陸延靜，丁思遠(yuǎn)

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

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銅合金管材短流程生產(chǎn)工藝的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

陸延靜，丁思遠(yuǎn)

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

論述了銅合金管材短流程生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，指出企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)選擇合適的短流程工藝路線。

銅合金；管材；短流程工藝；研究現(xiàn)狀

銅合金管材以其良好的耐磨耐腐蝕性、高強(qiáng)度以及抑制海洋微生物附著等特性，被廣泛應(yīng)用于電力電氣、海水淡化、船舶制造、石油化工、汽車、建筑等關(guān)系國計(jì)民生的重要領(lǐng)域[1-2]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，國內(nèi)對冷凝管、同步器齒環(huán)管等銅合金管材的需求量增長較大，預(yù)計(jì)到2015年各類銅合金管材的需求量將達(dá)到20萬t左右[3]。

目前，銅合金管材的生產(chǎn)工藝仍以傳統(tǒng)的擠壓法為主，即鑄錠—熱擠壓—(冷軋)—拉伸工藝，該工藝技術(shù)成熟可靠，可以生產(chǎn)多種規(guī)格的產(chǎn)品，但存在工藝流程長、能耗高和成品率低等缺點(diǎn)。銅合金管材短流程生產(chǎn)工藝取消了鑄錠加熱、擠壓等熱加工工序，即管坯制備、冷加工兩段式生產(chǎn)工藝，其最大特點(diǎn)是生產(chǎn)流程短，直接由連鑄機(jī)組生產(chǎn)出管坯，管坯不經(jīng)加熱即進(jìn)行軋制或拉伸，是一種短流程、低能耗、投資省、低運(yùn)行成本的生產(chǎn)方法。

短流程生產(chǎn)工藝有水平連鑄—行星軋管—拉伸法(鑄軋法)、連鑄—冷軋—拉伸法(連鑄—冷軋法)、上引連鑄—連續(xù)擠壓—拉伸法、熱型連鑄—拉伸法等。目前銅合金管材短流程生產(chǎn)工藝的研究焦點(diǎn)主要集中在鑄軋法和連鑄—冷軋法上。

1 鑄軋法研究現(xiàn)狀與發(fā)展

鑄軋法在制冷空調(diào)用銅管的生產(chǎn)上取得了巨大的成功[4-6]，在生產(chǎn)效率和綜合成品率等指標(biāo)較大幅度的提高同時，制造成本和綜合能耗有所下降。目前鑄軋法已拓展至銅合金管生產(chǎn)，其中，低鎳白銅管(B5、B10)已進(jìn)入工業(yè)化批量生產(chǎn)，HAl77-2等部分黃銅管已試軋成功。新鄉(xiāng)金龍集團(tuán)建立了銅合金管生產(chǎn)線，采用鑄軋法生產(chǎn)的低鎳白銅管已進(jìn)入市場并出口到國外。

水平連鑄管坯和行星軋制是鑄軋法生產(chǎn)工藝中的兩個關(guān)鍵工序，其他工序與傳統(tǒng)工藝一樣已經(jīng)非常成熟。

1.1 水平連鑄工序

水平連鑄是實(shí)現(xiàn)鑄軋法的第一道工序，水平連鑄管坯質(zhì)量的好壞直接決定著合金管的成品質(zhì)量。與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，水平連鑄技術(shù)在提高金屬利用率、簡化工序、降低能耗等方面具有不可比擬的優(yōu)勢，更能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)短流程、近終形以及節(jié)約能源的要求。因此，利用水平連鑄制備空心管坯的技術(shù)日益受到研究者和生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注[7-8]。但是由于銅合金的導(dǎo)熱性較差，易形成偏析，采用水平連鑄工藝制備的空心管坯存在表面粗糙、晶粒粗大、分布不均、組織偏析、疏松、縮孔等缺陷，管坯質(zhì)量較差，為后續(xù)軋制工序帶來不利影響，因此如何提高空心管坯的質(zhì)量成為科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)[9-10]。

