銅板帶水平連鑄生產工藝及鑄坯缺陷探究

摘要：隨著國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展，國內對銅合金帶材的需求量也在逐年增加。水平連鑄是目前生產銅及銅合金帶材的重要工藝。主要從國內外水平連鑄技術的發(fā)展歷史、水平連鑄設備、水平連鑄的生產工藝流程、結晶器的基本結構和水平連鑄的優(yōu)點等方面對銅板帶的水平連鑄進行了論述與介紹。并且重點分析了銅合金板帶坯在凝固過程中產生表面凹坑、氣孔、晶粒不均勻、邊部裂紋、反偏析、縮松等缺陷的原因，并提出了相應的改善措施，有效預防了缺陷的產生，提高了帶材的成品率，延長了結晶器的使用壽命。并對銅板帶水平連鑄未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞：水平連鑄；銅板帶；結晶器；質量缺陷；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TG 290文獻標志碼：A

Research on horizontal continuous casting process of copper strip and casting slab defects

ZHANG Liangli1，WANG Songwei2，LIU Jinsong1，2，SONG Hongwu2，LIU Yufei3

（1.School of Materials Science and Engineering，ShenyangLigongUniversity，Shenyang 110159，China;2.Shi-changxuInnovation Center for Advanced Materials，Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang110016，China;3.JCC Copper Strip Co.，Ltd.，Nanchang 330096，China）

Abstract：With the continuous and rapid development of the national economy，the demand for copper alloystrip in the domestic market has also been increasing year by year.Horizontalcontinuous casting is an important process for the production of copper and copper alloy strips.This paper mainly discusses and introduces the horizontal continuous casting of copper strips from the aspects of the development history of horizontal continuous casting technology both domestically and internationally，horizontal continuous casting equipment，production process of horizontal continuous casting，basic structure of crystallizerand advantages of horizontal continuous casting.Inaddition，it also focuses on analyzing the causes of defects of copper alloy plate and strip during solidification such as surface pits，pores，unevengraindistribution，edgecracks，inversesegregation，shrinkage porosity and so on，and the corresponding improvement measures are put forward to effectively prevent the occurrence of defects，improve the yield of strips，and prolong the service life of crystallizer.Furthermore，an outlook on the future development trend of horizontal continuous casting of copper strips is presented.

Keywords：horizontal continuous casting;copper strip and slab;crystallizer;qualitydefects;development trend

隨著銅加工裝備的不斷升級以及人們對銅板帶產品的需求量日益增多，用水平連鑄的方法生產銅板帶坯開始逐步走進人們的視野。盡管銅板帶的生產工序相對簡便，節(jié)約了能源，但由于受鑄坯的厚薄、拉坯速度以及工藝穩(wěn)定性等多方面的影響，國內仍無法達到高精度、優(yōu)質銅及銅合金板帶材生產的制造條件，其合格率也難以進行重大突破，產品規(guī)格以及合金的品種也受到了相應的影響。因此，研究銅板帶水平連鑄的生產工藝，控制鑄造時各項工藝參數之間的匹配關系，探究鑄坯缺陷的產生原因并提出相應的解決措施，是提高銅板帶水平連鑄的鑄坯質量及擺脫產品規(guī)格限制的有效途經，具有重要的經濟和技術意義。

本文主要論述了某板帶公司的銅板帶水平連鑄生產工藝，重點分析了板帶坯在凝固過程中一些常見的缺陷并提出了相應的改善措施。通過工藝的改進有效地預防了缺陷的產生，延長了結晶器的使用壽命，提高了帶材的成品率。

1水平連鑄裝備及生產技術

1.1水平連鑄技術的發(fā)展

最初，連續(xù)鑄造技術應用于熔點較高的金屬鐵，在1840年Bessemer開始研究單輥和雙輥的連續(xù)鑄造，1950年連續(xù)鑄造技術和設備開始運用于工業(yè)流程[1]；到了20世紀60年代，瑞士Wertli公司首先將水平連鑄技術應用在銅合金帶坯的生產上[2]；20世紀70年代，歐、美、日本等工業(yè)發(fā)達國家經過多年在銅板帶坯水平連鑄工藝技術和裝備上的不斷摸索與創(chuàng)新，已經擁有了比較成熟和先進的銅板帶水平連續(xù)鑄造技術。至此，這項技術開始被廣泛應用于銅及銅合金加工生產領域。

