效的避免弯曲产生。有经验的操作工
18、发现弯曲能够及时调整，还是能够实现调直的。夹杂现象在水平连铸当中，还是很少出现的，熔化炉和保温炉的通道设计和炉口位置的高低设计合理，以及铜液深度的控制和保温炉覆盖剂的选取，是解决水平连铸夹杂现象的关键。5 小结通过实际生产表明，业内人士所担心的；水平连铸生产的锭坯金相组织不如半连铸生产的锭坯组织那么均一，对铜管的后续加工会产生影响的顾虑。实际上水平连铸锭坯晶粒度比半连铸生产的锭坯小。大口径和厚壁铜管的加工一般采用热挤压或斜轧热穿孔及冷轧方式开坯。包罗公司采用自行研制的三辊冷轧机对大截面铜锭开坯生产铜管，结果表明；大、小晶粒在挤压或轧制过程当中，全部进行了晶粒破碎重组，中间又通过多道次拉伸以及中
19、间退火，晶粒的细化和再结晶会使金属的性能不断提高，只要在锭坯铸造过程当中不产生致命性缺陷。另外一个问题就是安全铸造问题，大部分人认为水平连铸大截面紫铜锭，安全没有保障，易发生冲铜泄漏事故。实际上不安全，是没有确定出合理的生产工艺和粗制滥造的设备造成的，包罗公司采用水平连铸以后，至今没有发生过冲铜爆炸事故。笔者在金奕达铜业公司水平连铸220 铜锭和22580 管坯至今，也没有出现过安全事故。但是；员工的操作技能和自身素质也至关重要，哪怕再好的设备，没有好的人员操作，也不能达到理想的效果，希望以上经验能够供同行参考。参考文献1 1重有色金属材料加工手册（第二分册） 北京；冶金工业出版社，1979.2 2有色金属熔炼与铸锭 陈存中主编 北京 冶金工业出版社，19883 3中国铜加工产品质量的现状及发展 王碧文 北京 中国有色金属加工工业协会 2011 12 20刘才富；江苏金奕达铜业股份有限公司 职称；工程师 职务；生产副总地址；江苏省.苏州市.相城区.黄埭镇.春光路 188 号 连系电话 0512-65790396 13776115231
