張襯新，余學(xué)德，王彤彤

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031)

水平連鑄在銅管生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展

張襯新，余學(xué)德，王彤彤

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031)

主要概述了水平連鑄法生產(chǎn)銅管的工藝流程、主要設(shè)備、基本原理和工藝技術(shù)；此外,還闡述了水平連鑄法生產(chǎn)銅管的應(yīng)用現(xiàn)狀,并指出了未來水平連鑄法生產(chǎn)銅管的發(fā)展方向。

水平連鑄；銅管；技術(shù)特點(diǎn)；發(fā)展現(xiàn)狀；展望

銅是有色金屬中應(yīng)用最廣泛的一種,其產(chǎn)銷量僅次于鋁。作為銅的加工產(chǎn)品,銅管具有導(dǎo)熱性好、堅(jiān)固耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),并廣泛用作空調(diào)和制冷設(shè)備的螺紋銅管,建筑用銅水管、氣管、采暖管,冷凝器用銅合金管、汽車同步器齒環(huán)管等。隨著空調(diào)制冷、汽車、船舶、電站、海水淡化等行業(yè)的發(fā)展,銅及銅合金管的需求量也將逐年增加。目前生產(chǎn)銅管材主要使用離心鑄造、水平連鑄和半連鑄擠制工藝3種鑄造方式[1]。離心鑄造生產(chǎn)的銅管組織不均勻,產(chǎn)品質(zhì)量差；擠制管材雖然性能良好,但成品率過低,生產(chǎn)成本較高。相比之下水平連鑄工序較短,性能較好,成品率高,且鑄錠長度可隨意控制。由于具有以上優(yōu)勢,水平連鑄技術(shù)已然成為制備高質(zhì)量鑄坯的最佳方式,特別適用于近終形連續(xù)鑄造。因此,生產(chǎn)企業(yè)及研究者對此也越來越重視。

1 水平連鑄銅管的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 水平連鑄的工藝流程

水平連鑄銅管生產(chǎn)工藝流程如圖1所示[2]。

圖1 銅管水平連鑄流程

1.2 水平連鑄的主要設(shè)備

水平連鑄機(jī)的一般設(shè)備包括：中間包、分離環(huán)、結(jié)晶器、拉坯機(jī)、切割機(jī)、冷床、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)等[3]。銅管坯水平連鑄設(shè)備如圖2所示,與其他斷面鑄坯水平連鑄是不同的,其結(jié)晶器采用石墨內(nèi)襯,內(nèi)部為具有一定錐度的石墨芯,外面為銅水冷套。

圖2 銅管水平連鑄設(shè)備示意

1.3 水平連鑄的基本原理

在水平連鑄中,由于拉坯方向與分離環(huán)的熱傳導(dǎo)方向相反,金屬液在舊坯殼處和分離環(huán)處分別凝固。由于2處結(jié)晶速度不同,2個(gè)結(jié)晶面即在拉坯方向上的坯殼厚度的最薄處(稱為“熱點(diǎn)”)。隨著兩個(gè)結(jié)晶面的長大,熱點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)。如果在拉坯時(shí)熱點(diǎn)強(qiáng)度不夠高,坯殼即在此處斷裂。因此,在拉坯過程中反推或暫停,會(huì)使熱點(diǎn)坯殼厚度增加,新老坯殼穩(wěn)固聯(lián)結(jié),繼續(xù)拉坯時(shí),就能把分離環(huán)與整個(gè)新形成的坯殼脫開,之后開始下一個(gè)拉坯周期,反復(fù)進(jìn)行以實(shí)現(xiàn)連鑄拉坯。

為了保證水平連鑄過程能連續(xù)不間斷地進(jìn)行,至少應(yīng)滿足3個(gè)基本條件[4]：1)連續(xù)不斷地補(bǔ)充金屬液；2)結(jié)晶器內(nèi)以某一速度結(jié)晶凝固某一區(qū)域的金屬液,并按此速度將凝固的金屬從結(jié)晶器中拉出；3)熱量交換平衡,即液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬時(shí)釋放的熱量應(yīng)是拉出結(jié)晶器后金屬余熱、冷卻水帶走的熱量和其它方式散發(fā)的熱量的總和。如不同時(shí)滿足前兩個(gè)條件,將導(dǎo)致水平連鑄的失敗。若不滿足第3個(gè)條件,在一定范圍內(nèi)能夠進(jìn)行自我調(diào)整而達(dá)到新的熱平衡。在這一區(qū)域里(從爐子到結(jié)晶器出口),金屬從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w,經(jīng)過晶核的形成、晶粒的長大等一系列復(fù)雜的金屬凝固過程,金屬所處的狀態(tài)可分為液態(tài)、固態(tài)和半固態(tài)。

