浸涂法制造無氧銅桿技術(shù)的探討

楊喜海，沈校軍

（富通集團有限公司，浙江 富陽 311400）

浸涂法制造無氧銅桿技術(shù)的探討

楊喜海，沈校軍

（富通集團有限公司，浙江 富陽 311400）

隨著國家電力系統(tǒng)迅猛發(fā)展，電線電纜行業(yè)不斷發(fā)展壯大，銅行業(yè)的發(fā)展越發(fā)得到社會的關(guān)注，銅材的需求量也在“十二五”期間出現(xiàn)陡增的趨勢。無氧銅桿作為電線電纜的核心原材料已成為高品質(zhì)銅材產(chǎn)品制造商關(guān)注的熱點。隨著工藝和裝備技術(shù)的發(fā)展，浸涂法制造在提升銅桿品質(zhì)和降低銅桿制造成本方面取得長足的進步，贏得了市場的廣泛認可。

浸涂法；無氧銅；銅桿；含氧量；電線電纜；預(yù)熱爐

1 引言

2013年中國國家主席習(xí)近平提出的“一帶一路”互聯(lián)互通偉大戰(zhàn)略構(gòu)想，極大的帶動我國基礎(chǔ)設(shè)施、信息通信、電力能源等領(lǐng)域加快走出去的步伐，同時也帶動銅材和線纜等配套行業(yè)的高速發(fā)展。在“十三五”期間，國家電網(wǎng)“五交八直”特高壓骨干網(wǎng)工程的加快建設(shè)，新增特高壓電網(wǎng)投資將達到4500億元，帶動電力和相關(guān)產(chǎn)業(yè)投資1.7萬億元，也將進一步帶動電線電纜行業(yè)在特定領(lǐng)域的高速發(fā)展。

電線電纜是輸送電能、傳遞信息和制造機電、電器、儀表的基礎(chǔ)器材，是電氣化、信息化社會中不可缺少的基礎(chǔ)產(chǎn)品［1］。同時，線纜工業(yè)是金屬銅最重要的消費市場，全球市場的精銅約70%用于電線電纜生產(chǎn)?！笆濉蹦┢陂g，全國電線電纜年用銅量預(yù)計將達到550萬t，創(chuàng)造新的歷史極值。

2 我國銅行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國銅冶煉行業(yè)長期保持供大于求的態(tài)勢，面對原料對外依存度高、節(jié)能減排壓力大、冶煉成本增大等多重問題，銅冶煉加工費利潤空間進一步縮減，行業(yè)競爭日趨激烈?！笆濉蹦┢?，國內(nèi)已經(jīng)具有電工銅桿專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)數(shù)十家，銅桿生產(chǎn)主要集中在江蘇、湖南、江西、山東、廣東等產(chǎn)業(yè)聚集地。銅導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)在質(zhì)量提高、生產(chǎn)集約化、高性能合金材料開發(fā)、廢銅直接制桿應(yīng)用等方面都有較大進展。專業(yè)銅導(dǎo)體加工企業(yè)越來越重視規(guī)?；?、集約化生產(chǎn)，越來越重視生產(chǎn)效率、技術(shù)水平提高，國際先進技術(shù)裝備也陸續(xù)被引進和應(yīng)用在高端銅冶煉領(lǐng)域。

我國精銅的主要消費市場集中在電力、空調(diào)制冷、交通運輸、電子和建筑等領(lǐng)域，其中電力行業(yè)消費量最高，空調(diào)制冷和電子行業(yè)的消費量近年也呈上升態(tài)勢。該領(lǐng)域中銅線生產(chǎn)對銅桿的質(zhì)量要求很高，需要先進的銅桿制造設(shè)備和工藝技術(shù)［2］。

3 銅桿的冶煉方法

當(dāng)前常用的現(xiàn)代銅桿加工方法主要有三種：“連鑄連軋法”，氧含量一般在200～400ppm之間；上引連鑄法，簡稱“上引法”，氧含量一般在10～50ppm之間；浸涂連鑄連軋法，簡稱“浸涂法”，氧含量最低，一般能達到10ppm以下，最低可以達到1～3ppm。由于三種制造工藝不同，銅桿在組織結(jié)構(gòu)、氧含量及分布、雜質(zhì)的形式及分布等諸多方面有較大差異。在線纜行業(yè)發(fā)展的帶動下，銅桿加工方法和設(shè)備也得到快速的發(fā)展，銅桿的制造已經(jīng)形成：連鑄連軋為主，上引法為輔，高端行業(yè)浸涂法補充的產(chǎn)業(yè)格局［3］。

