銅粉對連鑄連軋銅桿性能影響淺析

何坤鸝

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031)

1 引言

銅線材的廣泛應(yīng)用，加之國內(nèi)城市電網(wǎng)改造進(jìn)度加快，高速鐵路快速增長以及國內(nèi)家電、汽車、房地產(chǎn)等行業(yè)迅速發(fā)展使得在中國銅材消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，線材所占比例較高[1]。截止2012年，銅線材產(chǎn)品產(chǎn)量占全年銅加工材總產(chǎn)量的39.4%[2]，是所占比例最高的銅加工產(chǎn)品，這種增速雖然略有緩解，但是并沒有動搖銅線桿消費(fèi)的主導(dǎo)地位。從2008年至2013年，國內(nèi)新增引進(jìn)連鑄連軋[3]銅桿生產(chǎn)線26條，其中引進(jìn)美國南線SCR連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線16條，引進(jìn)德國西馬克CONTIROD連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線10條。截止2013年，國內(nèi)引進(jìn)連鑄連軋銅桿線新增生產(chǎn)能力將超過600萬t。國內(nèi)銅桿消費(fèi)企業(yè)主要集中于電線電纜企業(yè)，其次是漆包線企業(yè)。電線電纜企業(yè)對銅桿產(chǎn)品質(zhì)量的要求相對較低，漆包線企業(yè)對銅桿的表面質(zhì)量和拉伸性能有較高要求。銅線桿產(chǎn)品質(zhì)量是影響市場定位的主要指標(biāo)。

2 銅粉在銅桿后續(xù)拉伸加工中的影響

銅桿中銅粉量多將影響后續(xù)拉伸深加工中模具的潤滑[4]。一是在拉絲機(jī)拉絲過程中影響工作效率，表面質(zhì)量受影響。銅桿進(jìn)入拉絲模具經(jīng)過錐形壓縮區(qū)擠壓變形后拉伸為銅線。銅桿組織中的氧化物顆粒在拉拔力和模具摩擦力的作用下，從銅線表面剝離形成銅粉，銅粉顆粒在銅線表面受到徑向壓力，在模具的定徑區(qū) (圖1)入口形成堆積。壓縮區(qū)是銅桿在模具內(nèi)產(chǎn)生主要變形量的區(qū)域，如果潤滑不良，堆積的銅粉顆粒在摩擦力作用下，在銅線表面留下摩擦痕跡，形成銅線表面擦傷，進(jìn)而影響銅線的表面質(zhì)量[5]。圖2、圖3為銅線表面放大圖，可以明顯看到擦傷的銅線表面形成了不規(guī)則的凹坑。二是在反作用力的作用下，模具本身也受到銅粉顆粒的摩擦，模具表面也出現(xiàn)擦傷甚至磨損，降低模具使用壽命，增加拉絲潤滑液的過濾負(fù)擔(dān)。

圖1 拉絲模具結(jié)構(gòu)圖

圖2 銅線表面20X放大圖

圖3 銅線表面50X放大圖

圖4 拉絲機(jī)成品模具剝離銅粉

銅桿中銅粉量將影響漆包線產(chǎn)品質(zhì)量。由于銅粉造成表面擦傷的銅線進(jìn)入到漆包線加工中，在擦傷處可能形成小凹坑，涂漆后，在凹坑部位會產(chǎn)生汽包粒子，影響漆膜均勻性，在高電壓的作用下，漆膜上的汽泡粒子處容易被破壞，造成電壓擊穿，降低漆包線的電性能[6]。

3 銅粉產(chǎn)生的原因

銅桿的銅粉量出現(xiàn)在兩個方面:一是通過銅桿銅粉測量得到檢測銅粉量(如圖5是扭轉(zhuǎn)檢測后銅桿表面剝離的銅粉顆粒);二是銅桿在后續(xù)拉伸過程中產(chǎn)生的銅粉量(如圖4是拉絲機(jī)中產(chǎn)生的銅粉顆粒)。實際生產(chǎn)中，銅桿生產(chǎn)企業(yè)常以檢測銅粉量作為衡量銅桿銅粉量多少的依據(jù)。

