上引法生產(chǎn)大載荷水冷銅導(dǎo)體工藝探究

程敘毅，汪傳燦

（蕪湖長潤特種銅線有限公司，安徽蕪湖 241009）

大載荷流體冷卻用銅導(dǎo)體，是一種用于工業(yè)爐窯、發(fā)電機、整流器等大電流傳導(dǎo)中平衡電容的一種專用導(dǎo)體，因其需要承載大電流和持續(xù)發(fā)熱，所以需要進行冷卻，傳統(tǒng)的產(chǎn)品采用銅母線和銅管經(jīng)過銅焊后進行使用，存在流程長，多道次加工，焊接不牢固，銅母線與銅管之間接觸面積小，導(dǎo)熱效果差以及成本高等眾多問題。本文所涉及利用上引連鑄法能夠直接生產(chǎn)一體成型的大載荷流體冷卻用導(dǎo)體，其中含氧量可達高純無氧產(chǎn)品要求，產(chǎn)品最大寬度達到350mm，氧含量≤10PPM，電導(dǎo)率≥58MS/m，公差≤±0.2mm，生產(chǎn)的產(chǎn)品具有表面光亮、性能穩(wěn)定、安全可靠，導(dǎo)熱效率高等特點，直接用于工業(yè)爐窯、發(fā)電機、整流器等大電流傳導(dǎo)電容平衡設(shè)備，利用該方法生產(chǎn)具有生產(chǎn)工藝流程短、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品外觀好等特點。

圖1 常見大載荷導(dǎo)電體截面示意圖

1 主要設(shè)備及工藝

1.1 主要設(shè)備

上引爐、鋸切機

其中上引連鑄設(shè)備由熔化爐（單熔溝）、潛流槽、保溫爐（雙熔溝目的：確保爐內(nèi)溫度均衡）、伺服控制鑄機和收卷機組成，此設(shè)備可生產(chǎn)寬度350mm以內(nèi)的多種規(guī)格水冷銅導(dǎo)體。

1.2 工藝流程

陰極銅→熔化爐（融化）→過渡倉→保溫爐→連鑄機→鑄造成型→收卷或鋸切清理→包裝入庫

主要流程為：陰極銅直接加入上引組合爐中的熔化爐，經(jīng)工頻感應(yīng)熔煉成銅液，熔化后銅液經(jīng)過潛流式過渡倉，平穩(wěn)的潛流到具有較好保溫效果的雙熔溝保溫爐中，保溫爐表面覆蓋石墨片，熔化爐表面覆蓋木炭，銅液在木炭的作用下還原，然后銅液在保溫爐中通過上引伺服連鑄機中的結(jié)晶器將銅液快速結(jié)晶成所需形狀鑄坯，同時經(jīng)過伺服連鑄機上的牽引軋輥將其向上牽引，鑄坯從伺服連鑄機牽引機構(gòu)引出后，經(jīng)過導(dǎo)向架、收線限位裝置導(dǎo)入收卷機或進行在線鋸切定尺，最后進行包裝入庫。

2 產(chǎn)品質(zhì)量要求

產(chǎn)品表面光潔，無裂紋、毛刺、砂眼等，通水孔四周厚度均勻，氧含量≤10PPM，電導(dǎo)率≥58MS/m，公差≤±0.2mm。常見產(chǎn)品截面形狀如圖1所示。

3 過程控制及要求

3.1 原料要求

在上引法中，原料對于產(chǎn)品質(zhì)量控制存在舉足輕重的作用，一般對產(chǎn)品性能影響較大的如Pb、As、Sb、Bi等雜質(zhì)元素在熔煉工序基本不會混入，我們這里采用的是國標(biāo)1號標(biāo)準(zhǔn)銅，Cu+Ag不小于99.95%，且表面潔凈、無油污、粒子、銅豆、銅綠等現(xiàn)象，并確保其干燥貯存。

3.2 熔煉工序

熔煉過程，我們采用的是500Kg熔化爐，入爐前先將電解銅放置在熔化爐上方進行烘烤、干燥，對表面有害附著物進行清除，利用專業(yè)吊具緩慢加入爐內(nèi)，這一過程主要注意的是保證銅料干燥、干凈，同時在銅液表面覆蓋100-150mm的木炭進行隔氧，確保保溫爐液位波動不大于±5mm，定期清理木炭灰。

3.3 工裝準(zhǔn)備

上引法生產(chǎn)大載荷水冷銅導(dǎo)體工裝主要有結(jié)晶器，與上引法生產(chǎn)無氧桿結(jié)晶器存在一定區(qū)別，我們這里采用的結(jié)晶器是兩處進水和兩處回水設(shè)計，使冷卻水循環(huán)速度和循環(huán)效率大大增強，冷卻均衡。結(jié)晶器示意圖如圖2所示。

結(jié)晶器準(zhǔn)備第一步就是查看結(jié)晶器外觀是否變形，快速接頭及焊縫處是否漏水或滲水現(xiàn)象，然后將石墨模具進行打磨安裝，使其盡量貼合冷卻壁，一般貼合率不小于70%，對于有變形的結(jié)晶器采用石墨粉填充的方式增加接觸面，最后將端面用硅酸鋁纖維、玻璃纖維帶扎緊，安裝保護套，并將石墨模具與保護套之間的縫隙用石棉填充。