電磁場可通過在液體金屬中形成熱和力的交互作用，提高鑄坯的組織、結(jié)構(gòu)和成分的均勻性，提高材料的機(jī)械和物理性能。近幾年，電磁場在銅合金空心管坯水平連鑄過程中的應(yīng)用日益增加。研究[11-14]表明，在BFe10-1-1空心管坯水平連鑄過程中施加電磁場，能夠提高金屬液流動性和充型能力，從而使BFel0-1-1管坯晶粒明顯細(xì)化，凝固組織由柱狀晶完全轉(zhuǎn)化為均勻細(xì)小的等軸晶，同時Ni元素枝晶偏析得到抑制，組織均勻性提高，制備出的薄壁白銅管坯表面光滑無裂紋，管坯的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長率均得到明顯提高。

大連理工大學(xué)[15-16]近年來通過對BFe30-1-1白銅管坯水平電磁連鑄工藝的有限元模擬和不斷探索，成功制備出了無表面裂紋缺陷、規(guī)格為Φ83 mm×20 mm的BFe30-1-1空心管坯，管坯凝固組織致密，具有良好的力學(xué)性能。這項(xiàng)技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，為利用鑄軋法生產(chǎn)BFe30-1-1白銅管創(chuàng)造了條件。

張琦[17]對施加電磁場后鑄坯晶粒細(xì)化的原因進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)在攪拌磁場作用下，鑄坯凝固過程溫度梯度以及冷卻速率的變化是鑄坯晶粒獲得細(xì)化的原因之一。在金屬熔體結(jié)晶過程中，溫度梯度和冷卻速率的減小有利于鑄坯晶粒尺寸的減小。此外，攪拌磁場作用于金屬熔體產(chǎn)生的脈動電磁力也是鑄坯晶粒獲得細(xì)化的原因。

在這一環(huán)節(jié)過程中，需要學(xué)生較為快速對各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與處理，尤其是較為淺顯的信息應(yīng)在圖上進(jìn)行快速標(biāo)記，還有一些信息則需要學(xué)生通過題干中的未知量以及相應(yīng)的坐標(biāo)信息等對線段的長度距離進(jìn)行表示，還需要學(xué)生較好地對距離與坐標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系有著良好的掌握。

盡管在水平連鑄過程中，電磁攪拌能產(chǎn)生很好的細(xì)化晶粒，消除偏析等冶金效果，但是如果施加的位置或攪拌強(qiáng)度不當(dāng)就會導(dǎo)致凝固坯殼厚度不均勻，產(chǎn)生表面缺陷或產(chǎn)生夾雜。在對鑄坯質(zhì)量要求越來越高的情況下，施加單一的磁場已經(jīng)無法獲得高質(zhì)量的鑄坯。因此，對復(fù)合磁場的研究越來越多，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[18]，在空心管坯連鑄過程中選擇施加復(fù)合電磁場的方法，不但能夠有效減小液穴深度，提高生產(chǎn)效率，而且有利于凝固坯殼厚度的均勻化，防止裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)一步的改善鑄坯的質(zhì)量。

1.2 行星軋制工序

鑄軋法技術(shù)的核心是行星軋制，與傳統(tǒng)擠壓生產(chǎn)工藝相比，行星軋制突破了銅管材加工流程長、能耗高、效率低的束縛，使得銅管鑄軋加工工藝成為可能，軋制管坯可直接進(jìn)行拉制加工，無需中間退火。

