SCR连铸连轧铜杆工艺形成机理及质量管控研究

郭振兴，朱海鹏

（江西铜业加工事业部，江西 南昌 330000）

铜杆作为电线电缆行业中最重要的原材料，促进互联网通讯以及轨道交通事业的迅猛发展，是国民经济中不可替代的重要组织结构。受到电线电缆在新领域的更广泛应用，对电工所用铜杆的种类和质量提出新的高标准要求。连铸连轧工艺被广泛使用的原因有生产周期短以及配料温度均匀和成材率高等，在减少能源损耗的发展环境下，利用该工艺能够大幅度增加能源的利用率，为铜杆生产提供新的发展方向。通过连铸连轧的生产技术，每年的铜杆产量生产效率都有大幅提升，并且该工艺下的铜坯能够直接在轧机中进行轧制，最大程度地减少了二次加热的能量消耗。利用连轧工艺制作的铜杆受多次致密错位操作，其内部的组织结构十分密集，完成的成品成材率可以保持稳定的生产速度。现如今世界范围内超过九成的铜线铜杆工艺制品，均在连铸连轧的技术下生产完成，其中产量最高、质量最好的连铸连轧生产工艺由美国南方线材公司研制，称为SCR法。本文通过研究SCR连铸连轧铜杆工艺的形成机理，设计铜杆质量管控方法，为更好地生产铜杆成品提供科学的理论依据。

1 SCR连铸连轧铜杆工艺形成机理

连铸连轧工艺是将电解后的铜原料放置在感应电炉中完成熔化，利用保温铜液在五轮铸造机中不断地形成梯形坯料，在通过连轧机架组轧制成杆后冷却清洗。上述流程下会产生三种状态：一是自由轧制在连轧机的机架间保持相等秒流量时，在机架间的轧件保持不受拉和不受压的对等状态，此时轧件不会产生变形效果，但由于金属的秒流量会在多种因素作用下发生变化，因此该状态不会经常发生[1]。二是张力轧制又称为拉钢轧制，表示为轧件通过连轧连铸过程时，轧制线的方向只能沿两个相邻的机架进行运转，在机架间产生的金属秒流量存在较大参数的张力，使相邻机架间的成品工艺参数发生变化。若想消除该秒流量体积减小，只能在两个机架运作时将秒流量差归零，但配料会造成浪费。

2 SCR连铸连轧铜杆质量管控方法

2.1 建立有限元检测模型

连铸连轧工艺在投入使用过程中坯料的高温乳化，会造成轧件的温度变化使之与轧辊的接触换热系数发生扭转，造成成品质量的降低。因此建立有限元模型来检测轧辊与轧件之间的换热系数，保证在室内的空气温度和外界温度相一致情况下，可以准确评估整体连铸连轧过程的接触换热。利用分段建模的方式对粗轧机组设置两道次对称轧制，在精轧机组完成四道次的轧制过程后将粗轧机叠加至四道次，根据二分之一的轧件整合理论对轧辊完成切割提取。在精轧机组通过六次以上的道次轧制后，将原有二分之一的整理切割变为四分之一轧辊，对粗轧机的轧件材料选用高尺寸的坯料，经过轧件断面的网格划分模式扩展成行体格，按照上述双倍道次循环放置对称轧制组件完成建模。

2.2 定位剪切断裂失效位置

通过定位制作过程中断裂的剪切通道位置，能够判断轧辊与轧件之间是否发生粘连情况，在轧制时金属材料会产生相对滑动的现象，根据不同金属材料的内部化学元素成分，进行结合界面的粘连比例关系划分，按照数值大小进行排列。一接触面表界的粘连比例在不同金属元素结合时，较小的数值会发生接触表界的断裂。轧辊产生向上微凸的体态，与轧件依旧能够产生相对的剪切运动。二接触表界的粘连比例在不同金属内部结合后产生较大的数值变化，含量较少的金属会产生一侧断裂，轧件的抗弯曲能力此时最差时，无法自动消除推力产生的机架秒流，断裂金属只能在机架中不断推进，导致大量的轧件打结和击导现象。当堆积量超过为断裂金属轧件时，含量元素的软金属会发生两侧瞬时横向断裂，根据不同情形下的剪切断裂的失效位置，进行不同接触界面与金属材料元素结合的压制线高度调节[2]。

2.3 调整轧制线高度管控铜杆质量

轧线的水平高度和铜杆质量之间存在正向联动关系，一般轧线的垂直距离要和轧制高度呈对称状态，才能保证理想的质量管控。在制作过程中，轧线的垂直高度会与设定值之间存在误差，因此，对应的轧制状态中，轧制的高度会发生变化产生倾角坡度，使得轧件上下表面出现10°～15°的咬合夹角。在上表面的咬入角度不断增加状态下，轧件上表面会产生一定的延伸率促使其内部金属的流动速度过高，表现为轧件板形的轧件头部呈下弯趋势。调整步骤分为两部分：一是对轧辊的位置调整，利用设备的归零操作对轧辊的位置完成自动参数设置，促使钢水在经过连铸机器后直接到加热炉加热，不等铸造余温降低完成轧辊的位置选定。二是轧制线的调整，在轧制过程中轧制线进行合理调整，及时去除残余坯料，可以获得较好的连轧连铸铜杆板形。

3 实验与结果分析

3.1 实验准备

为验证本次设计的质量管控方法具有实际的使用功能，通过实验测试的方式检验该方法的应用效果。由于某省SCR连铸连轧生产线中铜杆轧制过程存在工艺问题，导致其产品的质量受到影响[3-6]。本次针对铜杆在连轧生产中存在的不合理现象进行管控，通过改变连轧过程中秒流量的电流比值，对生产线上的各个电机转速逐一完成调整，分批次进行目标转速的标准值设定，从而控制成品铜杆的扭转性能指标。

3.2 管控过程

该指标可以作为成品铜杆质量的测量标准，在成品表面存在缺陷时可以利用扭转性能使其的抗拉强度得以改善，完成质量的把控。根据该工厂原有设定的7个标准电机运行负载，运用本文方法加以管控，下表1为管控前后的各组电机负载变化情况。

表1 管控前后电机负载情况（%）

根据表中数据可知，按照原有的工艺生产流程每组电机承受的负载相差较大，最高负载为第7组电机，最低负载为第一组电机，两者的电流比相差51%。超过了负载的一半。在本文方法的管控下可以明显看出，各个电机负载呈现均衡运行状态，最高负载由97%降低到了72%，现有最高负载和最低负载的差值仅为4%。

3.3 结果分析

通过调节各组电机的电流比值，完成对生产过程中推拉状态的管控，为验证管控前后的铜杆表面样貌发生变化，抽调管控前后铜杆表面的制作画面，具体情况如下图1所示[4]。

图1 铜杆表面形态对比

如图所示（a）中的箭头表示轧制的工艺方向，圈中的部位为表面形成的裂纹。经过对比发现原有在（a）中圈定的裂纹已经消失不见。由此可知在文本方法下可以对连轧生产工艺中铜杆出现的问题进行有效管控，提升整体产品质量。

4 结语

通过建立有限元模型，定位剪切断裂失效位置，调整轧制线高度，完成SCR连铸连轧铜杆工艺的质量管控方法设计。实验结果表明文本方法下可以对连轧生产工艺中铜杆出现的问题进行有效管控，提升整体产品质量。但由于铜杆的连轧延伸系数较大，建模后的网格畸变系数会造成轧件单元数量的增加，延长工作时间。后续在研究过程中会针对这一问题进行改进，保证在标准的工作效率中平稳地制作铜杆成品，为工业生产提供理论依据。