水平连铸在铜管生产中的应用进展

张衬新，余学德，王彤彤

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031)

水平连铸在铜管生产中的应用进展

张衬新，余学德，王彤彤

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031)

主要概述了水平连铸法生产铜管的工艺流程、主要设备、基本原理和工艺技术；此外,还阐述了水平连铸法生产铜管的应用现状,并指出了未来水平连铸法生产铜管的发展方向。

水平连铸；铜管；技术特点；发展现状；展望

铜是有色金属中应用最广泛的一种,其产销量仅次于铝。作为铜的加工产品,铜管具有导热性好、坚固耐腐蚀等优点,并广泛用作空调和制冷设备的螺纹铜管,建筑用铜水管、气管、采暖管,冷凝器用铜合金管、汽车同步器齿环管等。随着空调制冷、汽车、船舶、电站、海水淡化等行业的发展,铜及铜合金管的需求量也将逐年增加。目前生产铜管材主要使用离心铸造、水平连铸和半连铸挤制工艺3种铸造方式[1]。离心铸造生产的铜管组织不均匀,产品质量差；挤制管材虽然性能良好,但成品率过低,生产成本较高。相比之下水平连铸工序较短,性能较好,成品率高,且铸锭长度可随意控制。由于具有以上优势,水平连铸技术已然成为制备高质量铸坯的最佳方式,特别适用于近终形连续铸造。因此,生产企业及研究者对此也越来越重视。

1 水平连铸铜管的技术特点

1.1 水平连铸的工艺流程

水平连铸铜管生产工艺流程如图1所示[2]。

图1 铜管水平连铸流程

1.2 水平连铸的主要设备

水平连铸机的一般设备包括：中间包、分离环、结晶器、拉坯机、切割机、冷床、液压传动系统和微机控制系统等[3]。铜管坯水平连铸设备如图2所示,与其他断面铸坯水平连铸是不同的,其结晶器采用石墨内衬,内部为具有一定锥度的石墨芯,外面为铜水冷套。

图2 铜管水平连铸设备示意

1.3 水平连铸的基本原理

在水平连铸中,由于拉坯方向与分离环的热传导方向相反,金属液在旧坯壳处和分离环处分别凝固。由于2处结晶速度不同,2个结晶面即在拉坯方向上的坯壳厚度的最薄处(称为“热点”)。随着两个结晶面的长大,热点发生移动。如果在拉坯时热点强度不够高,坯壳即在此处断裂。因此,在拉坯过程中反推或暂停,会使热点坯壳厚度增加,新老坯壳稳固联结,继续拉坯时,就能把分离环与整个新形成的坯壳脱开,之后开始下一个拉坯周期,反复进行以实现连铸拉坯。

为了保证水平连铸过程能连续不间断地进行,至少应满足3个基本条件[4]：1)连续不断地补充金属液；2)结晶器内以某一速度结晶凝固某一区域的金属液,并按此速度将凝固的金属从结晶器中拉出；3)热量交换平衡,即液态金属转变为固态金属时释放的热量应是拉出结晶器后金属余热、冷却水带走的热量和其它方式散发的热量的总和。如不同时满足前两个条件,将导致水平连铸的失败。若不满足第3个条件,在一定范围内能够进行自我调整而达到新的热平衡。在这一区域里(从炉子到结晶器出口),金属从液体转变为固体,经过晶核的形成、晶粒的长大等一系列复杂的金属凝固过程,金属所处的状态可分为液态、固态和半固态。

1.4 水平连铸铜管的工艺技术

选择水平连续铸管工艺参数时,既要保证凝固的管坯及时拉出,以免冷却收缩抱紧芯子，也要保证凝固的管坯有一定的强度而不被拉断。因此,工艺参数的控制和监测在整个生产过程显得非常重要[5]。

1)铸造温度。铸造温度是影响铸锭质量好坏的关键因素[6]。在一定温度范围内,金属熔体温度越高,熔体粘度越小,流动性越好；反之,则熔体流动性越差。但过高的铸造温度形成的铸锭晶粒组织粗大,也容易产生缩孔、疏松与气孔等缺陷。而铸造温度过低会降低熔体去渣效果,增加铸造难度。

2)拉坯制度。水平连铸铜管一般采用“拉—停—退”，“拉—停”2种工艺,拉停因素相互制约。拉坯后中停,从而使金属液体在结晶器内有足够的时间冷却和凝固,使凝壳增加厚度和强度。此外,拉停后的反推可以防止凝壳与结晶器粘连,并同时清除石墨壁上粘附的氧化锌和金属锌,以减少石墨壁对锭坯的摩擦阻力[7]。

3)拉坯速度。拉坯速度是影响铸锭表面质量的一个关键因素。拉坯速度越大时,凝壳初始形成时没有足够的时间散热而导致温度较高,从而降低了凝壳强度,拉坯阻力与热应力相同时,其具有更高的裂纹倾向;并且随着结晶器内液穴深度的增加,液穴底部与凝壳表面之间的温差加大,进一步增大热裂倾向。此外，拉坯速度过大还可能导致拉漏、拉断等现象。反之，拉坯速度越小时,结晶器壁与凝壳之间的接触面积变大,增大了石墨表面的摩擦阻力,从而增加了坯壳表面拉裂的可能性。此外,拉坯速度过慢导致冷却强度增加，显著降低表层凝壳温度，增大冷却收缩速度和幅度,随之增大了内层对外层的收缩限制应力,从而使得拉坯产生裂纹的倾向增大,同时产品的生产效率必然降低。所以,选择合适的拉坯速度不仅能避免产生缺陷、提高铸锭质量,同时也确保了良好的生产效率。

