TP2管坯水平連鑄及其拉鑄系統(tǒng)程序設(shè)計

毛健文

(江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西南昌 330096)

TP2管坯水平連鑄及其拉鑄系統(tǒng)程序設(shè)計

毛健文

(江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西南昌 330096)

水平連鑄TP2紫銅管是鑄軋法生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)空調(diào)管坯的第一步工藝。依據(jù)對鑄造理論的鑄造溫度、鑄造速度和冷卻強(qiáng)度三要素工藝研究，結(jié)合科爾摩根伺服系統(tǒng)特性，優(yōu)化設(shè)計出水平連鑄TP2銅管坯新拉鑄工藝程序。

TP2銅管;水平連鑄工藝;伺服系統(tǒng);鑄造理論;新拉鑄工藝程序

1 引言

TP2管坯水平連鑄技術(shù)是20世紀(jì)70年代開發(fā)的新技術(shù)，80年代初進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段，國內(nèi)于20世紀(jì)90年代首次引進(jìn)鑄軋法工藝，并開始研究、改進(jìn)和優(yōu)化工藝。最初引進(jìn)鑄軋法生產(chǎn)TP2銅管時，僅為一臺熔化爐供應(yīng)一臺保溫爐的連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)的鑄坯為?80×20mm，牽引速度也比較低，不大于400 mm/min。后來經(jīng)過科研工作者和企業(yè)工程師的聯(lián)合研究，改善了設(shè)備的生產(chǎn)能力，實現(xiàn)了兩臺熔化爐供應(yīng)一臺保溫爐，鑄坯尺寸增大到?90× 25mm，牽引速度提高到400 mm/min，且牽引的單根鑄坯重量增加到1000kg。但是，由于國內(nèi)?100× 25mm空心管坯水平連鑄工藝研究起步比較晚，與國外的技術(shù)相比還有一定差距，許多關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟，處于摸索階段。而且影響TP2管坯水平連鑄工藝的因素(如鑄造溫度，結(jié)晶器以及牽引速度等)比較多，因此生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)裂紋，粗糙溝槽，氣孔，縮孔，夾渣等缺陷嚴(yán)重影響著管坯的質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率與成品率，增加成本，制約后續(xù)工序的加工［1］。因此水平連鑄TP2管坯的質(zhì)量決定整個鑄軋法銅管的質(zhì)量，對改善管坯質(zhì)量，提高成材率，降低成本等具有很重要的意義。

所以研究設(shè)計和開發(fā)?100×25mm，最大牽引速度達(dá)到500 mm/min，單根鑄坯重量1100kg水平連鑄TP2管坯工藝程序就顯得非常重要。

2 水平連鑄工藝及其生產(chǎn)過程分析

工藝過程包括:熔煉、結(jié)晶和牽引三道主要工序。熔煉是能否正常生產(chǎn)的前提，合理的熔煉工藝才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)潔凈的銅液;優(yōu)質(zhì)的銅液是獲得良好結(jié)晶組織的基礎(chǔ)，組織良好的管坯是正常牽引的保障，牽引程序和速度又反過來影響管坯的結(jié)晶凝固過程，也決定最終水平連鑄管坯的質(zhì)量。為了獲得優(yōu)質(zhì)的管坯，必須制定合理的熔煉工藝參數(shù)，設(shè)計出良好的結(jié)晶器模具和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，選擇合適的牽引程序，需要重點研究。

TP2銅管坯水平連鑄不同于其他斷面鑄坯水平連鑄，其結(jié)晶器采用石墨內(nèi)襯，外面為銅水冷套，內(nèi)部有石墨芯［2］。結(jié)晶器伸入保溫爐內(nèi)部，沒有分離環(huán)。如圖1所示。金屬液經(jīng)由結(jié)晶器外壁上的進(jìn)液口進(jìn)入管腔。

