摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)銅合金帶材的需求量也在逐年增加。水平連鑄是目前生產(chǎn)銅及銅合金帶材的重要工藝。主要從國(guó)內(nèi)外水平連鑄技術(shù)的發(fā)展歷史、水平連鑄設(shè)備、水平連鑄的生產(chǎn)工藝流程、結(jié)晶器的基本結(jié)構(gòu)和水平連鑄的優(yōu)點(diǎn)等方面對(duì)銅板帶的水平連鑄進(jìn)行了論述與介紹。并且重點(diǎn)分析了銅合金板帶坯在凝固過程中產(chǎn)生表面凹坑、氣孔、晶粒不均勻、邊部裂紋、反偏析、縮松等缺陷的原因，并提出了相應(yīng)的改善措施，有效預(yù)防了缺陷的產(chǎn)生，提高了帶材的成品率，延長(zhǎng)了結(jié)晶器的使用壽命。并對(duì)銅板帶水平連鑄未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：水平連鑄；銅板帶；結(jié)晶器；質(zhì)量缺陷；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TG 290文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on horizontal continuous casting process of copper strip and casting slab defects

ZHANG Liangli1，WANG Songwei2，LIU Jinsong1，2，SONG Hongwu2，LIU Yufei3

（1.School of Materials Science and Engineering，ShenyangLigongUniversity，Shenyang 110159，China;2.Shi-changxuInnovation Center for Advanced Materials，Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang110016，China;3.JCC Copper Strip Co.，Ltd.，Nanchang 330096，China）

Abstract：With the continuous and rapid development of the national economy，the demand for copper alloystrip in the domestic market has also been increasing year by year.Horizontalcontinuous casting is an important process for the production of copper and copper alloy strips.This paper mainly discusses and introduces the horizontal continuous casting of copper strips from the aspects of the development history of horizontal continuous casting technology both domestically and internationally，horizontal continuous casting equipment，production process of horizontal continuous casting，basic structure of crystallizerand advantages of horizontal continuous casting.Inaddition，it also focuses on analyzing the causes of defects of copper alloy plate and strip during solidification such as surface pits，pores，unevengraindistribution，edgecracks，inversesegregation，shrinkage porosity and so on，and the corresponding improvement measures are put forward to effectively prevent the occurrence of defects，improve the yield of strips，and prolong the service life of crystallizer.Furthermore，an outlook on the future development trend of horizontal continuous casting of copper strips is presented.

Keywords：horizontal continuous casting;copper strip and slab;crystallizer;qualitydefects;development trend

隨著銅加工裝備的不斷升級(jí)以及人們對(duì)銅板帶產(chǎn)品的需求量日益增多，用水平連鑄的方法生產(chǎn)銅板帶坯開始逐步走進(jìn)人們的視野。盡管銅板帶的生產(chǎn)工序相對(duì)簡(jiǎn)便，節(jié)約了能源，但由于受鑄坯的厚薄、拉坯速度以及工藝穩(wěn)定性等多方面的影響，國(guó)內(nèi)仍無(wú)法達(dá)到高精度、優(yōu)質(zhì)銅及銅合金板帶材生產(chǎn)的制造條件，其合格率也難以進(jìn)行重大突破，產(chǎn)品規(guī)格以及合金的品種也受到了相應(yīng)的影響。因此，研究銅板帶水平連鑄的生產(chǎn)工藝，控制鑄造時(shí)各項(xiàng)工藝參數(shù)之間的匹配關(guān)系，探究鑄坯缺陷的產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)的解決措施，是提高銅板帶水平連鑄的鑄坯質(zhì)量及擺脫產(chǎn)品規(guī)格限制的有效途經(jīng)，具有重要的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)意義。

本文主要論述了某板帶公司的銅板帶水平連鑄生產(chǎn)工藝，重點(diǎn)分析了板帶坯在凝固過程中一些常見的缺陷并提出了相應(yīng)的改善措施。通過工藝的改進(jìn)有效地預(yù)防了缺陷的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了結(jié)晶器的使用壽命，提高了帶材的成品率。

1水平連鑄裝備及生產(chǎn)技術(shù)

