銅連鑄坯中裂紋和孔洞的形成機(jī)理和工藝控制研究

趙大軍

(中鋁昆明銅業(yè)有限公司，云南 昆明 650502)

1 引言

隨著現(xiàn)代銅材連續(xù)鑄造和加工工藝的日趨完善，連鑄連軋工藝已經(jīng)成為銅線坯生產(chǎn)的最主要方法。目前，與連鑄連軋工藝有關(guān)的文獻(xiàn)大多是關(guān)于連鑄連軋工藝控制、生產(chǎn)線適應(yīng)性改造以及應(yīng)用等相關(guān)方面的文章[1－5]，而對(duì)連續(xù)鑄造過(guò)程中鑄坯中缺陷的形成機(jī)理和原因分析以及相應(yīng)的工藝控制措施的報(bào)道很少。

本文主要就是針對(duì)銅線坯連鑄連軋生產(chǎn)過(guò)程中鑄坯中的裂紋和孔洞缺陷的形成機(jī)理以及產(chǎn)生缺陷的可能原因進(jìn)行探討，并提出了相應(yīng)的工藝控制措施以減少缺陷對(duì)鑄坯質(zhì)量和最終的線坯質(zhì)量的影響。

2 銅連鑄坯中的缺陷

2.1 孔洞缺陷

在連續(xù)鑄造過(guò)程中，由于工藝控制不當(dāng)，鑄坯中會(huì)形成一些孔洞缺陷。鑄坯中常見(jiàn)的孔洞主要有以下兩種:內(nèi)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(gè)鑄坯缺陷的50%以上。鑄坯中常見(jiàn)的裂紋主要有以下兩種:內(nèi)部裂紋(圖3)、表面裂紋(圖4)。

3 孔洞、裂紋形成的機(jī)理

3.1 孔洞形成的機(jī)理

在連續(xù)鑄造過(guò)程中，鑄坯中孔洞的形成主要有以下三種機(jī)理[6－7]:

(1)在連續(xù)鑄造過(guò)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(guān)，在熔鑄過(guò)程中存在H2O(g)=[O]+2[H]的平衡反應(yīng)關(guān)系，溶于銅液中的氫和氧在凝固時(shí)發(fā)生水蒸汽反應(yīng)從而形成氣體孔洞。

(2)在SCR生產(chǎn)線的連續(xù)鑄造過(guò)程中，當(dāng)澆鑄速度過(guò)低時(shí)，從銅液中析出的氣體上浮速度大于澆鑄速度時(shí)，氣體大部分能夠逸出液面;隨著澆鑄速度的提高，沒(méi)有逸出的氣體在銅液中聚集而形成較大的氣孔;當(dāng)澆鑄速度大于55'/min時(shí)，大量氣孔在鑄坯中開始聚集導(dǎo)致鑄坯中出現(xiàn)氣體孔洞，見(jiàn)圖5。

圖5 澆鑄速度和鑄坯內(nèi)部孔洞形成的關(guān)系[7]

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

3.2 裂紋形成的機(jī)理

銅連續(xù)鑄造過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的凝固過(guò)程。鑄坯裂紋的形成是傳熱、傳質(zhì)和應(yīng)力共同相互作用產(chǎn)生的結(jié)果。鑄坯在連續(xù)鑄造過(guò)程中，各種力的共同作用結(jié)果是形成裂紋的外部因素，而鑄坯對(duì)于裂紋的敏感性則是形成裂紋的內(nèi)部因素。連續(xù)鑄造過(guò)程中鑄坯是否會(huì)產(chǎn)生裂紋主要取決于鑄坯的高溫力學(xué)性能、鑄坯的應(yīng)變行為、凝固熱力學(xué)行為、凝固動(dòng)力學(xué)行為和鑄造機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。鑄坯的開裂主要有內(nèi)部開裂和表面開裂兩種形式，其中內(nèi)部裂紋是造成鑄坯開裂的主要因素。

內(nèi)部裂紋主要出現(xiàn)在鑄坯的凝固前沿，絕大部分產(chǎn)生在凝固過(guò)程中，特別是在鑄造輪的冷卻區(qū)，由于鑄坯在凝固過(guò)程中熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等作用在相對(duì)脆弱的凝固界面上從而產(chǎn)生裂紋，大多數(shù)情況下裂紋還會(huì)伴隨著出現(xiàn)偏析。銅液在凝固時(shí)，由于在鑄坯的外殼與液態(tài)相、鑄坯軸向、鑄坯的四個(gè)角部與其中心的三個(gè)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(duì)應(yīng)的不同的密度梯度。當(dāng)溫度梯度發(fā)生變化時(shí)，密度梯度也隨之發(fā)生改變，鑄坯中原有的應(yīng)力平衡被打破，于是在鑄坯的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)后續(xù)冷卻增強(qiáng)時(shí)，鑄坯表殼與中心的溫度梯度會(huì)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(yīng)力作用，在樹枝狀結(jié)晶結(jié)合較弱的地方就有可能產(chǎn)生裂紋。當(dāng)冷卻較弱或完成停止時(shí)，鑄坯表面的溫度會(huì)回升，鑄坯表殼因溫升再加熱而發(fā)生膨脹，鑄坯表殼承受壓應(yīng)力作用，鑄坯內(nèi)部承受張力作用，此時(shí)，很容易產(chǎn)生內(nèi)部裂紋缺陷。按照裂紋產(chǎn)生的部位不同，內(nèi)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(chǎn)生的一種裂紋形式。中間裂紋產(chǎn)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(xù)鑄造過(guò)程中當(dāng)鑄造速度過(guò)快、澆注溫度過(guò)高時(shí)也同樣會(huì)產(chǎn)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(guān)系。梯形銅連鑄坯的四個(gè)面的冷卻不均勻就會(huì)在四個(gè)角部產(chǎn)生裂紋，這就要求在SCR連續(xù)鑄造過(guò)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(xù)鑄造過(guò)程中，鑄坯在鑄造輪中隨鑄造輪的運(yùn)行而產(chǎn)生的彎曲、脫模后離開鑄造輪的彎曲和在進(jìn)入軋機(jī)前在輸送輥道上的矯直過(guò)程中受到的壓應(yīng)力超過(guò)鑄坯本身的應(yīng)力極限就會(huì)產(chǎn)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(xù)鑄造過(guò)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(huì)隨之產(chǎn)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(huì)相應(yīng)增加，從而誘發(fā)鑄坯中心部位產(chǎn)生裂紋。