圖1 空心管坯水平連鑄示意圖

2.1 工藝研究分析

正確選擇連鑄參數(shù)是水平連鑄工藝的核心內(nèi)容。水平連鑄的典型生產(chǎn)工藝包括澆鑄溫度、起鑄、拉坯制度和牽引速度、冷卻強(qiáng)度。

2.1.1 澆鑄溫度

紫銅熔點1083℃。紫銅生產(chǎn)多采用40～80℃的過熱度或取液相點1.05～1.1倍作為澆鑄溫度。紫銅水平連鑄的鑄造溫度應(yīng)選擇1150～1175℃之間，鑄造開始時將溫度升高到上限有利于銅液粘結(jié)在引錠頭上不會拉漏。當(dāng)引錠頭離開結(jié)晶器后打開二次冷卻水，立即加料降溫，將澆鑄溫度控制在1150℃為宜，并保持連續(xù)鑄造過程溫度穩(wěn)定［3］。

2.1.2 起鑄

起鑄是整個拉坯工藝的關(guān)鍵，起鑄過程有以下幾個要點:

(1)三重點溫度檢測。開澆后結(jié)晶器里是否進(jìn)入金屬液主要是通過三重點溫度的上升情況加以判斷。

(2)起鑄等待時間。金屬液進(jìn)入結(jié)晶器后，等待適當(dāng)時間，讓金屬液與引錠杯凝固焊合。不然會在冷卻杯外延形成許多凝固毛刺，損壞結(jié)晶器，使拉坯阻力增大。等待時間過長，則會使水口中的金屬液凝固，產(chǎn)生凍死事故。

(3)起鑄拉坯速度。初期坯殼較厚，應(yīng)采用低速平穩(wěn)拉坯方式。但速度不能太低，以防止水口金屬液凍死。

(4)起鑄時的冷卻水量。金屬液一進(jìn)入中間包，就將結(jié)晶器里的熱水換成冷水。流量要小于正常水量，以免冷卻過強(qiáng)，鑄坯凝殼厚，水口金屬液凍死。

2.1.3 拉坯制度和牽引速度

2.1.3.1 拉坯制度

拉坯制度是拉坯曲線和拉坯模式及其參數(shù)優(yōu)化的組合。

(1)拉坯曲線。

拉坯曲線是指在“拉坯過程”中的時間-速度關(guān)系。目前使用較多的有正弦曲線與雙折梯形曲線兩種，前者波形產(chǎn)生容易，但啟鑄加速度為最大值，鑄坯凝固前沿坯殼易被拉裂;后者啟鑄加速度小，動載荷小，拉坯工作更可靠，但控制信號波形電路較復(fù)雜些。TP2銅管坯水平連鑄采用雙折梯形曲線如圖2所示。

圖2 拉坯曲線圖

(2)拉坯模式。

水平連鑄不同于弧形連鑄和立式連鑄，水平連鑄結(jié)晶器和保溫爐連在一起，因此其結(jié)晶器不能振動，拉坯機(jī)不能連續(xù)拉坯，若連續(xù)拉坯，則拉坯速度必須很小，才能保證鑄坯不被拉斷;而采用非連續(xù)的、周期性拉坯方式，拉坯速度可以提高很多，能顯著提高生產(chǎn)效率。常用的水平連鑄拉坯模式有三種:單反推式拉坯模式即“拉一停一推一?！狈绞?，振蕩式拉坯模式即“拉一推一拉一推”方式和雙反推式拉坯模式即“拉一推一停一推”方式。而?100mm水平連鑄TP2銅管坯采用的拉坯模式是“拉-停-推-停-推-停”的新式雙反推拉坯方式，這種拉坯模式的特點是:

①先牽引鑄坯一段距離，然后停止?fàn)恳欢螘r間，使鑄坯凝固殼得到補(bǔ)縮并加厚。

②反推能及時補(bǔ)償初生鑄坯沿軸向的收縮量，減少鑄坯裂紋、縮孔與縮松等缺陷，同時可使初生坯殼松動，降低拉坯阻力。反推還能對鑄坯內(nèi)部起一定的振蕩攪伴作用，同時還可將坯殼壓脹，減小坯坯與結(jié)晶器壁間的氣隙，提高結(jié)晶器的導(dǎo)熱能力。

③反推之后再次停止?fàn)恳欢螘r間，這樣使鑄坯凝固殼有充分的時間凝固加厚，使之具有足夠的強(qiáng)度而不致被拉裂。

(3)拉坯工藝參數(shù)。

在一個拉坯周期中，最基本的拉坯工藝參數(shù)是:拉坯距離、拉坯速度、反推距離、反推速度和三次停止時間。?100mm水平連鑄TP2銅管坯所用的牽引程序由程序1、程序2、程序3、程序5和程序8共同組成。

