銅連鑄坯中裂紋和孔洞的形成機理和工藝控制研究

趙大軍

(中鋁昆明銅業有限公司，云南 昆明 650502)

1 引言

隨著現代銅材連續鑄造和加工工藝的日趨完善，連鑄連軋工藝已經成為銅線坯生產的最主要方法。目前，與連鑄連軋工藝有關的文獻大多是關于連鑄連軋工藝控制、生產線適應性改造以及應用等相關方面的文章[1－5]，而對連續鑄造過程中鑄坯中缺陷的形成機理和原因分析以及相應的工藝控制措施的報道很少。

本文主要就是針對銅線坯連鑄連軋生產過程中鑄坯中的裂紋和孔洞缺陷的形成機理以及產生缺陷的可能原因進行探討，并提出了相應的工藝控制措施以減少缺陷對鑄坯質量和最終的線坯質量的影響。

2 銅連鑄坯中的缺陷

2.1 孔洞缺陷

在連續鑄造過程中，由于工藝控制不當，鑄坯中會形成一些孔洞缺陷。鑄坯中常見的孔洞主要有以下兩種:內部疏松、氣孔(圖1)、中心孔洞(圖2)。

2.2 裂紋缺陷

裂紋是銅連鑄坯的主要缺陷。在各種鑄坯缺陷中，裂紋缺陷約占整個鑄坯缺陷的50%以上。鑄坯中常見的裂紋主要有以下兩種:內部裂紋(圖3)、表面裂紋(圖4)。

3 孔洞、裂紋形成的機理

3.1 孔洞形成的機理

在連續鑄造過程中，鑄坯中孔洞的形成主要有以下三種機理[6－7]:

(1)在連續鑄造過程中，與熔融銅液接觸的氣體主要有O2、CO2、CO和H2O。氣體孔洞的形成與H2O密切相關，在熔鑄過程中存在H2O(g)=[O]+2[H]的平衡反應關系，溶于銅液中的氫和氧在凝固時發生水蒸汽反應從而形成氣體孔洞。

(2)在SCR生產線的連續鑄造過程中，當澆鑄速度過低時，從銅液中析出的氣體上浮速度大于澆鑄速度時，氣體大部分能夠逸出液面;隨著澆鑄速度的提高，沒有逸出的氣體在銅液中聚集而形成較大的氣孔;當澆鑄速度大于55'/min時，大量氣孔在鑄坯中開始聚集導致鑄坯中出現氣體孔洞，見圖5。

圖5 澆鑄速度和鑄坯內部孔洞形成的關系[7]

(3)在SCR生產線的連續鑄造過程中，由于鑄造輪和鋼帶的涂炭層不均勻、澆鑄溫度不穩定、鋼帶和鑄造輪變形等情況很容易導致鑄造輪和鋼帶的表面受損，在受損處容易發生粘銅、開裂現象。上述情形使得在鑄造時氣體的上浮受阻，從而氣體排出困難而發生聚集，并在鑄坯中形成氣體孔洞。

3.2 裂紋形成的機理

銅連續鑄造過程是一個動態的凝固過程。鑄坯裂紋的形成是傳熱、傳質和應力共同相互作用產生的結果。鑄坯在連續鑄造過程中，各種力的共同作用結果是形成裂紋的外部因素，而鑄坯對于裂紋的敏感性則是形成裂紋的內部因素。連續鑄造過程中鑄坯是否會產生裂紋主要取決于鑄坯的高溫力學性能、鑄坯的應變行為、凝固熱力學行為、凝固動力學行為和鑄造機設備的運行狀態。鑄坯的開裂主要有內部開裂和表面開裂兩種形式，其中內部裂紋是造成鑄坯開裂的主要因素。

內部裂紋主要出現在鑄坯的凝固前沿，絕大部分產生在凝固過程中，特別是在鑄造輪的冷卻區，由于鑄坯在凝固過程中熱應力、機械應力等作用在相對脆弱的凝固界面上從而產生裂紋，大多數情況下裂紋還會伴隨著出現偏析。銅液在凝固時，由于在鑄坯的外殼與液態相、鑄坯軸向、鑄坯的四個角部與其中心的三個方向上都存在著不同的溫度梯度。因此，鑄坯從外表面向中心部位就存在著與之相對應的不同的密度梯度。當溫度梯度發生變化時，密度梯度也隨之發生改變，鑄坯中原有的應力平衡被打破，于是在鑄坯的內部就會產生熱應力。當后續冷卻增強時，鑄坯表殼與中心的溫度梯度會增大，密度梯度也隨之增大，鑄坯表殼承受張力作用，鑄坯的凝固前沿承受壓應力作用，在樹枝狀結晶結合較弱的地方就有可能產生裂紋。當冷卻較弱或完成停止時，鑄坯表面的溫度會回升，鑄坯表殼因溫升再加熱而發生膨脹，鑄坯表殼承受壓應力作用，鑄坯內部承受張力作用，此時，很容易產生內部裂紋缺陷。按照裂紋產生的部位不同，內部裂紋分為中間裂紋、角部裂紋、擠壓裂紋和中心裂紋等[8－10]。