1.4 水平連鑄銅管的工藝技術(shù)

選擇水平連續(xù)鑄管工藝參數(shù)時(shí),既要保證凝固的管坯及時(shí)拉出,以免冷卻收縮抱緊芯子，也要保證凝固的管坯有一定的強(qiáng)度而不被拉斷。因此,工藝參數(shù)的控制和監(jiān)測在整個(gè)生產(chǎn)過程顯得非常重要[5]。

1)鑄造溫度。鑄造溫度是影響鑄錠質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素[6]。在一定溫度范圍內(nèi),金屬熔體溫度越高,熔體粘度越小,流動(dòng)性越好；反之,則熔體流動(dòng)性越差。但過高的鑄造溫度形成的鑄錠晶粒組織粗大,也容易產(chǎn)生縮孔、疏松與氣孔等缺陷。而鑄造溫度過低會(huì)降低熔體去渣效果,增加鑄造難度。

2)拉坯制度。水平連鑄銅管一般采用“拉—?！恕保袄！?種工藝,拉停因素相互制約。拉坯后中停,從而使金屬液體在結(jié)晶器內(nèi)有足夠的時(shí)間冷卻和凝固,使凝殼增加厚度和強(qiáng)度。此外,拉停后的反推可以防止凝殼與結(jié)晶器粘連,并同時(shí)清除石墨壁上粘附的氧化鋅和金屬鋅,以減少石墨壁對錠坯的摩擦阻力[7]。

3)拉坯速度。拉坯速度是影響鑄錠表面質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。拉坯速度越大時(shí),凝殼初始形成時(shí)沒有足夠的時(shí)間散熱而導(dǎo)致溫度較高,從而降低了凝殼強(qiáng)度,拉坯阻力與熱應(yīng)力相同時(shí),其具有更高的裂紋傾向;并且隨著結(jié)晶器內(nèi)液穴深度的增加,液穴底部與凝殼表面之間的溫差加大,進(jìn)一步增大熱裂傾向。此外，拉坯速度過大還可能導(dǎo)致拉漏、拉斷等現(xiàn)象。反之，拉坯速度越小時(shí),結(jié)晶器壁與凝殼之間的接觸面積變大,增大了石墨表面的摩擦阻力,從而增加了坯殼表面拉裂的可能性。此外,拉坯速度過慢導(dǎo)致冷卻強(qiáng)度增加，顯著降低表層凝殼溫度，增大冷卻收縮速度和幅度,隨之增大了內(nèi)層對外層的收縮限制應(yīng)力,從而使得拉坯產(chǎn)生裂紋的傾向增大,同時(shí)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率必然降低。所以,選擇合適的拉坯速度不僅能避免產(chǎn)生缺陷、提高鑄錠質(zhì)量,同時(shí)也確保了良好的生產(chǎn)效率。

4)冷卻方式。水平連鑄空心管坯的冷卻方式有2種,分別是單獨(dú)控制一次冷卻水和二次冷卻水。增加一次冷卻的強(qiáng)度并降低二次冷卻強(qiáng)度,此時(shí)管坯凝固線向爐口移動(dòng),加深液穴從而增大拉錠阻力;反之則降低拉錠阻力。當(dāng)鑄造溫度和鑄造速度在合適大小時(shí),冷卻強(qiáng)度對鑄錠組織和管坯表面質(zhì)量的影響作用巨大。冷卻強(qiáng)度過小,合金熔體內(nèi)容易形成粗大的等軸晶與樹枝晶,并且可能導(dǎo)致拉漏或拉斷;冷卻強(qiáng)度過大,管坯表面容易產(chǎn)生冷隔或裂紋等缺陷。因此,選擇合適的冷卻強(qiáng)度,將有利于細(xì)等軸晶和柱狀晶的生長。

2 水平連鑄銅管的發(fā)展現(xiàn)狀

水平連鑄技術(shù)始于20世紀(jì)50年代,最早應(yīng)用在有色金屬生產(chǎn)中。由于開發(fā)初期鑄機(jī)性能的局限性和技術(shù)難點(diǎn)的存在,其產(chǎn)量與效益均不理想，因而未能受到重視。20世紀(jì)70年代，空心管坯水平連鑄技術(shù)被開發(fā)出來,并于80年代應(yīng)用至實(shí)際工業(yè)生產(chǎn),之后逐漸在連鑄家族中嶄露頭角。