圖2 結(jié)晶器示意圖

3.4 鑄造工序

鑄造過程，我們采用的是300Kg+300Kg雙保溫爐，采用雙熔溝保溫爐是為了使溫度更加穩(wěn)定,銅液上部覆蓋石墨鱗片80-100mm，主要作用是隔絕氣體和保溫，鑄造前，要將安裝好的結(jié)晶器接上進出水管，石墨模具一端在爐口進行充分烘烤，同時觀察期是否漏水，然后將引導(dǎo)排從結(jié)晶器上口安裝至離石墨模具下端面5-10mm處，從上口加入石墨鱗片至結(jié)晶器高度三分之一處；鑄造時，結(jié)晶器上的石墨模具在保護套的包圍下插入銅液中，保護套上口與銅液液面距離約30-40mm，銅液上下波動控制在±5mm以內(nèi)，此外，鑄造溫度、鑄造速度、冷卻溫度等工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量保證也非常重要。

3.4.1 鑄造溫度

鑄造溫度即保溫爐溫度，我們采用的是雙熔溝保溫爐，因為對于水冷銅導(dǎo)體這種截面積較大的的產(chǎn)品來說，溫度較上引法生產(chǎn)無氧桿波動大，雙熔溝有利于溫度的控制；鑄造溫度可以說對產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用，因為溫度過高會導(dǎo)致結(jié)晶過程變慢、銅液吸氣大量增加，造成鑄坯上存在氣孔缺陷，且晶粒粗大，此外，溫度高也導(dǎo)致能耗較高；鑄造溫度過低將出現(xiàn)銅液流動性不足，兩側(cè)冷卻面積大的地方出現(xiàn)不能及時補充收縮，嚴(yán)重出現(xiàn)裂紋、冷隔、穿孔、拉斷，甚至因阻力大而無法牽引。

3.4.2 鑄造速度

我們知道，上引連鑄是利用真空將熔體吸入結(jié)晶器，銅液經(jīng)過石墨模具與冷卻水進行熱交換，實現(xiàn)冷卻與凝固，同時牽引裝置不停的向上牽引，實現(xiàn)連續(xù)鑄造。鑄造過程中，鑄坯由兩邊向中間逐步冷卻，兩側(cè)冷卻接觸面積大，速度過快會導(dǎo)致形成如圖3所示快速牽引時結(jié)晶紋形狀倒立式圓弧狀結(jié)晶紋，導(dǎo)致晶粒粗大，甚至出現(xiàn)中間未充分冷卻，來不及結(jié)晶而導(dǎo)致中心拉漏或孔洞；速度過慢會造成過度冷卻，表面與結(jié)晶器摩擦增大導(dǎo)致鑄坯表面裂紋，損傷模具，增大牽引力，甚至出現(xiàn)損傷模具，造成牽引失敗。

圖3 不同速度結(jié)晶紋形狀

3.4.3 冷卻強度

冷卻強度大小與產(chǎn)品質(zhì)量是密不可分的，冷卻強度大，晶粒細，性能好，但是也要與鑄造速度和鑄造溫度進行合理搭配，避免出現(xiàn)冷卻強度過大或過小導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題或者牽引失敗，增加冷卻水強度主要方法有降低冷卻水進水水溫，增大冷卻水水壓等。實踐中我們采用自循環(huán)式低硬度冷卻水，冷卻水回水通過冷卻水過濾裝置，保證水質(zhì)清澈、無雜質(zhì)，降低結(jié)晶器結(jié)垢的概率。冷卻水進水水溫一般控制在35℃以下，水壓控制在200-300Kpa。

通過生產(chǎn)實踐，我們總結(jié)出以下工藝參數(shù)，經(jīng)過規(guī)范、合理的操作，可以生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品，具體如下：

熔化爐溫度：1090-1180℃

保溫爐溫度：1130±5℃

進水溫度：28-35℃

出水溫度：40-50℃

水壓：200-300Kpa

節(jié)距：1-2mm

引速：30-50mm/Min

以上參數(shù)參考截面積在2000-8000mm2產(chǎn)品進行生產(chǎn)，實際生產(chǎn)中對于不同規(guī)格及形狀還需進一步調(diào)整，一般隨著產(chǎn)品截面厚度大于10mm的采取牽引速度不大于35mm/Min，產(chǎn)品截面厚度小于10mm的采取牽引速度上限為50mm/Min，同時截面越復(fù)雜的牽引速度取下限。作為大載荷水冷導(dǎo)體，最重要的是產(chǎn)品組織要致密，不能有裂紋、氣孔、沙眼等缺陷，所以在生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)具體規(guī)格及出現(xiàn)的問題及時進行調(diào)整，對產(chǎn)品進行封閉試壓、試水檢測。

實踐證明，做好各工序的過程把關(guān)，嚴(yán)格按照工藝要求進行操作，生產(chǎn)的產(chǎn)品具有表面光亮，公差一致性好，無需進行二次銑面，產(chǎn)品通水部分不滲水、不漏水，可直接用于工業(yè)爐窯、發(fā)電機、整流器等大電流傳導(dǎo)電容平衡的導(dǎo)體使用，同時氧含量可達到無氧水平，熱傳導(dǎo)效率高，大大提高了工效和經(jīng)濟效益。此外,該套設(shè)備還可以生產(chǎn)帶坯,與水平連鑄相比,不需銑面,直接進行軋制,成材率高。