銅桿檢測的銅粉含量是指，取長350～400mm的銅桿試樣在扭轉(zhuǎn)速度為30r/min的扭轉(zhuǎn)機(jī)上經(jīng)過正負(fù)10轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)以后，表面脫離的銅粉含量(見圖5)。根據(jù)國標(biāo)《GB/T3952－2008電工用銅線坯》[7]規(guī)定，衡量銅桿產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)有:拉伸性能、扭轉(zhuǎn)性能、含氧量、表面質(zhì)量、銅粉量等。此版本國標(biāo)新增了銅線坯銅粉量的測定方法為桿刷法[7]，并規(guī)定了φ8mm連鑄連軋法生產(chǎn)的低氧光亮銅線坯銅粉含量指標(biāo)，詳見表1。

表1 銅粉量指標(biāo)及等級列表

了解銅粉在連鑄連軋銅桿中的分布情況，能夠幫助理解銅粉產(chǎn)生的原因。為此，設(shè)計一實驗，選用同一卷銅桿作為試樣，采用不同測量方法測量連鑄連軋銅桿的銅粉量(表2)。實驗結(jié)果表明銅粉是分布于銅桿表面及次表面的銅氧化物顆粒，兩種方法測量的銅粉量范圍越寬，說明銅粉分布的位置越靠近中心組織，越有可能在漆包線生產(chǎn)過程中影響到漆包線的質(zhì)量。因而，此時產(chǎn)生銅粉的主要原因是:鑄造過程中鑄坯表面的氧化物或者軋制過程中的氧化物被重新軋制到銅桿的次表面(如圖6)，在后續(xù)加工過程中剝離形成銅粉。

表2 兩種銅粉測量方法結(jié)果對比

圖5 銅桿扭轉(zhuǎn)后銅粉剝離

圖6 氧化物重新軋入銅桿表面50X放大圖

氧化物重新軋進(jìn)銅桿表面的原因:(1)軋機(jī)乳液沒有在軋輥表面形成有效的潤滑膜，增加摩擦和磨損。氧化物附著在軋輥表面，附著的氧化物在不斷的軋制中又重新進(jìn)入到軋制料的內(nèi)部。這種氧化物重新進(jìn)入到軋制產(chǎn)品內(nèi)部，存在于結(jié)晶組織間，和結(jié)晶組織的粘合性差，后續(xù)的加工過程中容易脫落，就形成了拉絲過程中產(chǎn)生的銅粉。 (2)乳液過濾系統(tǒng)不能充分過濾，乳液從軋輥沖刷下的氧化皮重新進(jìn)入到軋機(jī)中循環(huán)，乳液中的氧化皮有可能重新軋制到銅桿表面。(3)清洗線溶液中的乙醇對去除氧化物起到一定作用，乙醇在銅的催化下氧化反應(yīng)生成乙醛和水，將銅的氧化物還原成銅，適當(dāng)控制乙醇濃度能減少銅桿表面的氧化物。

4 降低銅桿銅粉量的措施

根據(jù)銅粉產(chǎn)生的原因，采取針對性措施，有效減少銅粉含量。

(1)軋機(jī)軋輥的粗糙度是影響軋制中銅桿銅粉量的一個主要因素。軋輥是軋制過程與銅軋制坯料直接接觸的主要部件，軋輥表面影響銅桿表面質(zhì)量。在軋機(jī)各道次使用噴砂或者噴丸軋輥，軋輥表面經(jīng)過噴丸或者噴砂處理后，軋輥表面有一定粗糙度。相應(yīng)軋制后銅桿表面也具有一定的粗糙程度，可增加銅桿表面積，乳液更能充分清洗軋件表面氧化物，有利于提高乳液冷卻清洗效果，可降低在軋制過程中產(chǎn)生的氧化物重新軋入銅桿幾率，從而達(dá)到降低后續(xù)深加工產(chǎn)生的銅粉量。有一定表面粗糙度的軋輥有利于銅桿表面氧化物的剝離。為了驗證這個理論，分別選擇表面粗糙程度不同的兩批軋輥，一批是表面光滑的軋輥，生產(chǎn)的1#銅桿表面(圖7)有少量凹陷但相對光滑，通過拉絲機(jī)后生產(chǎn)的1#銅線表面 (圖8)有小擦傷;一批是表面粗糙的軋輥，生產(chǎn)的2#銅桿表面 (圖9)有較密集凹陷，并相對粗糙，通過拉絲機(jī)后生產(chǎn)的2#銅線表面 (圖10)相對光滑，表面質(zhì)量明顯更好(詳見表3)。經(jīng)過實際生產(chǎn)證明:除最后兩道次軋輥使用光面軋輥外，其余各道次均使用噴丸噴砂軋輥，可明顯降低拉絲過程中產(chǎn)生的銅粉量，能夠滿足高速漆包線企業(yè)的生產(chǎn)要求，有效提高成品率。經(jīng)過生產(chǎn)試驗和用戶驗證，在銅桿軋制過程中銅桿表面粗糙的銅桿比銅桿表面光滑的銅桿潤滑效果更好，由此工藝生產(chǎn)的銅桿在拉伸過程中產(chǎn)生更少的銅粉，尤其漆包線生產(chǎn)中表現(xiàn)出穿刺頻率明顯降低。