20世紀(jì)90年代，河南省新鄉(xiāng)金龍精密銅管有限公司在引進(jìn)國外銅合金空心管坯水平連鑄設(shè)備的基礎(chǔ)上對水平連鑄空心管坯工藝進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，生產(chǎn)出滿足后續(xù)工序質(zhì)量要求的管坯,因此得到了研究者的極大關(guān)注。江蘇常州興榮高新科技有限公司研制了水平連鑄、行星軋制銅管生產(chǎn)線,成為空調(diào)銅盤管新建生產(chǎn)線的主流選擇,使得水平連鑄新技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展更加迅速。21世紀(jì)初，國內(nèi)部分科研院所和生產(chǎn)企業(yè)探索白銅管坯的水平連鑄法生產(chǎn)方法，李新濤和李廷舉等[8]采用拉—?！赐啤５睦鞴に?在實(shí)驗(yàn)室成功制備了Φ83 mm×20 mm的BFe10-1-1和BFe30-1-1空心管坯。

寧波市金田銅業(yè)集團(tuán)使用再生原料直接生產(chǎn)銅加工材料中,開發(fā)了一種新型64線多面、潛流式水平連鑄新技術(shù)[9]，也稱為“金田法”，并建成了連續(xù)化、自動(dòng)化、環(huán)?；狞S銅棒、型、線、管生產(chǎn)線，以潛流聯(lián)體爐為主的連鑄機(jī)列的裝機(jī)水平也進(jìn)入了國際先進(jìn)行列。金龍精密銅管有限公司圓滿完成了“精密銅管連鑄連軋關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目[10]。2012年10月經(jīng)專家鑒定，這個(gè)具有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)的項(xiàng)目已達(dá)到世界先進(jìn)水平，不僅生產(chǎn)工序短，制得的銅盤管質(zhì)量好、盤重大，可以達(dá)到超長長度，同時(shí)顯著提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和成品率。

3 展望

隨著科技的進(jìn)步,對原材料的要求越來越高,為提高鑄坯的綜合性能,發(fā)展合理的水平連鑄工藝已成為必然。目前,水平連鑄研究主要集中在水平連鑄結(jié)晶器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用,如將電磁攪拌技術(shù)引入到結(jié)晶器的設(shè)計(jì)當(dāng)中、自動(dòng)化技術(shù)在水平連鑄上的應(yīng)用、基于拉坯力理論計(jì)算的水平連鑄機(jī)結(jié)構(gòu)和工藝(拉坯制度、反推頻率等)優(yōu)化、相關(guān)數(shù)值模擬和工藝?yán)碚摶A(chǔ)研究等方面。近年來,水平連鑄逐漸向生產(chǎn)高性能和高精度產(chǎn)品方向發(fā)展[11]。未來,在銅及銅合金管的加工領(lǐng)域,水平連鑄生產(chǎn)銅管的技術(shù)將向高速度、高質(zhì)量、近終形的方向發(fā)展。發(fā)展新型短流程、近終形工藝的水平連鑄方法制備空心管坯將日益受到研究者和生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注。

[1] 閻志明.銅及銅合金管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2009.

[2] 陳園.水平連鑄同步器齒環(huán)鑄造工藝缺陷的研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué),2012.

[3] 宮雪娜.銅管水平連鑄過程的數(shù)值模擬研究[D].大連：大連理工大學(xué),2005.

[4] 胡萍霞.高強(qiáng)耐磨復(fù)雜黃銅HMn62-2.5-1.3-1鑄棒生產(chǎn)[J].連鑄, 2003(6)：17-19.

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[9] 王碧文.銅加工短流程工藝向節(jié)能低碳發(fā)展(二)[N].中國有色金屬報(bào),2010-11-4(6).

[10] 鄒建成.中國銅加工技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國有色金屬,2013(16)：30-32.

[11] 李偉軒.電磁場在銅連鑄中應(yīng)用的研究[D].上海：上海大學(xué),2009.

Development on Application of Horizontal Continuous Casting in Copper Tube Production

ZHANG Chenxin,YU Xuede,WANG Tongtong

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper mainly discusses process flow,main equipment;basic principles and process technology of copper tube production by using horizontal continuous casting method,furthermore,the paper also puts forward application status of copper tube production by using horizontal continuous casting method and development direction for the future copper tube production.

horizontal continuous casting;copper tube;technical characteristic;development status;prospect

TG249.7

B

1004-4345(2014)05-0053-03

2014-03-24

張襯新(1985—),女,從事有色金屬加工工程設(shè)計(jì)工作。