低氧光亮銅桿銅粉形成機理及控制研究

賈青云

(新興鑄管(浙江)銅業(yè)有限公司，浙江 杭州 311400)

0 前 言

當前用于制造電線、電纜的主要原料低氧光亮銅桿主要靠連鑄連軋法生產(chǎn)。隨著社會的發(fā)展科技的進步和更新，電線、電纜行業(yè)開始向超細線方向發(fā)展，此外鍍層類和漆包類銅線材品種需求量也越來越大、質(zhì)量要求越來越高，因此對連鑄連軋法生產(chǎn)的低氧光亮銅桿的性能要求也日益提高[1-2]。國內(nèi)雖然也在不斷引進和消化國外先進的生產(chǎn)技術(shù)，但是我國生產(chǎn)的低氧光亮銅桿的質(zhì)量仍與國外高端銅桿產(chǎn)品有相當?shù)牟罹?，在連拉連包漆線生產(chǎn)中常常因為銅桿的銅粉含量過高而不能滿足高端產(chǎn)品的要求。因此低氧光亮銅桿的質(zhì)量尤其是銅粉含量對其產(chǎn)品的市場競爭力影響很大。

銅線桿的后續(xù)拉拔加工對低氧光亮銅桿的銅粉含量有較高要求[3]。銅桿中的微米級銅粉與銅桿基體接觸不牢，在后續(xù)拉拔和扭轉(zhuǎn)過程中受應(yīng)力作用極易與基體剝離，在基體表面形成凹坑等缺陷。銅粉量過多易導(dǎo)致拉絲堵模，影響拉伸的潤滑過程，劃傷模具，并且會有銅粉壓入線表，嚴重時還會導(dǎo)致拉絲斷線，影響正常生產(chǎn)。因此，對低氧光亮銅桿的銅粉含量控制就顯得十分重要。本文分析了銅粉對銅桿拉伸過程的影響，確定銅粉主要來源，針對低氧光亮銅桿生產(chǎn)過程中產(chǎn)生銅粉的環(huán)節(jié)系統(tǒng)地探究了銅粉的形成原理，并對影響銅粉含量的因素進行試驗和分析，最后提出了合理的控制改良方案來降低銅粉含量。

1 銅粉對銅桿質(zhì)量的影響及危害

目前研究表明銅粉對銅桿后續(xù)拉伸的影響主要表現(xiàn)在拉伸過程和拉伸成品質(zhì)量兩方面。

1.1 銅粉對拉伸過程的影響

銅粉對銅桿拉伸過程的影響主要表現(xiàn)在拉伸模具的潤滑和銅線桿表面擦傷及拉斷等方面[4]。銅桿拉伸過程中潤滑必不可少，若銅桿的銅粉含量過多將會使拉伸過程中銅桿在壓縮工作區(qū)受機械應(yīng)力作用剝落的銅粉堆積在拉伸模具的工作區(qū)末端和定徑區(qū)入口處(如圖 1所示)。

圖1 拉伸模具簡易結(jié)構(gòu)

銅粉堵塞模具口阻止?jié)櫥突驖櫥M入，惡化潤滑作用，破壞拉伸模具內(nèi)壁與銅線桿之間由潤滑劑形成的抗高壓潤滑薄膜，摩擦力增大，使生產(chǎn)所需的拉伸力急劇增大，不僅增加能耗抬高成本，而且即使采用很小的加工率，也極易出現(xiàn)斷線，影響正常生產(chǎn)。此外潤滑惡化嚴重時還會出現(xiàn)干摩擦，導(dǎo)致線桿與模具內(nèi)壁出現(xiàn)粘連，影響銅線桿拉伸后的表面質(zhì)量，過量銅粉也會劃傷線表，無法拉制出高質(zhì)量的銅線；粘連及銅粉還會加速模具內(nèi)壁磨損，縮短模具使用壽命[5]。此外還有部分銅粉因受模具的徑向壓力會被壓入拉伸后的銅線表面，形成的薄弱區(qū)繼續(xù)影響后續(xù)拉拔過程和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 銅粉對拉伸產(chǎn)品性能和質(zhì)量影響