由于銅合金管的強(qiáng)度高、變形抗力大，塑性較差，三輥行星軋制過程中管材易出現(xiàn)開裂，為此科研人員對軋制工藝參數(shù)進(jìn)行了不斷的調(diào)整和優(yōu)化[19-21]，通過對BFe10-1-1管坯三輥行星軋制進(jìn)行有限元模擬分析確定工藝參數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，軋制出的BFe10-1-1白銅管外表面光亮，紋路均勻清晰，無裂紋起皮，塑性和延伸性能好，無需退火即可拉拔出符合要求的銅合金管。但是與TP2銅管三輥行星軋制工藝相比，BFe10-1-1銅管軋制時溫度達(dá)850℃，設(shè)備載荷增加30%以上，因此，原有模具材料已不能滿足要求，應(yīng)選用耐熱性更好的模具材料。

目前，采用鑄軋法己成功制備紫銅管和低鎳白銅管，且性能穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，然而對于黃銅管卻一直未能實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)辄S銅尤其是HAl77-2鋁黃銅在400～600℃時塑性極低，即存在“中溫脆性區(qū)”，在此溫度范圍內(nèi)軋制時黃銅管容易開裂。由于銅管在行星軋制過程中從最初的室溫逐漸升高至終軋溫度750℃以上，要想解決黃銅行星軋制過程中管坯開裂的問題，就需要在軋制過程中避開其“中溫脆性區(qū)”。在理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，吳朋越[22-23]通過對管坯加熱，并改變管坯規(guī)格、軋輥型線及其傾角、潤滑條件等工藝參數(shù)，用三輥行星軋機(jī)成功制備出HAl77-2鋁黃銅管，管材軋制后組織均勻，外表面質(zhì)量良好，內(nèi)表面光滑，管材內(nèi)外表面無裂紋，抗拉強(qiáng)度和延伸率符合要求。通過后續(xù)拉伸，管材內(nèi)外表面質(zhì)量較好，無裂紋、傷點(diǎn)等缺陷出現(xiàn)，材料的力學(xué)性能和擠壓法生產(chǎn)的產(chǎn)品基本一致。其工藝流程為：水平連鑄(Φ89mm×25mm)→銑面→三輥行星軋制(Φ45mm×3.1mm)→拉伸(Φ40mm×2.6mm)→退火(溫度520℃/保溫3h)→拉伸(Φ35mm×2.1mm)→拉伸(Φ31mm×1.6mm)→退火(溫度520℃/保溫3h)→拉伸(Φ28mm×1.25mm)→拉伸(Φ25mm×1mm)。

1.3 其他工序

鑄軋法其他工序包括聯(lián)合拉伸、圓盤拉伸及在線光亮退火等工藝，這些工藝技術(shù)已廣泛應(yīng)用于純銅類管材的生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了設(shè)備投資和運(yùn)行成本，同時使產(chǎn)品組織和物理性能保持很好的一致性。目前一些企業(yè)也成功將這些工藝用于銅合金管材的生產(chǎn)中。

浙江海亮股份將二聯(lián)拉串聯(lián)拉伸技術(shù)首次應(yīng)用在鐵錳白銅和鋁黃銅管材生產(chǎn)中，并把二聯(lián)拉、矯直、定尺鋸切、管端倒角、渦流探傷、成品管脫脂除油清洗連接成一條流水作業(yè)線。該流水作業(yè)線具有自動化程度、生產(chǎn)效率和成材率高，拉伸道次少以及可生產(chǎn)數(shù)千米長管材的優(yōu)越性。同時海亮股份采用了自主研發(fā)的惰性氣體保護(hù)、天然氣加熱一噴淋強(qiáng)制冷在線光亮退火新技術(shù)生產(chǎn)HAl77-2冷凝管，可獲得長度約75m、晶粒細(xì)小均勻、表面光亮的管坯，并達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

試驗(yàn)研究[24]表明，BFe10-1-1 管材無需中間退火即可實(shí)現(xiàn)盤拉，盤拉總加工率可達(dá)到90%以上。劉關(guān)強(qiáng)等人[25]采用獨(dú)自研制開發(fā)的盤拉工藝，實(shí)現(xiàn)了BFel0-1-1合金圓盤拉伸和無酸洗環(huán)?；a(chǎn)，可生產(chǎn)18m以上的BFel0-1-1超長冷凝管，生產(chǎn)效率是直管拉伸的4～6倍，成品率比直管拉伸提高10%以上。