1.1水平連鑄技術(shù)的發(fā)展

最初，連續(xù)鑄造技術(shù)應(yīng)用于熔點(diǎn)較高的金屬鐵，在1840年Bessemer開始研究單輥和雙輥的連續(xù)鑄造，1950年連續(xù)鑄造技術(shù)和設(shè)備開始運(yùn)用于工業(yè)流程[1]；到了20世紀(jì)60年代，瑞士Wertli公司首先將水平連鑄技術(shù)應(yīng)用在銅合金帶坯的生產(chǎn)上[2]；20世紀(jì)70年代，歐、美、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過多年在銅板帶坯水平連鑄工藝技術(shù)和裝備上的不斷摸索與創(chuàng)新，已經(jīng)擁有了比較成熟和先進(jìn)的銅板帶水平連續(xù)鑄造技術(shù)。至此，這項(xiàng)技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用于銅及銅合金加工生產(chǎn)領(lǐng)域。

而我國(guó)的銅及銅合金板帶的水平連鑄技術(shù)起步較晚，1984年通過對(duì)從德國(guó)T·G公司引進(jìn)的拉坯機(jī)、微機(jī)控制系統(tǒng)和結(jié)晶器三大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行消化和吸收[3]，國(guó)內(nèi)的銅合金水平連鑄技術(shù)才開始迅速發(fā)展。用水平連鑄法生產(chǎn)的銅帶產(chǎn)品涉及范圍包括各種不同規(guī)格的黃銅、紫銅、錫磷青銅和鋅白銅等，最近十幾年銅加工行業(yè)在錫磷青銅和鋅白銅的帶坯生產(chǎn)中幾乎都采用了水平連鑄技術(shù)生產(chǎn)帶坯[4]。

1.2水平連鑄設(shè)備

銅板帶坯水平連鑄機(jī)組主要由熔煉爐、保溫爐、結(jié)晶器、牽引機(jī)、剪切機(jī)、卷曲機(jī)等組成，具有熔煉、鑄造、剪切、卷曲等多種功能[5]。圖1是銅板帶坯水平連鑄原理示意圖，銅液經(jīng)由結(jié)晶器入口進(jìn)入型腔，在結(jié)晶器中通過冷卻水的作用凝固成型后由牽引系統(tǒng)緩慢拉出結(jié)晶器，并通過二次冷卻水的作用對(duì)成型的鑄坯進(jìn)行降溫。其中結(jié)晶器作為水平連鑄生產(chǎn)銅及銅合金板帶材的關(guān)鍵部件，直接影響到鑄坯的質(zhì)量及后續(xù)的加工流程。銅板帶的水平連鑄與以往采用的立式半連續(xù)鑄造相比，其主要特點(diǎn)是鑄造的空間封閉。水平連鑄在一般情況下都采用石墨內(nèi)襯結(jié)晶器[6]，結(jié)晶器直接和保溫爐相連且水平放置，鑄坯在水平方向被牽引機(jī)緩慢拉出。水平連鑄技術(shù)生產(chǎn)銅帶坯在產(chǎn)品的規(guī)格、合金的品種、制造工藝等方面優(yōu)勢(shì)明顯，帶坯的性能、凝固組織也相對(duì)容易掌控，目前是鋅白銅帶、錫磷青銅帶、磷脫氧銅空調(diào)管等常用銅產(chǎn)品制坯的主要方式。

1.3水平連鑄生產(chǎn)工藝流程

銅帶坯水平連鑄生產(chǎn)工藝流程：配料—熔化—保溫—凝固結(jié)晶—一次冷卻—二次冷卻—牽引機(jī)—剪切機(jī)—卷曲機(jī)[7]。

首先將爐料按照所生產(chǎn)的合金品種配好比例，然后按順序依次將爐料倒入熔化爐內(nèi)，待化學(xué)成分及溫度等條件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格后將銅液通過流槽轉(zhuǎn)入保溫爐內(nèi)，保溫爐上方通過鋪滿木炭來(lái)控制銅液的鑄造溫度和液位高度在一定的范圍之內(nèi)，鑄造過程中銅液在靜壓作用下流入結(jié)晶器[8-9]，通過循環(huán)冷卻水的作用結(jié)晶成帶坯，由牽引機(jī)進(jìn)行引拉，實(shí)現(xiàn)拉—停反推—停的往復(fù)動(dòng)作，引拉出的帶坯經(jīng)過二次冷卻裝置將溫度冷卻到常溫。該工藝可以直接生產(chǎn)出供冷軋軋制的厚14～18 mm，寬330～650 mm的銅及銅合金帶坯，并且?guī)鲗挾仍?50 mm以下的一般采用雙流水平連鑄機(jī)生產(chǎn)，帶坯寬度在450 mm以上的一般采用單流水平連鑄機(jī)生產(chǎn)[5，10]。

