铜及铜合金带坯立式连铸工艺应用分析

许冠浩

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳471039)

铜及铜合金板带材的生产方法主要有铸锭热轧开坯法、连铸带坯法、铸锭冷轧开坯法和热挤压开坯法，而开坯后的加工方法都是相同的[1]。以上4种生产方法中，铸锭热轧开坯法和连铸带坯法是目前主要的铜及铜合金板带材生产方法。

铸锭热轧开坯法是将铜及铜合金铸锭或锻坯加热到再结晶温度以上，并在热加工塑性区的温度范围内轧制板(带)坯[1]。因此，采用铸锭热轧开坯法时，铜及铜合金铸锭需要经过加热和热轧后方可向冷轧机供坯。连铸带坯法是将铜液铸造成带坯后直接向冷轧机供坯。与铸锭热轧开坯法相比，连铸带坯法属于低能耗、低污染的短流程生产工艺。

传统的连铸带坯法主要采用水平连铸和上引连铸供坯，但均存在单机列生产能力小、可生产合金品种少等缺点，不宜作为规模较大的铜加工企业的主要供坯工艺。铜及铜合金带坯立式连铸工艺，该工艺单机列产能大,适应的合金品种范围广，可满足大中型铜加工企业的生产需要。

1 工艺及设备介绍

铜及铜合金带坯立式连铸工艺最早由瑞典某公司于20世纪80年代进行研究开发，研究的初衷是为了解决水平连铸生产带坯所产生的重力偏析、效率低等问题。经过近30年的研究开发，目前该工艺可以生产紫铜、普通黄铜和部分复杂黄铜、青铜、白铜等合金[2]。铜及铜合金带坯立式连铸机由带浇注头保温炉、带热顶结晶器、冷却装置、二次水水箱、牵引机、在线铣面机、弯曲机构、矫直机构、剪切机和卷取机等组成(图1)。

带坯立式连铸生产工艺过程如下：原料由加料装置加入熔化炉内熔化，熔化后铜液经过成分分析和调整后，转入带浇注头的保温炉内保温静置，并调整铜液浇铸温度，然后将铜液经安装在保温炉浇注头底部的浇注管注入热顶内，铜液再经热顶流入结晶器内，并在结晶器内冷却凝固成铸坯；铸坯由牵引机向下牵引增长，经二次冷却水冷却至50℃以下，然后经在线铣面机铣去铸坯两个大面的表面缺陷，并由弯曲机构将铸坯弯曲；弯曲后铸坯经矫直机构矫直后，铸坯由垂直于地面状态改变为平行于地面状态，然后，铸坯经卷取机卷取成卷，待卷重达到设定重量后，由剪切机将铸坯中断，经检查合格后用天车将铸卷坯吊至堆放区堆放。

铜及铜合金带坯立式连铸机主要技术参数为：

产品种类：紫铜、普通黄铜和部分复杂黄铜、青铜、白铜

带坯规格：宽度600mm～1250mm

厚度15mm～25mm

铸造速度：450mm/min～1000mm/min(不同合金铸造速度不同)

卷重：min.9t

单机列产能：2万t/a～5万t/a

2 工艺应用分析

2.1 与铸锭热轧开坯法比较

相对于铸锭热轧开坯法，带坯立式连铸等连铸带坯法属于短流程生产工艺。在铜加工工序中，热加工工序占整个加工工序的能耗比例约为30%，占全部排放物的比例约为20%[3]。短流程工艺的核心是在确保产品质量的前提下取消了热加工工序，这是节能减排的根本措施，在节能中发挥重要作用[4]。

通过分析测算，铜及铜合金立式连铸等连铸带坯法生产工艺相对于铸锭热轧开坯法具有以下优势：1)节省铸锭锯切机、步进式加热炉和热轧机等设备的投资，可节约投资约5000万人民币；2)减少步进炉跨和热轧跨的厂房面积约10000m2；3)减少锯切工、铸锭加热工和热轧工等劳动定员约50人；4)省去铸锭头尾废料量、铸锭加热及热加工烧损等，提高成品率约3%；5)节省铸锭加热和热轧等能耗约300kW·h/t。

因此，相对于铸锭热轧开坯法，采用带坯立式连铸等连铸带坯法投资更省、占地更少、成品率更高、能耗更低、运营成本更低，具有较大的优势。

2.2 与传统的连铸带坯法比较

传统的连铸带坯法主要采用水平连铸和上引连铸供坯，上引连铸供坯工艺主要用于生产宽度较窄的紫铜带坯，因此，该工艺从产品规格、合金品种和产能上均受较大限制。水平连铸供坯工艺可以生产较宽规格带坯及铜合金带坯，但该工艺属于水平铸造，在铸造过程中存在重力偏析等缺陷，因此，多用于生产不易热轧的锡磷青铜、锌白铜、锡锌铅青铜和铅黄铜等合金带坯，且铸造速度较低，单机列产能小。

带坯立式连铸工艺为立式铸造，不存在因重力造成的偏析，相对于水平连铸，其生产的铸坯质量更好，理论上适用于生产全部的铜及铜合金产品。另外，带坯立式连铸可以达到较高的铸造速度，根据实际生产经验，某厂生产规格为660mm(宽)×15.5mm(厚)紫铜带坯，铸造速度在600mm/min以上，小时产能达3.5t以上。铜及铜合金带坯连铸法供坯工艺比较见表1。

表1中带坯上引连铸及带坯水平连铸适合的生产规模，是根据国内采用以上两种供坯工艺的铜加工企业的生产规模统计的。根据经验总结，如果大中型铜加工企业采用上引连铸或水平连铸供坯工艺作为主要供坯工艺，会存在熔铸机列数量多、设备占地面积大、劳动定员多、生产效率低和产品质量控制难度大(不同熔铸机列的产品存在差异)等缺点。因此，国内采用上引连铸或水平连铸作为主要供坯工艺的铜加工企业均为年产能≤2万t的小型企业，年产能3万t以上的大中型铜加工企均采用铸锭热轧开坯法。

带坯立式连铸供坯工艺铸造速度快，单机列产能大，其规模效应可以同铸锭热轧开坯法媲美，可满足大中型铜加工企业的生产需要。

3 结论

1)铜及铜合金带坯立式连铸工艺采用立式铸造方式生产铜及铜合金带坯，产品不存在重力偏析缺陷，可适应合金品种更广，且其铸造速度为水平连铸铸速的3倍以上，单机组产能大，生产效率较高，更适合作为大中型铜加工企业的主要供坯工艺。

2)同等规模的铜加工企业，相对于铸锭热轧开坯法，采用铜及铜合金带坯立式连铸工艺可节约设备投资约5000万人民币，节约占地约10000m2，减少劳动定员约50人，提高成品率约3%，降低生产能耗约300kW·h/t，在投资和运营成本及节能减排上具有较大的优势。