劉定平

(成都銅材廠, 四川 成都　610072)

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金屬液磁懸浮連鑄工藝技術(shù)及其在銅材生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉定平

(成都銅材廠, 四川 成都610072)

摘要：簡(jiǎn)述了磁懸浮連續(xù)鑄造工藝(MFCC)原理及其在銅板帶材和銅管、線、型、棒、排材生產(chǎn)中的應(yīng)用,分析了MFCCR、MFCCCE工藝用于銅材生產(chǎn)的效益.通過H65軟態(tài)黃銅帶材產(chǎn)品生產(chǎn)采用MFCC工藝的電耗計(jì)算實(shí)例,表明金屬液磁懸浮工藝技術(shù)應(yīng)用于銅材生產(chǎn)中有明顯的節(jié)約能源和降低生產(chǎn)成本的效果,亦說明金屬液磁懸浮連鑄新工藝技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：磁懸浮; 連續(xù)鑄造; 近終形余熱坯; 銅材生產(chǎn); 應(yīng)用

金屬材料是重要的基礎(chǔ)材料,然而金屬材料制備的高能源消耗是其存在的一個(gè)主要問題.國(guó)務(wù)院2015年5月8日公布的《中國(guó)制造2025》把全面推行綠色制造列為九大任務(wù)和重點(diǎn)之一,明確提出“加大先進(jìn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝和裝備的研發(fā)力度,加快制造業(yè)綠色改造升級(jí);積極推行低碳化、循環(huán)化和集約化,提高制造業(yè)資源利用效率;強(qiáng)化產(chǎn)品全生命周期綠色旳鐵、有色、化工、建材、輕工、印染等傳統(tǒng)制造業(yè)綠色改造;大力研發(fā)推廣余熱余壓回收、水循環(huán)利用、重金屬污染減量化、有毒有害原料替代、廢渣資源化和脫硫脫硝除塵等綠色工藝技術(shù)裝備;加快應(yīng)用清潔高效鑄造、鍛壓、焊接、表面處理和切削等加工工藝,實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)”的要求.

采用金屬液磁懸浮連鑄(Magnetic Floating Continuous Casting,MFCC)工藝、金屬液磁懸浮連鑄近終形余熱熱軋坯(Magnetic Floating Continuous Casting and Rolling,MFCCR)工藝和金屬液磁懸浮連鑄連續(xù)擠壓(Magnetic Floating Continuous Casting and Continuous extruding,MFCCCE)工藝,能較好地實(shí)現(xiàn)金屬材料生產(chǎn)的節(jié)能、減排、降耗、優(yōu)質(zhì)和增收效果[1-3].

作者自2004年起開展銅板和鋅液磁懸浮研究,并進(jìn)行了鋅液磁懸浮連鑄試驗(yàn),已取得鋅液被懸浮的效果(鋅液與鋼液、銅液均能被電磁感應(yīng)而懸浮).2013年10月16日“金屬液磁懸浮連續(xù)鑄造近終形余熱熱軋坯工藝”獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)(授權(quán)專利號(hào):ZL200510021740.4).

1MFCC工藝原理

MFCC工藝原理的核心是金屬液被電磁感應(yīng)而懸浮.金屬液在爐口被約束成留有材料規(guī)格加工余量的斷面尺寸,被牽引進(jìn)入由約10 kHz交變電源與鑄坯形狀相應(yīng)的線圈組成的交變磁場(chǎng)(原生磁場(chǎng)).原生磁場(chǎng)與流入的金屬液組成無導(dǎo)磁體的空心變壓器,線圈為初級(jí),金屬液為次級(jí).金屬液被電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流,渦流磁場(chǎng)(次生磁場(chǎng))方向與原生磁場(chǎng)方向相向,產(chǎn)生相互推斥力,因線圈固定不動(dòng),金屬液被推斥向上并抵消重力而懸浮.