(1)中間裂紋:在鑄坯的外表面和中心部位之間的某一位置，在柱狀晶的晶間產生的一種裂紋形式。中間裂紋產生的主要原因是由于鑄坯表面的溫度回升而形成的。在SCR的連續鑄造過程中當鑄造速度過快、澆注溫度過高時也同樣會產生中間裂紋。

(2)角部裂紋:角部裂紋的形成與鑄坯出鑄造輪的脫模有密切關系。梯形銅連鑄坯的四個面的冷卻不均勻就會在四個角部產生裂紋，這就要求在SCR連續鑄造過程中必須確保鑄坯在脫模后的足夠的后部冷卻(二次冷卻)。

(3)擠壓裂紋:在SCR的連續鑄造過程中，鑄坯在鑄造輪中隨鑄造輪的運行而產生的彎曲、脫模后離開鑄造輪的彎曲和在進入軋機前在輸送輥道上的矯直過程中受到的壓應力超過鑄坯本身的應力極限就會產生擠壓裂紋。

(4)中心裂紋:在鑄坯的橫截面上粗大的等軸晶間形成的裂紋。在SCR的連續鑄造過程中由于鑄造速度的頻繁變化而引起鑄坯凝固末端位置也會隨之產生頻繁變化，凝固末端附近的凝固前沿互相“搭橋”的概率也就會相應增加，從而誘發鑄坯中心部位產生裂紋。

表面裂紋產生的原因主要是由于不均勻冷卻、二次冷卻較強、澆管錐度不合適和澆鑄溫度較低等，在外力的作用下導致鑄坯表面產生開裂現象。

4 減少孔洞、裂紋缺陷的工藝控制措施

4.1 減少孔洞缺陷的工藝措施

通過對孔洞缺陷的形成機理分析，要想減少孔洞缺陷的形成，應在以下幾方面進行嚴格的控制[7－11]:

(1)原料的處理。原料在入爐前，需對銅原料表面進行清潔處理，減少原料表面的水分、油污、雜物等。

(2)氣氛的控制。嚴格控制豎爐、保溫爐及溜槽系統中燃氣/空氣的燃燒氣氛(空燃比)和燃燒速率，以改善銅液中的氧和氫的含量，并盡量防止潮濕的空氣吹入銅液。

(3)涂炭工藝的控制。應嚴格控制鑄造輪和鋼帶表面的涂炭層厚度。防止因涂炭層太薄或不均勻而導致鑄造輪和鋼帶表面粘銅、鑄坯內部氣孔增加、鑄造輪和鋼帶壽命降低現象。同時也應防止因涂炭層過厚導致鑄造輪和鋼帶的熱傳導性能降低、鑄坯組織過粗的現象。

(4)鑄造輪干燥工藝控制。鑄造輪模腔溫度(模溫)應控制在100℃左右，同時應在鑄造輪槽上增加一個U形風管以吹干鑄造輪模腔表面的水分，減少鑄坯的內部孔洞。

4.2 減少裂紋缺陷的工藝措施

通過對裂紋缺陷的形成機理分析，要想減少裂紋缺陷的形成，應該在以下幾個方面進行嚴格控制[10]:

(1)銅液的過熱度。在SCR的連續鑄造過程中，鑄坯的柱狀晶區和等軸晶區的大小主要取決于銅液的過熱度。過熱度大，銅液中形成的各種夾雜物就會比較多，鑄坯的收縮量大，在相同冷卻強度的情況下鑄坯表殼較薄，鑄坯的高溫力學強度就會較低;相反過熱度小時鑄坯可以獲得比較細小的鑄態結晶組織，但是過熱度如果過小，銅液的流動性就會變差，銅液粘度增加，不利于銅液中形成的各種夾雜物的上浮，而且還會增加連續鑄造過程中的操作難度。因此確定科學合理的過熱度和準確的鑄造輪分區的冷卻制度可以有效地抑制柱狀晶的生長，以減少鑄坯的中心裂紋，生產實踐證明比較理想的過熱度是20～25℃。