2 連鑄—冷軋法研究現(xiàn)狀與發(fā)展

2.1 水平連鑄—冷軋法

即水平連鑄空心管坯—皮爾格冷軋管—退火—盤拉或直拉的生產(chǎn)方法。該方法是采用水平連鑄方式生產(chǎn)出小規(guī)格管坯，直接上皮爾格冷軋管機(jī)進(jìn)行軋制，之后經(jīng)拉伸、退火、精整至成品。水平連鑄—冷軋法具有工藝流程短、模具費(fèi)用低、能源消耗低、占地少、投資省等諸多優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[26]探索了采用水平連鑄—冷軋法進(jìn)行H65、H80及HAl77-2黃銅管生產(chǎn)，重點(diǎn)對水平連鑄—冷軋法中的兩道關(guān)鍵技術(shù)，即水平連鑄空心管坯和皮爾格冷軋開坯技術(shù)進(jìn)行深入研究。通過對鑄造溫度、拉坯制度、冷卻工藝等參數(shù)的改進(jìn)從而實(shí)現(xiàn)H65、H80和HAl77-2空心錠的水平連鑄；采用空心錠冷軋開坯，不僅可明顯縮短工藝流程，顯著提高銅管成材率，而且可有效糾正管材偏心，并減少起皮缺陷。對水平連鑄—冷軋法新工藝與擠壓法傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的H65、H80和HAl77-2黃銅管的組織與性能、成品尺寸精度及成品率進(jìn)行綜合比較。結(jié)果表明，水平連鑄-冷軋法與擠壓法生產(chǎn)的H65、H80和HAl77-2成品組織和性能相當(dāng)，產(chǎn)品質(zhì)量均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求；與擠壓法相比，水平連鑄—冷軋法的綜合成材率可提高約20%～30%，成品偏心率可降低4%～8%，另外還可實(shí)現(xiàn)節(jié)電約300～500度/t以上。

目前，國外有意大利Sitin—dustrie公司，國內(nèi)有江陰中誠、江蘇金鑫銅管等公司采用該法生產(chǎn)銅合金管。但由于該工藝是將鑄造管坯直接進(jìn)行冷加工，因而，為使合金的組織與性能達(dá)到較高的質(zhì)量要求，至少需要進(jìn)行兩次以上的退火工序并保證由鑄造管坯到成品留有足夠的加工余量。

2.2 上引連鑄—冷軋法

即上引連鑄空心管坯—皮爾格冷軋管—退火—盤拉或直拉的生產(chǎn)方法。

上引連鑄系立式鑄造，管坯徑向晶粒分布優(yōu)于水平連鑄；軋管為皮爾格冷軋，軋制中軋件溫升低，不能實(shí)現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶，需進(jìn)行中間退火使其鑄造組織得以改善，從而生產(chǎn)出晶粒細(xì)化的最終產(chǎn)品。該法對連鑄管坯質(zhì)量要求較高，必須具有均勻和細(xì)化的晶粒組織結(jié)構(gòu)。由于如何確保鑄造組織的破碎，以形成方向性不十分強(qiáng)烈的再結(jié)晶晶粒組織等關(guān)鍵技術(shù)需進(jìn)一步完善，因此上引連鑄—冷軋管/長鏈拉伸銅管生產(chǎn)技術(shù)一般用于中小水道管、空調(diào)連接管和無氧銅管的生產(chǎn)。