1.4水平連鑄結(jié)晶器

組合式水冷套由鋼套和銅套部分組成，二者通過螺栓緊密相連，產(chǎn)生的間隙用石墨紙?zhí)畛湟员銣p小熱阻。這種分體式水冷套的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)晶器使用一段時(shí)間后，便于清洗整個(gè)水路、清除結(jié)垢，延長(zhǎng)結(jié)晶器的使用壽命。整個(gè)結(jié)晶器以石墨模具中心為對(duì)稱軸，上下兩部分采用相同的水冷套，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。石墨模具由4塊石墨板組成，包括兩塊上下大面壁石墨板和兩側(cè)小石墨邊條，邊條和下石墨板以石墨銷子固定。冷卻水路出入口均在鋼套部分，熱交換主要發(fā)生在銅套內(nèi)部。水路結(jié)構(gòu)為4個(gè)獨(dú)立水室結(jié)構(gòu)，水路的熱交換面積近乎覆蓋整個(gè)帶面寬度。為保證熔體進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)，液流穩(wěn)定均勻，在結(jié)晶器入口制作導(dǎo)流斜口，利于熔體流動(dòng)，防止熔渣進(jìn)入結(jié)晶器。

1.5水平連鑄的優(yōu)點(diǎn)

水平連鑄技術(shù)與常規(guī)的立式和弧形連鑄相比有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）水平連鑄機(jī)的設(shè)備均是水平放置，操作維修和更換部件容易且安全，鑄機(jī)高度低、一般為1.5～2.0 m，占地面積小，無(wú)需建高大的廠房，完全滿足國(guó)內(nèi)加工企業(yè)以中小型廠房居多的特點(diǎn)；

（2）水平連鑄機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量比弧形機(jī)輕30%～40%，使得銅加工裝備的更新?lián)Q代輕便易行；

（3）設(shè)備的自動(dòng)化程度高，基本由機(jī)器自主控制，工藝操作簡(jiǎn)單，操作人員少，基本可實(shí)現(xiàn)一人負(fù)責(zé)多條生產(chǎn)線同時(shí)運(yùn)行；

（4）水平連鑄采用密封澆鑄，保溫爐內(nèi)覆蓋的木炭可以隔離空氣，不產(chǎn)生CO2，鑄坯的清潔度及質(zhì)量均很高；

（5）鑄坯沿水平方向拉出，不需要矯直機(jī)構(gòu)，故不受彎曲、矯直應(yīng)力，因而可避免在矯直過程中產(chǎn)生不必要的裂紋；

（6）水平連鑄產(chǎn)生的初始坯殼與結(jié)晶器內(nèi)壁接觸較好，在密閉空間內(nèi)結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度大，不易產(chǎn)生鑄坯鼓肚[11]。

2水平連鑄銅板帶坯主要缺陷分析

用水平連鑄技術(shù)生產(chǎn)銅板帶已成為行業(yè)內(nèi)一種普遍的方式，但由于鑄坯在凝固中經(jīng)常容易產(chǎn)生表面凹坑、氣孔、晶粒不均勻、邊部裂紋、反偏析、縮松等缺陷，尤其是一些內(nèi)部缺陷只有在經(jīng)過多道次軋制加工后才會(huì)顯露出來(lái)，這已經(jīng)嚴(yán)重影響了帶材的成品質(zhì)量和合格率。因此，需要分析缺陷產(chǎn)生的原因并提出合理的改善措施來(lái)提高帶材成品率。