而我國的銅及銅合金板帶的水平連鑄技術起步較晚，1984年通過對從德國T·G公司引進的拉坯機、微機控制系統(tǒng)和結晶器三大關鍵技術進行消化和吸收[3]，國內的銅合金水平連鑄技術才開始迅速發(fā)展。用水平連鑄法生產的銅帶產品涉及范圍包括各種不同規(guī)格的黃銅、紫銅、錫磷青銅和鋅白銅等，最近十幾年銅加工行業(yè)在錫磷青銅和鋅白銅的帶坯生產中幾乎都采用了水平連鑄技術生產帶坯[4]。

1.2水平連鑄設備

銅板帶坯水平連鑄機組主要由熔煉爐、保溫爐、結晶器、牽引機、剪切機、卷曲機等組成，具有熔煉、鑄造、剪切、卷曲等多種功能[5]。圖1是銅板帶坯水平連鑄原理示意圖，銅液經由結晶器入口進入型腔，在結晶器中通過冷卻水的作用凝固成型后由牽引系統(tǒng)緩慢拉出結晶器，并通過二次冷卻水的作用對成型的鑄坯進行降溫。其中結晶器作為水平連鑄生產銅及銅合金板帶材的關鍵部件，直接影響到鑄坯的質量及后續(xù)的加工流程。銅板帶的水平連鑄與以往采用的立式半連續(xù)鑄造相比，其主要特點是鑄造的空間封閉。水平連鑄在一般情況下都采用石墨內襯結晶器[6]，結晶器直接和保溫爐相連且水平放置，鑄坯在水平方向被牽引機緩慢拉出。水平連鑄技術生產銅帶坯在產品的規(guī)格、合金的品種、制造工藝等方面優(yōu)勢明顯，帶坯的性能、凝固組織也相對容易掌控，目前是鋅白銅帶、錫磷青銅帶、磷脫氧銅空調管等常用銅產品制坯的主要方式。

1.3水平連鑄生產工藝流程

銅帶坯水平連鑄生產工藝流程：配料—熔化—保溫—凝固結晶—一次冷卻—二次冷卻—牽引機—剪切機—卷曲機[7]。

首先將爐料按照所生產的合金品種配好比例，然后按順序依次將爐料倒入熔化爐內，待化學成分及溫度等條件達到標準規(guī)格后將銅液通過流槽轉入保溫爐內，保溫爐上方通過鋪滿木炭來控制銅液的鑄造溫度和液位高度在一定的范圍之內，鑄造過程中銅液在靜壓作用下流入結晶器[8-9]，通過循環(huán)冷卻水的作用結晶成帶坯，由牽引機進行引拉，實現(xiàn)拉—停反推—停的往復動作，引拉出的帶坯經過二次冷卻裝置將溫度冷卻到常溫。該工藝可以直接生產出供冷軋軋制的厚14～18 mm，寬330～650 mm的銅及銅合金帶坯，并且?guī)鲗挾仍?50 mm以下的一般采用雙流水平連鑄機生產，帶坯寬度在450 mm以上的一般采用單流水平連鑄機生產[5，10]。

1.4水平連鑄結晶器

組合式水冷套由鋼套和銅套部分組成，二者通過螺栓緊密相連，產生的間隙用石墨紙?zhí)畛湟员銣p小熱阻。這種分體式水冷套的優(yōu)點是結晶器使用一段時間后，便于清洗整個水路、清除結垢，延長結晶器的使用壽命。整個結晶器以石墨模具中心為對稱軸，上下兩部分采用相同的水冷套，整體結構如圖2所示。石墨模具由4塊石墨板組成，包括兩塊上下大面壁石墨板和兩側小石墨邊條，邊條和下石墨板以石墨銷子固定。冷卻水路出入口均在鋼套部分，熱交換主要發(fā)生在銅套內部。水路結構為4個獨立水室結構，水路的熱交換面積近乎覆蓋整個帶面寬度。為保證熔體進入結晶器時，液流穩(wěn)定均勻，在結晶器入口制作導流斜口，利于熔體流動，防止熔渣進入結晶器。