MFCC是流體力學(xué)、電磁學(xué)和金屬壓力加工學(xué)等學(xué)科合成的先進(jìn)生產(chǎn)工藝,屬于電磁冶金學(xué)的電磁鑄造.金屬液在磁場(chǎng)上面懸浮,故能用于生產(chǎn).

2MFCC工藝在銅材生產(chǎn)中的應(yīng)用

銅(含銅合金,下同)液經(jīng)磁懸浮連鑄成約800 ℃近終形余熱坯,在線進(jìn)入軋機(jī)或Conform連續(xù)擠壓機(jī),產(chǎn)出冷加工量最小坯.被軋制成終形板帶坯或連續(xù)擠壓成管、線、型、棒和排材終形坯.這些終形余熱坯的后續(xù)冷加工量很小,僅需約3道次冷加工即能成材[4-5].

2.1MFCCR工藝在銅板帶材生產(chǎn)中的應(yīng)用

MFCCR工藝的生產(chǎn)線布置如圖1所示.

圖1　MFCCR工藝生產(chǎn)線布置示意圖

由圖1可見,實(shí)現(xiàn)銅液磁懸浮連鑄近終形余熱板、帶坯的步驟是:從塞棒2流入流槽17的1 160 ℃銅液經(jīng)凸堆展流成片狀,厚度約3 mm,經(jīng)牽引流入磁懸浮與適度降溫結(jié)晶區(qū)5～12,使金屬液適度降溫結(jié)晶成約800 ℃坯(圖中5～12區(qū)域功能,相當(dāng)于現(xiàn)今水冷模結(jié)晶器),進(jìn)入熱軋機(jī),熱軋成厚約1 mm 帶坯.其中,金屬液流速、適度冷卻強(qiáng)度及軋制速度3項(xiàng)參數(shù)須程序控制,自動(dòng)平衡.如以產(chǎn)量決定流速為基礎(chǔ),則調(diào)整、控制另兩項(xiàng)參數(shù).MFCCR工藝銅液在磁場(chǎng)(線圈)上面懸浮,鑄坯寬度僅受軋機(jī)限制,軋制屬成熟技術(shù).

2.2MFCCCE工藝在銅管、線、型、棒和排材生產(chǎn)中的應(yīng)用

銅液經(jīng)MFCC連鑄成約800 ℃四方形坯的生產(chǎn)線布置如圖2所示.

圖2中的8為馬鞍形空腔平面線圈,兩鞍部高度與四方形鑄坯高度匹配.銅液從爐口經(jīng)熱鑄模3定形,立刻進(jìn)入馬鞍形空腔平面線圈8,類似四方形金屬液,其底面與圖1原理相同,金屬液被電磁感應(yīng)而懸浮.同理,兩鞍部產(chǎn)生分別指向移動(dòng)方向中軸線的電磁側(cè)壓力,約束金屬液柱不致散塌、偏擺.在連續(xù)移動(dòng)中,經(jīng)上下左右各面適度冷卻降溫成

圖2　MFCCCE工藝生產(chǎn)線布置示意圖

近終形、保留熱加工上限溫度的余熱鑄坯,并立刻進(jìn)入Conform連續(xù)擠壓機(jī)產(chǎn)出冷加工量很小、僅需3道次左右冷加工即能成材的管、型、線材和排材坯.

當(dāng)今國(guó)內(nèi)外使用的Conform連續(xù)擠壓機(jī),都使用上引水冷模連鑄的室溫坯料,以消耗動(dòng)能為代價(jià),摩擦升溫至500 ℃左右,經(jīng)塑性變形,擠壓出冷加工坯.同理,Conform也能對(duì)MFCC產(chǎn)出的約800 ℃余熱鑄坯擠壓成冷加工坯.由于銅(如T2)的變形抗力在800 ℃時(shí)為σb<20 MPa,500 ℃時(shí)為σb≈80 MPa,室溫下σb≈300 MPa.用800 ℃的熱坯替代500 ℃坯或室溫坯,因變形抗力大幅減小,故大幅節(jié)能.除可連續(xù)擠出多根小規(guī)格冷加工量最小坯外,還能擠出異形復(fù)雜斷面材.