由于銅粉堵塞模具潤滑質(zhì)量降低，在工作區(qū)末端和定徑區(qū)入口處對銅桿摩擦力增大，銅粉剝落惡化線表質(zhì)量，而且銅粉顆粒會嚴重擦傷銅線桿在其表面留下毛刺、劃痕、凹坑等缺陷，這對后續(xù)拉伸尤其是微細線和超細線的拉伸質(zhì)量影響極大，這些微小缺陷處出現(xiàn)應(yīng)力集中，拉拔過程中極易在這些薄弱位置斷線[6-7]。另外，在成產(chǎn)漆包線和鍍層線時，毛刺和凹坑有可能導(dǎo)致鍍層或漆層不均勻、脫落或高電壓擊穿等質(zhì)量問題[8]。

2 銅粉形成和剝離機理

按照測量銅粉含量的國家標準的桿刷法采集到大量銅粉顆粒特征樣本[9]。分析顯示，銅桿銅粉剝離后表面缺陷十分明顯(如圖2)，剝落的銅粉顆粒尺寸大多在微米級且無規(guī)則形狀(如圖3)，化學(xué)元素檢測表明銅粉顆粒中只含Cu、O兩種元素，物相分析確定銅桿剝落的銅粉顆粒主要為銅基體顆粒和銅的氧化物顆粒[10]。

圖2扭轉(zhuǎn)試驗后銅桿表面銅粉剝離后形貌圖3銅線桿剝離的銅粉形貌

在低氧銅桿生產(chǎn)環(huán)節(jié)中澆鑄及澆鑄之前的銅液由于有還原性氣氛保護，其氧含量可控一般控制在最優(yōu)范圍200×10-6～300×10-6之間。鑄坯澆鑄完成出口溫度950℃，經(jīng)二次冷卻溫度降到830～860℃進軋，在此過程中，高溫銅鑄坯與空氣接觸氧化出厚度在30 μm左右的表層氧化皮。該層氧化皮為脆硬的CuO和Cu2O等銅的氧化物，其分布如圖4。

圖4 鑄坯表面氧化物分布

理想狀態(tài)下該層脆硬氧化皮在進入軋機軋制后，其表層氧化皮受軋制擠應(yīng)力被軋裂，破碎剝落，內(nèi)部的銅基體被軋制成銅桿，然而在實際軋制過程中氧化皮并非能全部脫離銅基體(如圖5)，仍會有一部分氧化皮粘附在銅基體或軋輥表面，以及可能有部分乳化液中循環(huán)未被過濾掉的氧化皮，被高速轉(zhuǎn)動的軋輥再次軋入銅基體軋件中(如圖6)，這些脆硬氧化物只是作為外來物嵌入基體與基體結(jié)合不牢，而且這些氧化物與基體的各項物理性能有較大差異，在后續(xù)拉伸過程中極易與基體再次剝離并攜帶少量基體碎片共同形成銅粉，成為了后續(xù)拉拔過程中出現(xiàn)各種質(zhì)量問題的隱患。

圖5氧化物剝離后基體顯微形貌圖6氧化物再次被軋入基體的顯微形貌

銅粉中除了銅的氧化物還有少量銅基體顆粒，銅基體顆粒主要是銅線桿表面受機械損傷導(dǎo)致毛刺、凹坑、擦傷等一系列缺陷引起。當軋輥尤其是小軋輥表面出現(xiàn)坑洞缺陷后若不及時更換，軋制成的銅桿表面常常有大量毛刺，這些毛刺被軋入銅桿中后與基體結(jié)合不牢，容易在拉伸過程中受應(yīng)力作用脫離基體形成銅粉。

3 軋制速度對銅粉含量影響

由銅粉形成機理可知，銅粉中的氧化物主要是在軋制過程中軋入銅桿，因此針對銅粉的控制試驗選擇軋制速度作為單一變量。軋制速度選擇低速8.0 m/min和高速9.5 m/min來作為對比試驗。在本試驗中將原料銅板清洗，燒嘴λ控制在1.0，保溫爐角度控制在75(°)左右，每半小時扒渣，銅液含氧量保持在最優(yōu)范圍200～300 ppm，鑄機冷卻液按比例控制，鋼帶、擋塊保持干燥清潔，粗、精軋乳化液及酒精含量按工藝要求上限控制，清洗線酒精濃度按上限控制，pH值按中上限控制，開軋溫度控制在843℃左右。

