連鑄連軋生產(chǎn)銅線桿技術(shù)述評

□文/毛允正西部礦業(yè)投資（天津）有限公司

連鑄連軋生產(chǎn)銅線桿技術(shù)述評

Review of the Continuous Casting and Rolling Copper Rod Process

□文/毛允正
西部礦業(yè)投資（天津）有限公司

1965年美國南方線材公司聯(lián)合摩根公司和西屋電氣公司開發(fā)建成世界第一條銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線（SCR法）。

1973年德國克虜伯公司在比利時霍博特奧費(fèi)爾特冶金廠開發(fā)成功新型連鑄連軋光亮銅桿生產(chǎn)方法：哈茲列特——克虜伯法，即Contirod法，現(xiàn)該技術(shù)屬德國西馬克梅爾公司。

上世紀(jì)七十年代末意大利康梯紐斯公司在鋁桿連鑄連軋生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上開發(fā)出Properzi銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線。八十年代中期，康梯紐斯公司和西班牙拉法格公司聯(lián)合米蘭大學(xué)和巴塞羅那大學(xué)的專家學(xué)者開發(fā)一項(xiàng)全廢銅為原料連鑄連軋生產(chǎn)銅桿的專利技術(shù)，稱為FRHC法雜銅精煉工藝，即火法精煉高導(dǎo)電銅生產(chǎn)工藝。

上世紀(jì)八十年代，上海冶煉廠聯(lián)合洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院、北京鋼鐵設(shè)計總院和上海機(jī)電設(shè)計院建成我國自行設(shè)計、制造了第一條銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線，規(guī)模3萬到5萬噸。

連鑄連軋技術(shù)利用鑄造時的熱量進(jìn)行軋制成材，而不經(jīng)中斷和加熱，具有對原料要求低、產(chǎn)量大、生產(chǎn)效率高、能耗成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、性能均勻、表面光亮等特點(diǎn)，給銅工業(yè)發(fā)展帶來一次偉大變革。目前世界上90%以上的銅線桿都用連鑄連軋技術(shù)生產(chǎn)。

用陰極銅為原料的連鑄連軋生產(chǎn)銅桿一般分為四個步驟：熔化——鑄坯——軋制——繞桿，目前建成單條生產(chǎn)線最大產(chǎn)能已達(dá)到48噸/小時，年產(chǎn)可達(dá)到35萬噸。

一、連鑄連軋生產(chǎn)線的技術(shù)比較

SCR法、CONTIROD法、PROPERZI法在設(shè)備的總體流程配置上均相似，僅具體到某個設(shè)備上有些不同而已。

連鑄連軋設(shè)備主要有熔煉爐、鑄造機(jī)、軋機(jī)。三種連鑄連軋法最大的區(qū)別在鑄機(jī)上，三種不同的鑄機(jī)如圖1所示。

1. SCR法

SCR法是由美國南方線材公司、摩根公司和西屋電氣公司共同研制開發(fā)的。主要的工藝設(shè)備為：熔化采用美國精煉公司的豎爐，鑄造采用五輪鋼帶式連鑄機(jī)連鑄，軋制配備了摩根二輥懸臂式連軋機(jī)組。自1999年國內(nèi)采用的SCR銅線桿生產(chǎn)線約為16條，最大產(chǎn)能為32萬噸/年。主要技術(shù)特點(diǎn)：

1.1 鑄造機(jī)為5輪式，鑄輪上的銅制結(jié)晶環(huán)與環(huán)繞的鋼帶形成鑄模，鋼帶長度約24米，使用壽命7~10天，更換約20分鐘，鑄輪直徑2.4米。鑄坯為梯形斷面，鑄坯運(yùn)行正前方無鋼帶阻擋，鑄坯截面可增大，但進(jìn)軋機(jī)前仍有一定的彎曲弧度，需由彎變直，造成高溫下應(yīng)力增大，表面可能會產(chǎn)生裂紋，故鑄坯面積也不能無限制增大，目前鑄坯斷面積可達(dá)7000mm2。

1.2 軋機(jī)為摩根二輥無扭轉(zhuǎn)懸壁軋機(jī)，軋輥平、立交替布置，可重復(fù)使用，并且每個軋輥具有多道槽，最多有4道，可減少軋輥的使用數(shù)量，降低成本。軋輥采用輥環(huán)結(jié)構(gòu)，互換性強(qiáng)，換輥也方便。