3MFCCR、MFCCCE工藝用于銅材生產(chǎn)效益的初步分析

表1為MFCC工藝與目前常用工藝的電耗對(duì)比.現(xiàn)國(guó)內(nèi)外均用連鑄或半連鑄供厚坯,無論熱軋還是冷軋,均是多道次操作,電耗都在GB 21350—2013允許的范圍內(nèi).由于節(jié)電,MFCCR和MFCCCE工藝每噸銅材(帶、管、線、型材)產(chǎn)品平均可增收1 500元.

表1　MFCC工藝與傳統(tǒng)工藝?yán)浼庸さ碾姾膶?duì)比

以H65牌號(hào)、規(guī)格厚0.18 mm×寬10～305 mm軟態(tài)黃銅帶產(chǎn)品生產(chǎn)為例,采用MFCCR工藝的電耗計(jì)算見表2,并與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝作比較.

由表2可見:

(1) MFCC工藝比傳統(tǒng)工藝節(jié)電1 969-821=1 148 kW·h·t-1,節(jié)電率為1 148÷1 969=58%.

(2) 磁懸浮電耗為凈節(jié)能的百分比為(21.6÷1 148)÷0.92(成材率)=2%.

(3) MFCC工藝節(jié)能,主要在于冷軋和熱處理(中間退火)兩道工序,即冷軋和中間退火道次減少.

此外,應(yīng)用MFCC工藝技術(shù)還有產(chǎn)品成材率高、質(zhì)量好、品種齊以及新建生產(chǎn)線投資省等諸多優(yōu)勢(shì).

4結(jié)論

(1) 金屬液經(jīng)MFCC技術(shù),利用余熱成材具有以下優(yōu)點(diǎn):無加熱工序,節(jié)能;余熱坯近終形,生產(chǎn)流程短,物耗少,設(shè)備數(shù)量和裝機(jī)容量小;鑄坯表面光潔、組織結(jié)構(gòu)為細(xì)晶.電磁攪拌使凝固組織細(xì)化、鑄坯的抗拉強(qiáng)度比普通連鑄提高39%.MFCC是鋼鐵、有色金屬材料加工和機(jī)械零件制造3大高耗能行業(yè)共用的綠色工藝,屬《中國(guó)制造2025》(五)中余熱利用的創(chuàng)新技術(shù).

表2　銅帶材生產(chǎn)電耗計(jì)算表

(2) MFCCR、MFCCCE工藝流程主要包括金屬液被約束、牽引、磁懸浮、適度降溫、均溫和熱加工(熱軋或Conform連續(xù)擠壓).除磁懸浮外,其余均為成熟技術(shù).只要能實(shí)現(xiàn)金屬液磁懸浮,就能實(shí)現(xiàn)MFCCR、MFCCCE.

(3) 金屬材料加工生產(chǎn)采用MFCC工藝,設(shè)備主要增加國(guó)產(chǎn)10 kHz交變電源,傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)備可減少2/3.

參考文獻(xiàn):

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Magnetic Floating Continuous Casting of Molten Metal and Its Application in Copper Production

LIU Dingping

(Chengdu Copper Factory, Chengdu 610072, China)

Abstract：The principle of magnetic floating continuous casting(MFCC for short) and its application in producing copper plate and strip,copper pipe,copper wire,copper profile,copper rod and bars was briefed and the efficiency of producing copper with magnetic floating continuous casting and rolling(MFCCR for short) and magnetic floating continuous casting and continuous extruding(MFCCCE for short) was analyzed.Power consumption in producing H65 soft brass strip with MFCC showed that magnetic floating continuous casting of molten metal applied in producing copper could obviously save energy and reducing cost and this technology is well worth promoting.

Keywords：magnetic floating; continuous casting; near net shape afterheat processing billet; copper production; application

中圖分類號(hào)：TF 777

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉定平(1934—),男,工程師,主要從事冶金工藝技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用. E-mail: henghui6638@163.com

收稿日期：2015-12-25