表3 在軋制過程中采用兩種不同粗糙度工藝生產(chǎn)的銅桿和對應(yīng)生產(chǎn)銅線表面微觀對比

(2)保證乳液真空過濾器過濾效果，定期清理乳液池中的氧化皮，降低乳液中氧化皮的含量。

(3)控制清洗液中乙醇濃度，適當(dāng)控制清洗液的壓力和流量，能有效控制銅桿表面氧化膜厚度。

5 結(jié)語

普通電線電纜企業(yè)對銅粉含量的要求不高，銅粉含量能達(dá)到8～12mg，均能滿足這類企業(yè)的生產(chǎn)要求。但對于高端漆包線企業(yè)而言，這個標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)不能滿足正常生產(chǎn)的需要，因此銅桿的銅粉含量控制在6mg以下，才能保證高端漆包線的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)已經(jīng)有部分銅桿企業(yè)已經(jīng)能夠?qū)~粉含量穩(wěn)定控制在3mg左右。

銅桿質(zhì)量的優(yōu)劣，決定著下游拉絲產(chǎn)品的等級。質(zhì)量優(yōu)異的銅桿，可以生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的高端拉絲產(chǎn)品;反之，質(zhì)量一般的銅桿，生產(chǎn)的拉絲產(chǎn)品質(zhì)量檔次就低。銅桿是電線電纜和漆包線的主要原料，下游用戶對銅桿的性能要求主要集中于銅桿的表面質(zhì)量和銅桿的拉伸性能。優(yōu)質(zhì)的銅桿可以穩(wěn)定占領(lǐng)多頭高速漆包線的高端市場。普通電線電纜企業(yè)用銅桿，由于產(chǎn)品直徑大、電纜表面質(zhì)量要求低而影響不明顯。生產(chǎn)微細(xì)銅線的企業(yè)選用的銅桿，為降低斷線率，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同樣對銅桿拉絲過程中產(chǎn)生的銅粉量有較高要求。

當(dāng)前國內(nèi)銅桿年產(chǎn)量日益增加，產(chǎn)能過剩將愈加明顯，下游用戶對銅桿產(chǎn)品質(zhì)量日益嚴(yán)格，市場競爭更加激烈。如何才能穩(wěn)定占據(jù)高低端用戶市場地位的壓力已經(jīng)落到攻克產(chǎn)品質(zhì)量的任務(wù)上。提高銅桿產(chǎn)品質(zhì)量，成為銅桿市場競爭的主要手段。

[1]趙新生.銅線桿生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國有色金屬，2011(18):38－39.

[2]馬世光.中國銅鋁加工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及關(guān)于銅加工發(fā)展的幾點(diǎn)討論[M].2014年中國銅加工產(chǎn)品及裝備發(fā)展研討會文集，中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，2014:1－8.

[3]何坤鸝.Contirod和SCR工藝生產(chǎn)銅桿鑄造原理分析[J].有色冶金設(shè)計與研究，2012(4):38－40.

[4]楊玉林.淺談銅線拉伸乳化液的使用及維護(hù)[J].銅業(yè)工程，2013(6):70－77.

[5]肖洪量，危利民.淺析銅桿表面銅粉的形成機(jī)理及關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)[J].銅業(yè)工程，2012(5):1－3.

[6]鄭穎.探討漆包線生產(chǎn)對銅導(dǎo)體質(zhì)量的要求[J].電線電纜，2013(1):20－23.

[7]GB/T3952－2008.電工用銅線坯[S]:1－6.