1.3 軋機(jī)一般設(shè)置有一道粗軋、兩道中軋、六道精軋。每道軋機(jī)機(jī)架之間設(shè)置堆線傳感器，用于檢測軋機(jī)是否正常進(jìn)行。

圖1. 三種連鑄連軋法的鑄機(jī)

2. CONTIROD法

其主要的工藝設(shè)備為：熔化爐采用美國精煉公司的豎爐，鑄造采用美國哈茲列特公司的雙帶式直線連鑄機(jī)，軋制配備了德國克虜伯公司的二輥連軋機(jī)組。自1999年以來，國內(nèi)采用Contirod法生產(chǎn)銅桿的廠家約有13家，最大產(chǎn)能32萬噸/年。其特點(diǎn)是：

2.1 鑄造機(jī)為雙鋼帶直線連鑄機(jī)。由上下鋼帶與兩側(cè)的青銅擋塊鏈組成四面封閉的矩形模腔，可生產(chǎn)大斷面的鑄坯，最大可達(dá)9000mm2。鑄坯由鑄模走出的方向與軋制方向成15°角，已向一條直線接近，線桿總加工率大，產(chǎn)品的規(guī)格范圍較寬，但設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)較麻煩。雙帶式鑄機(jī)是有鑄坯冷卻均勻、截面積較大的特點(diǎn)，因此比其它方法的鑄造溫度低，一般在1110℃~1120℃.

2.2 直線、無湍流、高液態(tài)金屬壓頭鑄造，鑄坯密度高。在鑄機(jī)出口設(shè)有二次冷卻裝置，保證在高速鑄造時不斷裂，可在較低溫度開軋，一般不高于850℃。生產(chǎn)線桿晶粒細(xì)化、含氧量低、再結(jié)晶溫度低，在拉絲過程中，可降低退火溫度，降低能耗。

2.3 軋機(jī)采用兩個成對軋輥同時對稱調(diào)節(jié)，全部軋輥輥環(huán)可重磨最大磨消量為原始直徑的10%（基本允許25次再修磨），輥環(huán)壽命長。12機(jī)架，單獨(dú)傳動。

表1 CONTIROD與SCR生產(chǎn)線設(shè)備及工藝參數(shù)比較表（見附件）

3. ROPERZI法

ROPERZI法是意大利康特紐斯－普羅佩茨公司，在鋁桿連鑄連軋基礎(chǔ)上開發(fā)的銅線桿連鑄連軋設(shè)備。1987年西班牙拉法格公司與其合資經(jīng)營，開始應(yīng)用于以100%廢雜銅為原料生產(chǎn)火法精煉低氧光亮銅桿的工藝中。廠家認(rèn)為，他們是世界上唯一全面掌握了廢雜銅通過火法精煉技術(shù)生產(chǎn)電工圓銅桿，并在倫敦交易所注冊的企業(yè)。在歐洲、俄羅斯、烏克蘭、伊朗、韓國等地都有使用他們的設(shè)備和技術(shù)生產(chǎn)FRHC銅桿的企業(yè)。國內(nèi)江鎢集團(tuán)和天津大無縫銅材公司引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)，另有1家企業(yè)在建設(shè)中。

主要技術(shù)特點(diǎn)：

3.1 二輪式鑄造機(jī)由一個導(dǎo)向輪、一個鑄造輪和一條環(huán)形鋼帶組成，鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，鋼帶更換方便。

3.2 鑄坯近似梯形截面，鑄坯引出后，需偏轉(zhuǎn)5°—8°角，以避開鋼帶進(jìn)入軋機(jī)。鑄坯受拉表面在高溫下易產(chǎn)生裂紋，影響質(zhì)量，同時限制鑄坯斷面的擴(kuò)大，鑄坯斷面積在3000mm2左右。

3.3 采用二輥和三輥軋機(jī)進(jìn)行軋制。二輥粗軋機(jī)變形量大，有利于內(nèi)部組織改善。三輥Y型機(jī)使軋件承受三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，變形均勻，線桿性能好，尺寸精度高，但三輥軋機(jī)道次變形量小，需較多的加工道次，軋輥更換和維護(hù)較麻煩。一般設(shè)置兩道粗軋和九道精軋。

二、FRHC法雜銅精煉工藝技術(shù)