表面裂紋產(chǎn)生的原因主要是由于不均勻冷卻、二次冷卻較強(qiáng)、澆管錐度不合適和澆鑄溫度較低等，在外力的作用下導(dǎo)致鑄坯表面產(chǎn)生開裂現(xiàn)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(guò)對(duì)孔洞缺陷的形成機(jī)理分析，要想減少孔洞缺陷的形成，應(yīng)在以下幾方面進(jìn)行嚴(yán)格的控制[7－11]:

(1)原料的處理。原料在入爐前，需對(duì)銅原料表面進(jìn)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(yán)格控制豎爐、保溫爐及溜槽系統(tǒng)中燃?xì)?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(yīng)嚴(yán)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(dǎo)致鑄造輪和鋼帶表面粘銅、鑄坯內(nèi)部氣孔增加、鑄造輪和鋼帶壽命降低現(xiàn)象。同時(shí)也應(yīng)防止因涂炭層過(guò)厚導(dǎo)致鑄造輪和鋼帶的熱傳導(dǎo)性能降低、鑄坯組織過(guò)粗的現(xiàn)象。

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

4.2 減少裂紋缺陷的工藝措施

通過(guò)對(duì)裂紋缺陷的形成機(jī)理分析，要想減少裂紋缺陷的形成，應(yīng)該在以下幾個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格控制[10]:

(1)銅液的過(guò)熱度。在SCR的連續(xù)鑄造過(guò)程中，鑄坯的柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的大小主要取決于銅液的過(guò)熱度。過(guò)熱度大，銅液中形成的各種夾雜物就會(huì)比較多，鑄坯的收縮量大，在相同冷卻強(qiáng)度的情況下鑄坯表殼較薄，鑄坯的高溫力學(xué)強(qiáng)度就會(huì)較低;相反過(guò)熱度小時(shí)鑄坯可以獲得比較細(xì)小的鑄態(tài)結(jié)晶組織，但是過(guò)熱度如果過(guò)小，銅液的流動(dòng)性就會(huì)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(huì)增加連續(xù)鑄造過(guò)程中的操作難度。因此確定科學(xué)合理的過(guò)熱度和準(zhǔn)確的鑄造輪分區(qū)的冷卻制度可以有效地抑制柱狀晶的生長(zhǎng)，以減少鑄坯的中心裂紋，生產(chǎn)實(shí)踐證明比較理想的過(guò)熱度是20～25℃。

(2)澆鑄速度。在SCR的連續(xù)鑄造過(guò)程中，澆鑄速度及其變化率對(duì)鑄坯的凝固厚度(凝固速率)、凝固末端位置、鑄坯結(jié)晶組織的構(gòu)成和鑄坯高溫力學(xué)強(qiáng)度等都有著很大的影響。澆鑄速度的頻繁變化會(huì)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(huì)相應(yīng)地增加，最終會(huì)誘發(fā)中心裂紋產(chǎn)生。穩(wěn)定的澆鑄速度可以保證鑄造工藝參數(shù)和鑄造冷卻速率的穩(wěn)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(tǒng)。在SCR的連續(xù)鑄造過(guò)程中，冷卻狀況和冷卻條件對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響十分關(guān)鍵。如果鑄坯過(guò)冷將會(huì)使得柱狀晶發(fā)達(dá)，鑄坯高溫強(qiáng)度低;若鑄坯冷卻不夠，鑄坯表殼過(guò)薄而使鑄坯表面容易產(chǎn)生“鼓肚”現(xiàn)象。在熔融銅液和鑄坯的凝固過(guò)程中，由于涂炭條件和冷卻水量分布不均等會(huì)導(dǎo)致鑄坯溫度降低或溫度回升速度過(guò)快，導(dǎo)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(chǎn)生熱應(yīng)力作用，導(dǎo)致鑄坯中心部位撕裂而出現(xiàn)中心裂紋。優(yōu)化連續(xù)鑄造工序的冷卻系統(tǒng)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(dāng)增加后冷卻延長(zhǎng)二次冷卻區(qū)，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(xiàn)象出現(xiàn)，從而減少中心裂紋形成的可能性。

5 結(jié)論

(1)銅連鑄坯中孔洞缺陷主要為內(nèi)部疏松、氣孔和中心孔洞;裂紋缺陷主要為內(nèi)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(guò)程中的水蒸汽、澆鑄速度、涂炭層不均勻以及澆鑄溫度不穩(wěn)定等有關(guān);裂紋的形成是傳熱、傳質(zhì)和應(yīng)力相互作用的結(jié)果，取決于鑄坯的高溫力學(xué)性能、鑄坯的應(yīng)變行為、凝固冶金行為和鑄機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

(3)通過(guò)對(duì)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(guò)控制銅液的過(guò)熱度、澆鑄速度和優(yōu)化冷卻效果，可有效減少銅連鑄坯中的裂紋缺陷。

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