1.5水平連鑄的優(yōu)點

水平連鑄技術與常規(guī)的立式和弧形連鑄相比有許多優(yōu)點：

（1）水平連鑄機的設備均是水平放置，操作維修和更換部件容易且安全，鑄機高度低、一般為1.5～2.0 m，占地面積小，無需建高大的廠房，完全滿足國內加工企業(yè)以中小型廠房居多的特點；

（2）水平連鑄機的設備結構簡單，重量比弧形機輕30%～40%，使得銅加工裝備的更新?lián)Q代輕便易行；

（3）設備的自動化程度高，基本由機器自主控制，工藝操作簡單，操作人員少，基本可實現(xiàn)一人負責多條生產線同時運行；

（4）水平連鑄采用密封澆鑄，保溫爐內覆蓋的木炭可以隔離空氣，不產生CO2，鑄坯的清潔度及質量均很高；

（5）鑄坯沿水平方向拉出，不需要矯直機構，故不受彎曲、矯直應力，因而可避免在矯直過程中產生不必要的裂紋；

（6）水平連鑄產生的初始坯殼與結晶器內壁接觸較好，在密閉空間內結晶器的冷卻強度大，不易產生鑄坯鼓肚[11]。

2水平連鑄銅板帶坯主要缺陷分析

用水平連鑄技術生產銅板帶已成為行業(yè)內一種普遍的方式，但由于鑄坯在凝固中經常容易產生表面凹坑、氣孔、晶粒不均勻、邊部裂紋、反偏析、縮松等缺陷，尤其是一些內部缺陷只有在經過多道次軋制加工后才會顯露出來，這已經嚴重影響了帶材的成品質量和合格率。因此，需要分析缺陷產生的原因并提出合理的改善措施來提高帶材成品率。

2.1表面凹坑

當鑄坯表面某一區(qū)域出現(xiàn)樹枝晶嚴重“搭橋”和澆鑄過程中該鑄坯出現(xiàn)鼓肚時，此區(qū)域便會出現(xiàn)大面積不規(guī)則凹坑，凹坑部位由邊緣向內部逐漸加深，如圖3所示。劉成俊等[12]結合企業(yè)現(xiàn)場生產收集的資料，直接從連鑄工藝及設備兩方面分析了數十種缺陷產生的原因，認為這些板坯缺陷主要與脫氧程度、結晶器的倒錐度、開澆溫度等因素有關，并提出了相應的預防方法。比如當鑄坯表面產生凹坑時，控制二次冷卻區(qū)首端及凝固末端的夾棍開口度、控制拉速可有效緩解此類缺陷的產生。

2.2氣孔

銅液在冷卻凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來不及逸出便會在帶坯內部產生氣孔。這些氣孔有時與表面連通形成表面細孔，肉眼不易發(fā)現(xiàn)且難以消除，如圖4所示。李偉軒等[13]提出一種基于正交磁場和直流電相互作用的結晶器內水平電磁攪拌來消除銅板帶水平連鑄中的微氣孔和夾雜等凝固問題，并進行了物理模擬實驗以及現(xiàn)場工業(yè)實驗，發(fā)現(xiàn)當攪拌電流達到200 A時，板帶坯出現(xiàn)柱狀晶細化和中心等軸晶層，當攪拌電流達到400 A時，帶坯內部氣孔完全消失。

2.3晶粒不均勻

當鑄坯上、下表面冷卻效果不一致時，上、下表面平均晶粒的大小會有相當大的差異，鑄坯下表面在后續(xù)軋制過程中容易出現(xiàn)“橘皮”和裂紋缺陷，對紫銅板帶產品的質量會有嚴重影響。錢澤濤等[14]通過對水平連鑄結晶器內部構造和水流方向及其工作狀況進行研究，對結晶器內腔在工作中氣體積存的可能性進行分析，得出在工作中結晶器下模存在氣體積存現(xiàn)象會造成下模冷卻效果變差、進而使鑄坯下表面形成粗大晶粒的結論，并通過在下模增加水壓或增設排空管等措施使下表面晶粒粗大的問題得到了極大的改善。圖5為下模增壓前后鑄坯下表面組織。