與傳統(tǒng)利用陰極銅生產(chǎn)銅桿工藝技術(shù)比較，F(xiàn)RHC法不需要電解銅和二次熔融，而是100%直接利用廢銅生產(chǎn)，原料成本低且利于環(huán)保，節(jié)約能源支出，是再生銅的綠色環(huán)保工藝。

FRHC法使用的原料若是含銅量在92%以上的2#、3#紫雜銅，用于半連續(xù)生產(chǎn)線；含銅量96%以上的1#紫雜銅、廢電磁線、加工銅屑等，則用于連續(xù)生產(chǎn)線cosmelt工藝。西班牙拉法格公司利用該技術(shù)產(chǎn)出的低氧光亮銅桿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)完全達(dá)到了DIN標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)過CE認(rèn)證，產(chǎn)出的銅錠和銅桿已經(jīng)在LME掛牌期貨市場交易。此種銅桿質(zhì)量由ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的FRHC銅標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)定。

FRHC法雜銅精煉技術(shù)采用計算機(jī)輔助設(shè)計工藝參數(shù)，特種添加劑及選擇性二次精煉等技術(shù)，突破了雜銅中鉛、錫、鎳、氧等雜質(zhì)大量存在且含量變化無常難以火法去除的問題。該技術(shù)的精髓和核心是調(diào)整雜質(zhì)和含氧量，最終使精煉后的銅產(chǎn)品達(dá)到ASTM標(biāo)準(zhǔn)中高導(dǎo)電銅的技術(shù)指標(biāo)，而非最大限度地去除雜質(zhì)。

1. FRHC火法精煉半連續(xù)工藝

FRHC火法精煉銅半連續(xù)工藝，主要設(shè)備由1臺傾動爐+連鑄連軋組成，生產(chǎn)周期為24小時，8小時加料、8小時精煉、8小時連鑄連軋，每次澆鑄時爐內(nèi)不留銅水。原料為含銅92%的廢雜銅，原料預(yù)處理流程：原料→去除輻射物（采用探測儀）→肉眼檢查→滾筒篩篩除塵土→化學(xué)成分分析→稱重→送原料庫房。產(chǎn)出的爐渣在渣包進(jìn)行沉降

分離，冷卻后倒出分揀，其中上部占總量60%的爐渣含銅30%左右直接出售，下部占總量40%的冷銅含銅99%返爐處理。煙塵率0.5%~1%，產(chǎn)出煙塵含銅4%左右。

表1 CONTIROD與SCR生產(chǎn)線設(shè)備及工藝參數(shù)比較表

2. 連續(xù)生產(chǎn)工藝（cosmelt工藝）

連續(xù)生產(chǎn)工藝 （COSMELT工藝）是LFL和CP的合資企業(yè)在2000年前后開發(fā)的由廢銅經(jīng)過熔融，火法精煉，連鑄連軋生產(chǎn)出FRHC銅桿的工藝。主要設(shè)備由1臺帶前室的豎爐+2臺傾動爐+1臺保溫爐+連鑄連軋機(jī)。廢銅在豎爐中熔融，經(jīng)COSMELT工藝火法精煉直至生產(chǎn)出雜質(zhì)含量到400PPM以下進(jìn)行連續(xù)鑄造成為FRHC銅桿。

用康迪紐斯公司的連續(xù)鑄造機(jī)將FRHC法生產(chǎn)的熔融態(tài)銅以每小時15噸的速度連續(xù)鑄造成鑄坯。鑄輪中生產(chǎn)的2400平方毫米截面的梯形熱鑄坯經(jīng)過兩道粗軋和九道精軋成為8毫米銅圓桿。銅圓桿經(jīng)過含有異丙醇的非酸性溶液中進(jìn)行清洗。使用PROPERZI緊湊型軋機(jī)獲得的銅圓桿表面的氧化層厚度小于150埃。然后冷淬至室溫。在生產(chǎn)線的末端，收線之前，用一套渦流系統(tǒng)檢測表面缺陷和鐵磁雜質(zhì)。

3. 西班牙拉法格公司目前生產(chǎn)工藝及設(shè)備配置

110噸傾動爐生產(chǎn)周期是8小時加料熔化，8小時精煉，8小時連鑄連軋。豎爐生產(chǎn)線是連續(xù)生產(chǎn)線，兩者共用1條連鑄連軋生產(chǎn)線。其中16小時連續(xù)生產(chǎn)銅桿，在傾動爐進(jìn)行連鑄連軋時，8小時生產(chǎn)銅棒坯。