程序1和2牽引過程一樣，只有一次牽引和一次停止，程序1牽引管坯所用時間長，牽引之后停止的時間也最長，因此它的平均拉坯速度最小，所以程序1適用于連鑄剛開始起鑄階段。用程序1牽引鑄坯一定長度后改用程序2、程序3慢慢增大牽引速度，然后更換程序5牽引鑄坯，牽引的鑄坯質(zhì)量比較好時，用程序8正常牽引，提高生產(chǎn)效率。剛開始用程序1牽引時，一次冷卻水流量要小一點，隨著牽引速度的提高，一次冷卻水流量慢慢增大。

2.1.3.2 牽引速度

牽引速度不能太快，因為高溫時，剛凝固的管坯抗拉強(qiáng)度很低，當(dāng)拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時將產(chǎn)生裂紋;且牽引速度過快會出現(xiàn)充不滿和縮孔等缺陷，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)拉漏。牽引速度太慢影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率，使設(shè)備的生產(chǎn)能力得不到充分發(fā)揮。

牽引速度與銅液流入結(jié)晶器中的速度要相適應(yīng)，是連鑄過程正常進(jìn)行的重要條件之一。金屬銅凝固時間其斷面存在3個區(qū)域:固相區(qū)、凝固區(qū)、液相區(qū)，許多缺陷都是在凝固區(qū)內(nèi)形成，所以凝固區(qū)的寬度對管坯的質(zhì)量影響很大，由于不同的拉鑄速度會改變鑄錠斷面的溫度梯度大小，這是澆鑄速度作為水平連鑄的一個重要工藝制度的主要原因。由于不同拉速，其產(chǎn)生的液穴也不相同，管坯的液穴深度與鑄造速度成正比，隨著鑄造速度的增加，液穴深度加大，當(dāng)液穴深度過大時，管坯內(nèi)部處于液態(tài)。外表面管坯已進(jìn)入一次冷卻區(qū)域，大的冷卻強(qiáng)度使管坯處于強(qiáng)烈的線收縮狀態(tài)。根據(jù)鑄造強(qiáng)度理論，紫銅在線收縮開始溫度到平衡固相點之間的有效結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，強(qiáng)度與塑性最低，在鑄造應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，這就解釋了在高鑄造速度下容易產(chǎn)生管坯裂紋。水平連鑄TP2紫銅管坯在澆鑄過程采用“拉-停-推-停-推-?！备哳l低幅循環(huán)拉坯工藝方式設(shè)計程序，其作用類似于振動作用在于使銅液與石墨模具間產(chǎn)生周期性的相對運(yùn)動，加速晶體的游離，由于澆鑄工藝中加入反推加強(qiáng)了銅液充填枝晶間隙的補(bǔ)縮作用，提高管坯的致密度。拉錠時間越短，石墨套使用壽命越長，一般在不拉漏不拉裂的前提下盡量快拉。另外通過反推可有效防止氧化渣及凝固金屬粘附在石墨結(jié)晶器內(nèi)襯上，減少摩擦力降低裂紋傾向。