浸涂法生產(chǎn)的銅桿質(zhì)量最好，性能最優(yōu)。因此，目前在美國、德國、瑞典、日本、臺灣等發(fā)達國家和地區(qū)都在廣泛應(yīng)用浸涂法生產(chǎn)高端優(yōu)質(zhì)的無氧銅桿，其含氧量在10ppm以下，電阻率在0.01707Ω·mm2/m以下，導(dǎo)電率101～102 IACS，伸長率40%以上，銅桿質(zhì)量處于世界最先進水平。

4 浸涂法制銅桿發(fā)展歷程

浸涂法制造銅桿工藝最早起源于美國，是美國通用公司（GE）考慮特種用途需更高純度銅而研究開發(fā)的技術(shù)工藝。在19世紀50年代進行研發(fā)，于1968年制造完成世界首臺浸涂法制銅生產(chǎn)設(shè)備，并申請專利保護，該設(shè)備在當(dāng)時產(chǎn)生了巨大的影響。因設(shè)備產(chǎn)能、產(chǎn)品穩(wěn)定性等原因后續(xù)進行了大量的改善，后期投入使用。

在19世紀70年代，日本昭和電線先后在日本川崎和三重兩個工廠分別引入浸涂法制銅設(shè)備，并在1989年從美國GE公司成功收購其專利，經(jīng)過研發(fā)在原有基礎(chǔ)上進行了大量的調(diào)整和改進，大大的提高了該設(shè)備綜合應(yīng)用能力。

中國首臺浸涂法制銅設(shè)備于1982年由哈爾濱電纜廠從美國GE公司簽訂購買合同，是當(dāng)時中國最先進、最昂貴制銅桿設(shè)備，為中國高端無氧銅事業(yè)發(fā)展奠定了不可磨滅的貢獻。該設(shè)備2005年轉(zhuǎn)賣給杭州富通集團，因其優(yōu)異的加工性能使得無氧銅桿廣受客戶的好評。

5 浸涂法設(shè)備介紹

浸涂法銅桿生產(chǎn)設(shè)備由銅板預(yù)熱爐、溶解爐和保溫爐、剝皮裝置、坩堝裝置、壓延機、卷取機等組成。

圖1　浸涂法銅桿生產(chǎn)設(shè)備圖

5.1預(yù)熱爐

預(yù)熱爐主要作用是去除陰極銅板表面的水分、雜質(zhì)以及硫、磷等化合物，避免此類物質(zhì)影響銅材純凈度。硫、磷等雜質(zhì)會嚴重地降低銅的拉斷延伸率，降低銅的拉伸強度及脆性［4-5］。預(yù)熱爐設(shè)置多根燒嘴，通過不完全燃燒天然氣，可產(chǎn)生一氧化碳氣體起到還原和保護作用，防止預(yù)熱后銅板氧化。通常需將銅板預(yù)熱到200℃以上。

5.2熔解爐

熔解爐容量數(shù)十t不等，通常配置2臺，單個熔解爐的熔化速率為6 t/h，預(yù)熱完成后的銅板沿著輥道，通過加料口滑入爐內(nèi)。爐內(nèi)覆蓋石墨，且通入保護氣體保護銅液不被氧化。爐體靠升降機構(gòu)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)銅水向保溫爐流出。熔化爐設(shè)有大功率感應(yīng)器，始終保持熔解爐內(nèi)銅水溫度1160℃左右。

保溫爐分澆注室和加壓室，銅水通過溜槽流入澆注室。加壓室相對密封，使用壓縮DX氣體進行加壓，使?jié)沧⑹乙好嫔?，銅水從澆注室出銅口流入坩堝內(nèi)部。

5.3剝皮裝置

無氧銅母桿經(jīng)過單頭拉絲機拉絲后，母桿經(jīng)過前置模、導(dǎo)向模，再由扒皮模去除母桿表面的氧化膜。避免因母桿引入導(dǎo)致銅的氧含量上升，同時也避免母桿與包覆銅層有分層現(xiàn)象發(fā)生。

圖2　母桿與包覆層分離不良品圖片

5.4浸涂坩堝

浸涂坩堝是將剔除表面氧化皮的母桿，自下而上勻速通過盛有一定銅液的容器。因母桿與銅液之間存在溫差，母桿通過銅液的過程中需要大量吸熱，銅液會均勻的附著在母桿表面，通常母桿通過銅水的時間約為0.5s左右形成新的鑄桿，此鑄桿便是無氧銅桿。