4)冷却方式。水平连铸空心管坯的冷却方式有2种,分别是单独控制一次冷却水和二次冷却水。增加一次冷却的强度并降低二次冷却强度,此时管坯凝固线向炉口移动,加深液穴从而增大拉锭阻力;反之则降低拉锭阻力。当铸造温度和铸造速度在合适大小时,冷却强度对铸锭组织和管坯表面质量的影响作用巨大。冷却强度过小,合金熔体内容易形成粗大的等轴晶与树枝晶,并且可能导致拉漏或拉断;冷却强度过大,管坯表面容易产生冷隔或裂纹等缺陷。因此,选择合适的冷却强度,将有利于细等轴晶和柱状晶的生长。

2 水平连铸铜管的发展现状

水平连铸技术始于20世纪50年代,最早应用在有色金属生产中。由于开发初期铸机性能的局限性和技术难点的存在,其产量与效益均不理想，因而未能受到重视。20世纪70年代，空心管坯水平连铸技术被开发出来,并于80年代应用至实际工业生产,之后逐渐在连铸家族中崭露头角。

20世纪90年代，河南省新乡金龙精密铜管有限公司在引进国外铜合金空心管坯水平连铸设备的基础上对水平连铸空心管坯工艺进行了多项改进，生产出满足后续工序质量要求的管坯,因此得到了研究者的极大关注。江苏常州兴荣高新科技有限公司研制了水平连铸、行星轧制铜管生产线,成为空调铜盘管新建生产线的主流选择,使得水平连铸新技术在国内的发展更加迅速。21世纪初，国内部分科研院所和生产企业探索白铜管坯的水平连铸法生产方法，李新涛和李廷举等[8]采用拉—停—反推—停的拉坯工艺,在实验室成功制备了Φ83 mm×20 mm的BFe10-1-1和BFe30-1-1空心管坯。

宁波市金田铜业集团使用再生原料直接生产铜加工材料中,开发了一种新型64线多面、潜流式水平连铸新技术[9]，也称为“金田法”，并建成了连续化、自动化、环保化的黄铜棒、型、线、管生产线，以潜流联体炉为主的连铸机列的装机水平也进入了国际先进行列。金龙精密铜管有限公司圆满完成了“精密铜管连铸连轧关键技术及产品的研发和产业化”项目[10]。2012年10月经专家鉴定，这个具有自我知识产权的项目已达到世界先进水平，不仅生产工序短，制得的铜盘管质量好、盘重大，可以达到超长长度，同时显著提高了产品的生产效率和成品率。

3 展望

随着科技的进步,对原材料的要求越来越高,为提高铸坯的综合性能,发展合理的水平连铸工艺已成为必然。目前,水平连铸研究主要集中在水平连铸结晶器的优化设计与应用,如将电磁搅拌技术引入到结晶器的设计当中、自动化技术在水平连铸上的应用、基于拉坯力理论计算的水平连铸机结构和工艺(拉坯制度、反推频率等)优化、相关数值模拟和工艺理论基础研究等方面。近年来,水平连铸逐渐向生产高性能和高精度产品方向发展[11]。未来,在铜及铜合金管的加工领域,水平连铸生产铜管的技术将向高速度、高质量、近终形的方向发展。发展新型短流程、近终形工艺的水平连铸方法制备空心管坯将日益受到研究者和生产企业的关注。

[1] 阎志明.铜及铜合金管坯水平电磁连续铸造技术研究[D].大连：大连理工大学,2009.

[2] 陈园.水平连铸同步器齿环铸造工艺缺陷的研究[D].武汉：湖北工业大学,2012.

[3] 宫雪娜.铜管水平连铸过程的数值模拟研究[D].大连：大连理工大学,2005.

[4] 胡萍霞.高强耐磨复杂黄铜HMn62-2.5-1.3-1铸棒生产[J].连铸, 2003(6)：17-19.

[5] 郭淑梅,王硕.轿车同步器齿环材料生产工艺研究[J].河南冶金, 2000(6)：16-20.

[6] 周玉雄.黄铜管“连铸-冷轧法”生产技术研究[D].长沙：中南大学, 2012.

[7] 韩淑敏,刘刚,赵军.铸轧法生产H65黄铜带工艺研究[C]//中国铜加工技术创新文集.北京：中国有色金属加工工业协会,2006：281-291.

[8] 李新涛,李廷举,张兴国,等.BFe10-1-1铜合金空心管坯水平连铸探索[J].稀有金属材料与工程,2006,35(11)：1806-1808.

[9] 王碧文.铜加工短流程工艺向节能低碳发展(二)[N].中国有色金属报,2010-11-4(6).

[10] 邹建成.中国铜加工技术发展趋势[J].中国有色金属,2013(16)：30-32.

[11] 李伟轩.电磁场在铜连铸中应用的研究[D].上海：上海大学,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

张衬新(1985—),女,从事有色金属加工工程设计工作。