2.1.4 冷卻強(qiáng)度

冷卻強(qiáng)度指管坯周圍的介質(zhì)(冷卻水)在單位時間內(nèi)導(dǎo)出的熱量(傳熱速度)。冷卻強(qiáng)度越大，管坯斷面的溫度梯度越大，管坯的凝固速度越快，水平連鑄管坯的冷卻強(qiáng)度主要取決于冷卻水的用量與水壓［4］。由于管坯在結(jié)晶器內(nèi)的一次冷卻導(dǎo)出總熱量的15%～20%，其余熱量由二次冷卻導(dǎo)出，一次冷卻作用使管坯成型并有足夠厚度的凝殼能抵抗銅液的靜壓力、鑄錠與結(jié)晶器間的摩擦力和凝固的收縮力，使鑄造管坯不會變形與開裂。二次冷卻主要保證其余熱量的導(dǎo)出，促進(jìn)軸向凝固使液穴淺平。當(dāng)其它條件不變時增大一次冷卻散熱強(qiáng)度，一次冷卻水壓高，液穴深度隨之增大，凝固過渡段向爐口方向移動有拉裂管坯的傾向，不利于提高鑄造管坯質(zhì)量;一次冷卻水壓過小，過渡區(qū)向遠(yuǎn)離爐口方向移動容易拉漏。正常生產(chǎn)時，一次冷卻水流量2.5～4.5m3/ h。當(dāng)其它條件不變時，增大二次冷卻強(qiáng)度可使液穴淺平，保證凝固過渡段向遠(yuǎn)離爐口方向移動。因此在水平連鑄生產(chǎn)中，二次冷卻水流量5～7 m3/h，二次冷卻強(qiáng)度越大對管坯冷卻有利。采用小水量大溫差工藝，出水與進(jìn)水的溫差一般為5～6℃，可以獲得大的冷卻強(qiáng)度，使石墨套壁溫度升高，減少鑄坯表面的熱應(yīng)力，從而減少縱裂紋的產(chǎn)生。同時采用增加反推量的方法，還可以進(jìn)一步減少或消除縱裂，因為反推可以減小拉坯阻力，壓脹鑄殼，減小氣隙并焊合熱裂紋［5］。

2.1.5 新拉坯工藝特點

(1)拉完之后緊推，可以及時補(bǔ)償初期坯殼的冷縮量，為熱點焊合制造更好的條件，減小鑄坯表面的冷隔熱隔等缺陷。

(2)推之后有較長的中停時間，使熱點有充分的冷卻時間從而使熱點加厚，使之具有足夠的強(qiáng)度而不被拉裂。

(3)中停之后有兩次反推，可以再一次補(bǔ)償中停時間冶金長度全長鑄殼的冷縮，并將鑄殼推松，降低拉坯阻力。

(4)在拉坯過程中有兩次鑄殼壓脹，更有利于減少結(jié)晶器內(nèi)的氣隙，提高結(jié)晶器導(dǎo)熱能力。在一個拉坯周期中，最基本的幾個參數(shù)是拉程、推程、拉速、推速和中停時間。在拉坯過程中，預(yù)先確定拉坯周期中的中停時間(包括反推時間)與拉坯時間的關(guān)系，根據(jù)拉坯情況，適時地改變拉速、推速和周期。改變拉速能直接改變行程大小，改變推速能直接改變推程即反推力的大小。

2.2 水平連鑄工藝研究分析小結(jié)

本章節(jié)研究了水平連鑄過程中各個工藝參數(shù)對管坯質(zhì)量的影響，重點分析了熔煉溫度，結(jié)晶器和牽引速度對管坯質(zhì)量的作用，得到主要結(jié)論:

(1)TP2銅管水平連鑄的熔化爐溫度設(shè)定在1180～1200℃，熔化爐內(nèi)銅液用鍛燒木炭覆蓋，覆蓋層厚度100～150mm。

(2)TP2銅管水平連鑄的鑄造爐溫度設(shè)定在1150～1175℃，鑄造爐內(nèi)銅液采用鱗片石墨保護(hù)，覆蓋層厚度30～50mm。

(3)冷卻水的進(jìn)水溫度不超過40℃為宜，出水與進(jìn)水的溫差一般為5～6℃。正常生產(chǎn)時，一次冷卻水流量:2.5～4.5m3/h;二次冷卻水流量:5～7 m3/h。

(4)?100mm水平連鑄TP2銅管坯“拉-停-推-停-推-?！钡母哳l低幅循環(huán)雙反推新式拉坯工藝模式。

3 ?100mmTP2銅管坯水平連鑄工藝控制系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 伺服驅(qū)動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和原理

全數(shù)字伺服系統(tǒng)一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三環(huán)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由美國科爾摩根M-807A-B伺服電機(jī)、BJP-11001位置編程、S640-0000伺服驅(qū)動器組成閉環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，輸入的進(jìn)給脈沖的數(shù)量、頻率、方向，經(jīng)驅(qū)動控制線路和步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)換為銅管鑄坯的位移量、進(jìn)給速度和進(jìn)給方向，從而實現(xiàn)對位移的控制。