銅粉測量時選取銅桿試樣截取長度30 mm，試驗每種速度試驗各取樣152件。由于按照國家標準正負10轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)剝落的銅粉量太少測量誤差較大，因此本試驗選擇正25轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)至斷所剝落的銅粉量來對比不同軋制速度對于銅粉含量的影響。

表1 不同軋制速度下銅粉含量分布

試驗統(tǒng)計結(jié)果如表1。數(shù)理統(tǒng)計分析得出9.5 m/s軋制速度下平均銅粉含量為9.94 mg，標準差為0.922；8.0 m/s軋制速度下平均銅粉含量約為10.27 mg，標準差為1.016。軋制速度降低后銅桿平均銅粉含量有所增加，且標準差變大，銅桿質(zhì)量穩(wěn)定性下降。表明在9.5 m/s軋制速度下銅桿銅粉含量較為穩(wěn)定，速度下降后銅桿銅粉含量不穩(wěn)定且呈增加趨勢。

如圖7，當速度由9.5 m/min降低為8.0 m/min時，銅粉含量多的試樣數(shù)量顯著增多，銅粉含量少的試樣數(shù)量減少，平均銅粉含量也由9.94 mg增加到10.27 mg。表明相同溫度下，在一定軋制速度范圍內(nèi)，軋制速度越低，銅桿中銅粉含量越高。應(yīng)是由于軋制速度越低，鑄坯在澆鑄完成到進入軋機這段時間內(nèi)被外界空氣氧化時間越長，表層氧化皮越厚，在軋制過程中氧化皮破碎越不完全，且軋制速度慢時，軋輥更容易粘附氧化皮不易甩離，導(dǎo)致被軋入軋件的氧化皮增多，銅桿銅粉含量上升。

圖7 不同軋制速度的銅粉量對比

4 銅粉控制和過程改進建議

1)軋制速度

由于軋制速度會影響銅鑄坯在空氣中的氧化時間，因此控制軋制速度在合理范圍內(nèi)的較高值會有利于減少氧化皮，增加銅桿質(zhì)量穩(wěn)定性，進而減少銅桿銅粉含量。

2)粗、精軋乳化液

在軋制過程中，乳化液有潤滑作用且不斷沖刷軋件和軋輥上的氧化皮，將乳化液保持最大噴灑壓力可顯著提高氧化皮去除程度，減少被重新軋入銅基體的氧化皮量，此外，乳化液中含有適量乙醇等還原性物質(zhì)亦可還原少量表層氧化物，減少基體二次氧化程度，都能起到降低銅粉含量的作用。被乳化液沖走的氧化物碎屑在循環(huán)過程中應(yīng)被過濾干凈，否則會導(dǎo)致乳化液對氧化皮的清潔作用降低，銅粉含量增高。

3)無酸清洗

軋制完成后的無酸清洗過程要保證各個噴射口通暢無堵，以確保冷卻清洗液與銅桿表面充分接觸，還原銅桿表面氧化物。由于還原過程需要較高的溫度，因此在合理范圍內(nèi)應(yīng)盡可能降低冷卻清洗液的流量，防止過度冷卻導(dǎo)致還原過程不能正常進行。還應(yīng)經(jīng)常檢查冷卻清洗液中的還原性物質(zhì)濃度含量，保持在合理范圍內(nèi)的最優(yōu)值。

5 結(jié) 論

銅粉的含量直接影響低氧光亮銅桿的拉伸過程和拉伸產(chǎn)品質(zhì)量，因此應(yīng)盡可能降低銅桿銅粉含量。由于銅粉主要是在軋制過程中氧化皮被扎入基體時形成，因此降低氧化物量或降低氧化皮被再次扎入量是顯著降低銅粉含量的關(guān)鍵，此外還應(yīng)控制銅桿表面質(zhì)量，防止因機械損傷導(dǎo)致過多缺陷而使銅粉剝離量增加。