2.4邊部裂紋

當結晶器的冷卻效果不均，尤其是保護渣的熔化、浸入等不均時，鑄坯邊部經常會出現(xiàn)裂紋，如圖6所示。這種裂紋往往是成批次出現(xiàn)的，嚴重影響連鑄產品的表面質量。江中塊等[15]認為這種情況是結晶器銅板的冷卻結構設計不合理所致，鑄坯產生的裂紋缺陷基本集中在鑄坯寬面，且缺陷產生的位置與結晶器安裝螺栓位置處較吻合，他們分析原因認為可能是銅板螺栓處傳熱效率低，其余位置的傳熱效率高，使結晶器橫向傳熱不均勻才導致鑄坯產生了裂紋，在將結晶器寬面銅板螺栓處的冷卻水槽結構優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)傳熱效果增強，溫度場分布變得更加均勻[16]，銅板傳熱能力和冷卻均勻性有明顯提高，產生裂紋缺陷的概率大幅減小。

2.5反偏析

錫磷青銅在冷卻結晶時，由于導熱性差致使其內外部溫差較大，當表層形成硬殼后中間部分仍處于液態(tài)，冷卻結晶時熱量將外殼中枝晶處的低熔點物重新熔化，形成“通道”，中間部分的Sn由“通道”被擠至表面形成反偏析[17]，最終形成的鑄坯形貌如圖7所示。吳子平等[18]認為：向其中添加第3種元素，如添加Zn，對錫磷青銅組織性能均無明顯影響，但能改善合金流動性，減小結晶區(qū)間，從而減輕其反偏析；或者降低鑄錠結晶凝固速度也會使反偏析程度減小。

2.6縮松

合金結晶溫度范圍很大時會產生一個較寬的凝固區(qū)域，而在此區(qū)域內金屬液會形成晶核并長大。凝固后期，由于金屬固相含量較多，枝晶生長并連成骨架，然后便會將尚未凝結的金屬液分割成許多孤立的小熔池，這些金屬液凝固收縮后若得不到補充便會產生很多細微、散亂的小孔，即稱為縮松。回春華等[19]發(fā)現(xiàn)在水平連鑄過程中施加18 A的工頻交流電磁場后，鑄坯凝固組織的細化尤為明顯，鑄坯的宏觀形貌由開始的粗大柱狀晶轉變?yōu)楹髞淼募毿〉容S晶，縮松的分布情況得到明顯改善，如圖8所示，鑄坯的內在質量明顯提高。

由于鑄坯內部組織、缺陷等無法直接通過肉眼發(fā)現(xiàn)，因此，生產現(xiàn)場操作人員根據鑄坯表面顏色變化、結晶線形貌、鑄坯出口溫度分布等方式來調節(jié)冷卻水流量、牽引程序和鑄造溫度實現(xiàn)對鑄坯質量的控制。結晶器的性能通過鑄坯出口溫度、鑄坯表面質量如裂紋、偏析等變化可直接反映。鑄坯出口溫度升高，說明結晶位置前移，結晶器內銅水散熱效率減弱；鑄坯出口溫度降低，說明結晶位置后移，結晶器內銅水散熱效率增強[20]。

3銅板帶水平連鑄的發(fā)展趨勢

紫銅和錫磷青銅合金板帶材的消費領域主要集中在電子、電信設備及家用電器的接插件及配件、車用水箱等行業(yè)，其中引線框架銅帶、電纜帶、光伏銅帶等更是近年來銅板帶材消費的主要對象[21]。而這些銅合金目前最常見也最難解決的主要缺陷便是裂紋和偏析。裂紋的產生主要是由于鑄坯受到的摩擦阻力、牽引力等合力大于鑄坯強度，現(xiàn)有的紫銅生產工藝可能與參數不匹配，嘗試通過增大后反推、延長停頓時間、提高鑄造溫度等方面進行改善，并設計出一套行之有效的工藝參數；對于反偏析傾向嚴重的錫磷青銅，這類合金產生的裂紋通常是由低熔點的偏析物將鑄坯表面進行了填充而導致反偏析，反偏析缺陷較嚴重的會影響鑄坯后續(xù)的加工流程以及產品質量，目前通過實際模擬以及相關學者的研究和工業(yè)實驗都已證實通過電磁攪拌可以減弱鑄坯的偏析狀況。

4結論

銅板帶的水平連鑄技術仍有很多問題亟待解決，鑄坯質量的提高要依賴于生產和科技人員的不斷努力以及加工裝備的不斷升級，在過去積累的寶貴經驗基礎上，更需要結合時代發(fā)展的背景，開闊思路、努力消化和吸收新生的的技術和理念，才能使水平連鑄技術得到更廣泛的應用。

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