4. 精煉效果及FRHC銅桿質(zhì)量比較

FRHC火法精煉銅桿可滿足95%下游市場的需要，只有5%的超細(xì)線需要使用由陰極銅生產(chǎn)的銅桿。

5.生產(chǎn)產(chǎn)品種類

FRHC工藝技術(shù)可以生產(chǎn)8、10、12、17、20、23、25mm低氧光亮銅桿、精煉銅桿、擠壓銅管、銅合金、銅棒、高速鐵路用接觸導(dǎo)線、電車線等

三、我國引進(jìn)的銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線概況

自上世紀(jì)八十年代，銅線桿的連鑄連軋技術(shù)得到了快速發(fā)展，同時，由于國內(nèi)對銅線桿的巨大需求，國內(nèi)企業(yè)相繼引進(jìn)了多條銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線。近幾年引進(jìn)的生產(chǎn)線裝備水平高，產(chǎn)能規(guī)模大，具有能耗低，計算機(jī)監(jiān)控強(qiáng)度高，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良穩(wěn)定，不但滿足了國內(nèi)市場，而且還出口世界各地。據(jù)資料，截止2011年，國內(nèi)企業(yè)共引進(jìn)銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線38條，2011年中國電纜行業(yè)產(chǎn)值超過9000億元，銅桿消費(fèi)量約500萬噸。

目前國內(nèi)企業(yè)引進(jìn)銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線近四十條，主要分布在我國的中東部地區(qū)，總生產(chǎn)能力達(dá)到了460萬噸。此外，我國目前在建和擬建的銅桿連鑄連軋項(xiàng)目生產(chǎn)能力達(dá)到120多萬噸，這些項(xiàng)目建成之后，我國引進(jìn)的銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線總生產(chǎn)能力將達(dá)到580萬噸。

四、連鑄連軋生產(chǎn)銅桿技術(shù)的發(fā)展和展望

隨電工電器行業(yè)的不斷發(fā)展，對銅導(dǎo)線的質(zhì)量要求越來越高，為獲得優(yōu)質(zhì)銅桿，國內(nèi)外設(shè)備制造廠家和銅桿生產(chǎn)廠家均在生產(chǎn)工藝、裝機(jī)水平、質(zhì)量檢測和管理方面做了大量工作，如增設(shè)自動化裝置，提高對工藝過程的監(jiān)控，改進(jìn)設(shè)備并采用電腦管理，以提高質(zhì)量，降低成本。

1.技術(shù)進(jìn)步

（1.1）豎爐燃?xì)?空氣比例和熔化速率由計算機(jī)控制，提高豎爐適應(yīng)能力，減少開停爐次數(shù)，進(jìn)一步改善生產(chǎn)線的環(huán)保性能。（1.2）氣氛分析采用CO%分析儀，檢測速度比H2%分析儀提高5倍。（1.3）提高軋輥的使用壽命，降低成本。（1.4）粗精軋使用不同成分的乳化液，進(jìn)一步改善銅桿表面質(zhì)量。（1.5）配置先進(jìn)的質(zhì)量檢測設(shè)備，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。（1.6）采用雙叉加料系統(tǒng)，不沖擊爐壁，布料均勻，進(jìn)一步提高爐子熱效率。（1.7）降低精軋溫度，改善拉絲加工性能。

2. 展望

（2.1）可加入更多的或品位更低的廢料，以降低生產(chǎn)成本。（2.2）擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)模范圍，對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，增加一些必要的設(shè)施，在生產(chǎn)線不僅能生產(chǎn)銅桿，還可生產(chǎn)扁線，焊接銅管用的窄銅帶，與拉線機(jī)進(jìn)行串連直接生產(chǎn)銅線。（2.3）減低對燃料的要求，使采用低發(fā)熱值或含氫量高的低成本燃料成為可能。（2.4）銅桿生產(chǎn)由原來電線電纜廠向銅冶煉企業(yè)轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)資源、技術(shù)、資金和勞動力等生產(chǎn)要素趨向最佳配置。（2.5）加強(qiáng)國產(chǎn)連鑄連軋整體技術(shù)的研發(fā)力度，提高裝機(jī)水平、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。降低綜合成本，在全球電線電纜行業(yè)規(guī)?；?、經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)的發(fā)展大趨勢下爭得一席之地。

略