其工作原理簡單的說就是在開環(huán)控制的交直流電機(jī)的基礎(chǔ)上將速度和位置信號通過旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等反饋給驅(qū)動器做閉環(huán)負(fù)反饋的PID調(diào)節(jié)控制。再加上驅(qū)動器內(nèi)部的電流閉環(huán)，通過這3個閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機(jī)的輸出對設(shè)定值追隨的準(zhǔn)確性和時間響應(yīng)特性都提高很多。伺服系統(tǒng)是個動態(tài)的隨動系統(tǒng)，達(dá)到的穩(wěn)態(tài)平衡也是動態(tài)的平衡［6］。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

牽引銅坯規(guī)格:3×?102/25mm

最大行程長度，前進(jìn)或后退:0.2 to 100 mm(理論上沒有上限)

最小行程長度:0.2mm

牽引方向上的最大推動力:61000N

反牽引方向上的最大推動力:61000N

牽引速度范圍:0～500 mm/min

伺服電機(jī):M805-A-B 78.7NM科爾摩根

位置編程器:BJP-11001

伺服驅(qū)動器:S640-00000

減速機(jī):2S-1000;減速比51;輸出扭矩5800Nm

液壓缸:ZQ50/36X40 F1六套

3.3 水平連鑄牽引工藝主程序流程圖及編程

依據(jù)前研究?100mm水平連鑄TP2銅管坯澆鑄溫度、起鑄、拉坯制度和牽引速度、冷卻強(qiáng)度工藝特點。采用“拉-停-推-停-推-停”的高頻低幅循環(huán)雙反推新式拉坯工藝模式進(jìn)行水平連鑄工藝控制系統(tǒng)程序設(shè)計編程(如圖3)。

圖3 水平連鑄牽引主程序流程圖

4 結(jié)語

提高水平連鑄產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)的迫切愿望，而影響鑄造管坯質(zhì)量的因素是多方面的。筆者針對水平連鑄工藝研究和伺服系統(tǒng)特性，通過試驗研究和生產(chǎn)實踐，綜合多學(xué)科知識，研究設(shè)計了此精密銅管水平連鑄工藝過程電氣自動化控制系統(tǒng)程序。通過生產(chǎn)實踐，該系統(tǒng)優(yōu)點:控制參數(shù)的整定和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的調(diào)整更加方便，并且可以在線修改，縮短了控制策略的實施周期，達(dá)到最佳的實用價值。同時，可提高管坯的致密度，降低管裂紋和氣孔問題，穩(wěn)定質(zhì)量，加快澆鑄速度，提高產(chǎn)品產(chǎn)量。

［1］王樂俊.銅管生產(chǎn)的工藝及其特點.上海有色金屬，1999，20 (1):22-25.

［2］鐘衛(wèi)佳.銅加工技術(shù)實用手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007:408-409.

［3］周俊芳，王云龍.紫銅管坯水平連鑄的生產(chǎn)實踐.有色金屬加工，2009(5):14-15.

［4］鐘秋生，劉再勇.水平連鑄引拉紫銅鑄坯工藝初探［J］.有色金屬加工，2004(1):26.

［5］陳進(jìn)方.TP2銅管坯水平連鑄工藝及缺陷研究.上海有色金屬，2009(3):112-113.

［6］張莉松，胡祐德，徐立新.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計(第3版)［M］，1999.9:30-31.

Horizontal Continuous Casting and Casting System Program Design of TP2 Tube Billets

MAO Jian-wen

(JCC Processing Business Division，Nanchang，Jiangxi 330096，China)

The horizontal continuous casting of TP2 copper tube is the first craft of producing high quality air-conditioner tube blanks with roll-casting process.Based on the process research of the three essential factors of casting theory，which including the casting temperature，casting speed and cooling intensity，combined with the characteristics of the Kollmorgen servo system，this article optimally designs the new cast-drawing process program for the horizontal continuous casting of TP2 copper tube.

TP2 copper tube;horizontal continuous casting;servo system;casting theory;new cast-drawing process program.

TG21

A

1009-3842(2012)02-0008-04

2012-02-08

毛健文(1970-)，男，江西上饒人，工程師，主要從事銅加工工藝設(shè)備電氣自動化研究及維修。E-mail:mjw0520@163.com