2.1表面凹坑

當(dāng)鑄坯表面某一區(qū)域出現(xiàn)樹枝晶嚴(yán)重“搭橋”和澆鑄過程中該鑄坯出現(xiàn)鼓肚時(shí)，此區(qū)域便會(huì)出現(xiàn)大面積不規(guī)則凹坑，凹坑部位由邊緣向內(nèi)部逐漸加深，如圖3所示。劉成俊等[12]結(jié)合企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)收集的資料，直接從連鑄工藝及設(shè)備兩方面分析了數(shù)十種缺陷產(chǎn)生的原因，認(rèn)為這些板坯缺陷主要與脫氧程度、結(jié)晶器的倒錐度、開澆溫度等因素有關(guān)，并提出了相應(yīng)的預(yù)防方法。比如當(dāng)鑄坯表面產(chǎn)生凹坑時(shí)，控制二次冷卻區(qū)首端及凝固末端的夾棍開口度、控制拉速可有效緩解此類缺陷的產(chǎn)生。

2.2氣孔

銅液在冷卻凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來(lái)不及逸出便會(huì)在帶坯內(nèi)部產(chǎn)生氣孔。這些氣孔有時(shí)與表面連通形成表面細(xì)孔，肉眼不易發(fā)現(xiàn)且難以消除，如圖4所示。李偉軒等[13]提出一種基于正交磁場(chǎng)和直流電相互作用的結(jié)晶器內(nèi)水平電磁攪拌來(lái)消除銅板帶水平連鑄中的微氣孔和夾雜等凝固問題，并進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)攪拌電流達(dá)到200 A時(shí)，板帶坯出現(xiàn)柱狀晶細(xì)化和中心等軸晶層，當(dāng)攪拌電流達(dá)到400 A時(shí)，帶坯內(nèi)部氣孔完全消失。

2.3晶粒不均勻

當(dāng)鑄坯上、下表面冷卻效果不一致時(shí)，上、下表面平均晶粒的大小會(huì)有相當(dāng)大的差異，鑄坯下表面在后續(xù)軋制過程中容易出現(xiàn)“橘皮”和裂紋缺陷，對(duì)紫銅板帶產(chǎn)品的質(zhì)量會(huì)有嚴(yán)重影響。錢澤濤等[14]通過對(duì)水平連鑄結(jié)晶器內(nèi)部構(gòu)造和水流方向及其工作狀況進(jìn)行研究，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)腔在工作中氣體積存的可能性進(jìn)行分析，得出在工作中結(jié)晶器下模存在氣體積存現(xiàn)象會(huì)造成下模冷卻效果變差、進(jìn)而使鑄坯下表面形成粗大晶粒的結(jié)論，并通過在下模增加水壓或增設(shè)排空管等措施使下表面晶粒粗大的問題得到了極大的改善。圖5為下模增壓前后鑄坯下表面組織。

2.4邊部裂紋

當(dāng)結(jié)晶器的冷卻效果不均，尤其是保護(hù)渣的熔化、浸入等不均時(shí)，鑄坯邊部經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋，如圖6所示。這種裂紋往往是成批次出現(xiàn)的，嚴(yán)重影響連鑄產(chǎn)品的表面質(zhì)量。江中塊等[15]認(rèn)為這種情況是結(jié)晶器銅板的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理所致，鑄坯產(chǎn)生的裂紋缺陷基本集中在鑄坯寬面，且缺陷產(chǎn)生的位置與結(jié)晶器安裝螺栓位置處較吻合，他們分析原因認(rèn)為可能是銅板螺栓處傳熱效率低，其余位置的傳熱效率高，使結(jié)晶器橫向傳熱不均勻才導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生了裂紋，在將結(jié)晶器寬面銅板螺栓處的冷卻水槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)傳熱效果增強(qiáng)，溫度場(chǎng)分布變得更加均勻[16]，銅板傳熱能力和冷卻均勻性有明顯提高，產(chǎn)生裂紋缺陷的概率大幅減小。