5.5壓延機

壓延機是實現(xiàn)無氧銅桿軋制過程的關(guān)鍵設(shè)備，無氧銅在軋制過程中全程密封、保護氣體進行保護。在壓延過程是使金屬產(chǎn)生塑性變形的過程，根據(jù)目標銅桿外徑進行壓延，同時避免加工過程中氧的介入。

浸涂法生產(chǎn)無氧銅桿關(guān)鍵的技術(shù)難點是全程密封避免與氧氣接觸，同時還原氣體的保護是決定成品銅桿含氧量的關(guān)鍵因素。

本系統(tǒng)需選用高品位電解銅板，從電解銅以及母桿進入后至最終成品產(chǎn)出為止，全線處于保護氣體環(huán)繞或真空狀態(tài)。銅水、浸涂以及軋制過程中與空氣完全隔離，因此銅線坯表面氧化皮較少，含氧量較低，電阻穩(wěn)定，線材柔韌便于軟態(tài)加工。

6 浸涂法制造銅桿特點

（1）銅桿含氧量極低，含氧量在10ppm以下，控制在5ppm以下。

（2）銅桿導(dǎo)電率高，通?？蛇_到101.5%IACS以上。

（3）銅桿內(nèi)部晶粒小、金相組織均勻、無氧化亞銅顆粒。

（4）銅桿質(zhì)地柔軟、排列均勻、回彈角小、加工性能好、拉伸縮減率可達99%以上。

（5）成品使用過程中發(fā)熱小、故障率低、安全性能高，適用于惡劣環(huán)境條件下使用。

（6）銅桿在后續(xù)拉線中產(chǎn)生的銅粉極少，制作的漆包線針孔極少，接近于零。

7 結(jié)論

無氧銅桿具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、彈性好、耐腐蝕、無磁性，以及易于機械加工等特點［6-7］被高端客戶所關(guān)注。鑒于浸涂法銅桿生產(chǎn)工藝復(fù)雜性，相當(dāng)制造成本較高，因此市場定位在中高端電器制品領(lǐng)域，目前產(chǎn)品主要面向風(fēng)電、高鐵、光伏電纜、航空等行業(yè)。隨著浸涂法無氧銅桿工藝成熟穩(wěn)定，銅材加工成本逐漸降低，在電力電纜和通信電纜等領(lǐng)域日趨發(fā)揮其高品質(zhì)特點，更多企業(yè)管理者綜合考量產(chǎn)品品質(zhì)、拉絲生產(chǎn)效率、電阻率等因素逐漸選擇高端銅材。

［1］熊霞. 銅桿線的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］. 有色冶金設(shè)計與研究，2014， 35（3）:24-25.

［2］鄒建成. 中國銅加工技術(shù)發(fā)展趨勢［J］. 中國有色金屬， 2013（16）:30-32.

［3］毛允正. 連鑄連軋生產(chǎn)銅線桿技術(shù)述評［J］. 資源再生， 2012（5）:53-56.

［4］吳文明. 探討提高陰極銅品質(zhì)的途徑［J］. 礦冶， 2007， 16（2）:52-54.

［5］余澤武. 淺談硫?qū)o氧銅桿的質(zhì)量影響和解決對策［J］. 銅業(yè)工程，2014（1）:4-6.

［6］徐高磊， 陳國權(quán)， 姚幼甫， 等. 高純高導(dǎo)無氧銅棒制造新技術(shù)［J］. 特種鑄造及有色合金， 2014， 34（5）:559-560.

［7］徐高磊， 姚幼甫， 駱越峰. 連續(xù)擠壓無氧銅帶制造新技術(shù)［J］. 特種鑄造及有色合金， 2011， 31（7）:648-649.

Discussion on the Technology of Producing Oxygen free Copper Rod by Dip Coating

YANG Xi-hai， SHEN Xiao-jun
（Futong Group Co.， Ltd.， Fuyang 311400， Zhejiang， China）

With the rapid development of the national electric power system， wire and cable industry continues to grow. The copper industry gets more and more social attention， and copper demand increases sharply in the "Twelfth Five Year Plan" period.As the core raw material of wire and cable， the copper rod is highly concerned by the manufacturers. With the development of technology and equipment， the dip coating method has won wide interest in the market， improving the quality of copper rod and reducing the costas well.

dip coating process；oxygen free copper；copper rod；oxygen content；wire and cable；preheating oven

TG376.8

B

1009-3842（2016）03-0017-03

2016-04-01

楊喜海（1985-），男，黑龍江密山人，工程學(xué)士，工程師，主要從事線纜技術(shù)、線纜材料應(yīng)用研究等工作。E-mail: ftyxh@ftjt.net