(2)澆鑄速度。在SCR的連續鑄造過程中，澆鑄速度及其變化率對鑄坯的凝固厚度(凝固速率)、凝固末端位置、鑄坯結晶組織的構成和鑄坯高溫力學強度等都有著很大的影響。澆鑄速度的頻繁變化會引起凝固末端位置的頻繁變化，凝固末端附近凝固前沿互相“搭橋”的概率就會相應地增加，最終會誘發中心裂紋產生。穩定的澆鑄速度可以保證鑄造工藝參數和鑄造冷卻速率的穩定，液穴深度變化的減小也有利于減少中心裂紋的形成。

(3)冷卻系統。在SCR的連續鑄造過程中，冷卻狀況和冷卻條件對鑄坯質量的影響十分關鍵。如果鑄坯過冷將會使得柱狀晶發達，鑄坯高溫強度低;若鑄坯冷卻不夠，鑄坯表殼過薄而使鑄坯表面容易產生“鼓肚”現象。在熔融銅液和鑄坯的凝固過程中，由于涂炭條件和冷卻水量分布不均等會導致鑄坯溫度降低或溫度回升速度過快，導致鑄坯整體溫度不均勻，各部位收縮量不同而在鑄坯表殼產生熱應力作用，導致鑄坯中心部位撕裂而出現中心裂紋。優化連續鑄造工序的冷卻系統以提高銅液和鑄坯的冷卻效果、降低鑄坯斷面的溫度梯度，并適當增加后冷卻延長二次冷卻區，可以有效防止鑄坯表面重熔而造成的柱狀晶開裂，減少鑄坯“鼓肚”、“搭橋”現象出現，從而減少中心裂紋形成的可能性。

5 結論

(1)銅連鑄坯中孔洞缺陷主要為內部疏松、氣孔和中心孔洞;裂紋缺陷主要為內部裂紋和表面裂紋。

(2)銅連鑄坯中孔洞缺陷的形成主要是與熔鑄過程中的水蒸汽、澆鑄速度、涂炭層不均勻以及澆鑄溫度不穩定等有關;裂紋的形成是傳熱、傳質和應力相互作用的結果，取決于鑄坯的高溫力學性能、鑄坯的應變行為、凝固冶金行為和鑄機設備運行狀態。

(3)通過對銅原料的處理、熔煉氣氛控制、涂炭層控制和鑄造輪干燥工藝控制，可有效減少銅連鑄坯中的孔洞缺陷;通過控制銅液的過熱度、澆鑄速度和優化冷卻效果，可有效減少銅連鑄坯中的裂紋缺陷。

[1]唐麗，趙大軍，管桂生.鑄坯截面積大小對SCR連鑄連軋電工用銅線坯質量的影響[J].2010年中國銅加工技術與應用論壇，267－270.

[2]趙大軍.純銅澆鑄銅陽極模鑄件的裂紋及氣孔淺析[J].特種鑄造及有色合金，2010(3):288－289.

[3]趙大軍，介要奇.SCR連鑄連軋生產線液化氣加熱改造實踐[J].有色設備，2009(1):39－42.

[4]趙大軍，謝卉，高鵬.SCR法生產電工用銅線坯的工藝控制[J].銅業工程，2008(4):32－34.

[5]李剛，趙大軍，管桂生.SCR1600連鑄連軋制備接觸線用銅合金線坯的適應性改造[J].云南冶金，2009(6):44－46.

[6]禹建敏.對提高銅線坯質量的探討[J].銅業工程，2005(1):35－40.

[7]章文槐，劉紅芳.淺談SCR生產線鑄坯氣孔的形成及其預防措施[J].世界有色金屬，2011(2):70－71.

[8]景春，陳建軍，梁志剛.連鑄坯裂紋主要影響因素及對策研究[J].包鋼科技，2004(5):8－13.

[9]梁偉紅.連鑄坯裂紋成因及預防[J].湖南冶金，2002(1):28－31.

[10]俞巍巍.光亮銅桿裂紋產生原因及消除對策[J].安徽科技，2009(6):41－42.

[11]何劍輝.吳予才.淺析影響SCR法鑄坯質量的因素[J].中國有色冶金，2005(5):87－89.