近年來，上引連鑄—冷軋法已擴(kuò)展到銅合金管的生產(chǎn)上。鄭州貫中特種金屬材料研究所等單位研究開發(fā)了上引連鑄生產(chǎn)銅合金管技術(shù)，上引連鑄生產(chǎn)了BFe10-1-1、BFe30-1-1、HAl77-2、HSn70-1等40多個品種。其與桂林漓佳合作研發(fā)，采用上引連鑄—冷軋法，生產(chǎn)出B10和HAl77-2管材，規(guī)格為Φ25mm×0.7mm×6～14m和Φ19mm×0.7mm×6～14m，已實(shí)現(xiàn)出口。上引管坯Φ45～80mm×3～10mm，經(jīng)環(huán)孔型、長行程冷軋—拉伸—自動涂脂(解決表面碳化)—光亮退火；上引連鑄機(jī)可同時引10個頭，日產(chǎn)能約10t。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[1]，與傳統(tǒng)擠壓法相比，采用上引連鑄—冷軋法生產(chǎn)銅合金管，成品率提高30%以上，能耗及投資均大幅下降。

3 銅合金管材短流程生產(chǎn)工藝比較

從銅管技術(shù)發(fā)展的方向來看，短流程和低能耗是未來發(fā)展的方向，目前銅合金管的短流程生產(chǎn)工藝如鑄軋法、連鑄—冷軋法已日趨成熟。

鑄軋法具有生產(chǎn)流程短、能耗低、占地面積少、工程投資費(fèi)用低、成品率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，可大大降低生產(chǎn)成本，通過對設(shè)備、工藝、工模具的創(chuàng)新與改造，能夠生產(chǎn)出部分合金牌號的合格管材，使大卷重合金盤管的生產(chǎn)成為可能。但鑄軋法具有一定的局限性，由于水平連鑄不宜頻繁更換合金牌號，且行星軋機(jī)的軋制規(guī)格受到限制，無法得到任意所需的規(guī)格。因此，鑄軋法適用于具有較大產(chǎn)量的規(guī)?；a(chǎn)，而對于多牌號、多規(guī)格、小規(guī)模的產(chǎn)品采用此法則可能會得不償失。此外，由于生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)的限制，對于石油化工、油輪等行業(yè)或部門使用的大規(guī)格厚壁管材，利用鑄軋法暫無法生產(chǎn)；而對于海水淡化等用途的小規(guī)格超長冷凝管，鑄軋法不失為一個好的選擇。

連鑄—冷軋法具有流程短、能耗低、投資省、運(yùn)行成本低、生產(chǎn)方式靈活等特點(diǎn)，非常適合于多牌號、多規(guī)格、中小規(guī)模合金管材的生產(chǎn)。目前該方法所生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)部分投放市場，但產(chǎn)品總體質(zhì)量狀況仍有待改善和提高。相信隨著工藝的完善和技術(shù)水平的提高，該生產(chǎn)方式能夠提供出品質(zhì)優(yōu)異的銅合金管材產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

盡管鑄軋法和連鑄—冷軋法已成功應(yīng)用于銅合金管的生產(chǎn)上，但由于受設(shè)備能力和工藝條件的限制，目前仍僅局限于中小規(guī)格管材的生產(chǎn)，對于大規(guī)格銅合金管目前多數(shù)生產(chǎn)商仍采用傳統(tǒng)的擠壓法生產(chǎn)。因此，銅管加工企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身特點(diǎn)、業(yè)務(wù)領(lǐng)域、生產(chǎn)規(guī)模、裝機(jī)水平等多方面因素，選擇符合自身企業(yè)發(fā)展的短流程工藝路線。

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Research Status and Development of Short Process

of Copper Alloy Tube Production

LU Yanjing, DING Siyuan

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

The paper summarized the characteristics, research status and prospects of short process of copper alloy tube production; it pointed out that implementing an appropriate short process depends on the needs of the enterprise.

copper alloys; tube products; short process; research status

2015-01-23

陸延靜(1982- )，男，工程師，主要從事有色金屬加工工程設(shè)計(jì)工作。

TG359

A

1671-6795(2015)03-0009-04