2.5反偏析

錫磷青銅在冷卻結(jié)晶時(shí)，由于導(dǎo)熱性差致使其內(nèi)外部溫差較大，當(dāng)表層形成硬殼后中間部分仍處于液態(tài)，冷卻結(jié)晶時(shí)熱量將外殼中枝晶處的低熔點(diǎn)物重新熔化，形成“通道”，中間部分的Sn由“通道”被擠至表面形成反偏析[17]，最終形成的鑄坯形貌如圖7所示。吳子平等[18]認(rèn)為：向其中添加第3種元素，如添加Zn，對(duì)錫磷青銅組織性能均無(wú)明顯影響，但能改善合金流動(dòng)性，減小結(jié)晶區(qū)間，從而減輕其反偏析；或者降低鑄錠結(jié)晶凝固速度也會(huì)使反偏析程度減小。

2.6縮松

合金結(jié)晶溫度范圍很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較寬的凝固區(qū)域，而在此區(qū)域內(nèi)金屬液會(huì)形成晶核并長(zhǎng)大。凝固后期，由于金屬固相含量較多，枝晶生長(zhǎng)并連成骨架，然后便會(huì)將尚未凝結(jié)的金屬液分割成許多孤立的小熔池，這些金屬液凝固收縮后若得不到補(bǔ)充便會(huì)產(chǎn)生很多細(xì)微、散亂的小孔，即稱為縮松?；卮喝A等[19]發(fā)現(xiàn)在水平連鑄過程中施加18 A的工頻交流電磁場(chǎng)后，鑄坯凝固組織的細(xì)化尤為明顯，鑄坯的宏觀形貌由開始的粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)楹髞?lái)的細(xì)小等軸晶，縮松的分布情況得到明顯改善，如圖8所示，鑄坯的內(nèi)在質(zhì)量明顯提高。

由于鑄坯內(nèi)部組織、缺陷等無(wú)法直接通過肉眼發(fā)現(xiàn)，因此，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)鑄坯表面顏色變化、結(jié)晶線形貌、鑄坯出口溫度分布等方式來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水流量、牽引程序和鑄造溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯質(zhì)量的控制。結(jié)晶器的性能通過鑄坯出口溫度、鑄坯表面質(zhì)量如裂紋、偏析等變化可直接反映。鑄坯出口溫度升高，說(shuō)明結(jié)晶位置前移，結(jié)晶器內(nèi)銅水散熱效率減弱；鑄坯出口溫度降低，說(shuō)明結(jié)晶位置后移，結(jié)晶器內(nèi)銅水散熱效率增強(qiáng)[20]。

3銅板帶水平連鑄的發(fā)展趨勢(shì)

紫銅和錫磷青銅合金板帶材的消費(fèi)領(lǐng)域主要集中在電子、電信設(shè)備及家用電器的接插件及配件、車用水箱等行業(yè)，其中引線框架銅帶、電纜帶、光伏銅帶等更是近年來(lái)銅板帶材消費(fèi)的主要對(duì)象[21]。而這些銅合金目前最常見也最難解決的主要缺陷便是裂紋和偏析。裂紋的產(chǎn)生主要是由于鑄坯受到的摩擦阻力、牽引力等合力大于鑄坯強(qiáng)度，現(xiàn)有的紫銅生產(chǎn)工藝可能與參數(shù)不匹配，嘗試通過增大后反推、延長(zhǎng)停頓時(shí)間、提高鑄造溫度等方面進(jìn)行改善，并設(shè)計(jì)出一套行之有效的工藝參數(shù)；對(duì)于反偏析傾向嚴(yán)重的錫磷青銅，這類合金產(chǎn)生的裂紋通常是由低熔點(diǎn)的偏析物將鑄坯表面進(jìn)行了填充而導(dǎo)致反偏析，反偏析缺陷較嚴(yán)重的會(huì)影響鑄坯后續(xù)的加工流程以及產(chǎn)品質(zhì)量，目前通過實(shí)際模擬以及相關(guān)學(xué)者的研究和工業(yè)實(shí)驗(yàn)都已證實(shí)通過電磁攪拌可以減弱鑄坯的偏析狀況。

4結(jié)論

銅板帶的水平連鑄技術(shù)仍有很多問題亟待解決，鑄坯質(zhì)量的提高要依賴于生產(chǎn)和科技人員的不斷努力以及加工裝備的不斷升級(jí)，在過去積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，更需要結(jié)合時(shí)代發(fā)展的背景，開闊思路、努力消化和吸收新生的的技術(shù)和理念，才能使水平連鑄技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。

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