節(jié)能型上引爐筑爐技術(shù)探究

姚迎國(guó) 章繼名

摘 要：隨著電氣工業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)電線電纜制品的質(zhì)量要求也隨之提高，需要使用更多的雜質(zhì)含量少，含氧量低的高純銅，高純銅的特點(diǎn)在于高導(dǎo)電率、高密度、極優(yōu)的塑性和良好的抗疲勞強(qiáng)度。上引連鑄法生產(chǎn)技術(shù)作為傳統(tǒng)銅桿生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一，在銅桿產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期起到了很大的推動(dòng)作用，然而隨著科技進(jìn)步與發(fā)展其他同類產(chǎn)品不斷替代了上引爐，但是作為無氧銅桿生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備來說，其仍有不可替代性，特別是中小規(guī)模、高品質(zhì)無氧銅桿生產(chǎn)更是不可或缺的。本設(shè)計(jì)通過對(duì)上引法連鑄機(jī)的工作原理進(jìn)行研究，具體包括：爐體結(jié)構(gòu)、熔溝參數(shù)設(shè)計(jì)、線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)等，通過研究達(dá)到爐體使用壽命增加50%，能耗降低10%，產(chǎn)能提升38%功效。

關(guān)鍵詞：線圈;匝數(shù);上引法;熔溝

一、上引法工藝綜述

（一）設(shè)備工作原理

電解銅經(jīng)剪切（或整塊），用人工（或機(jī)械）加入工頻感應(yīng)熔化爐（或連體爐的熔化部分），熔化是在木碳覆蓋保護(hù)下進(jìn)行的，熔融的銅液經(jīng)過一段時(shí)間的靜止還原脫氧并達(dá)到一定的溫度后，通過有CO氣體保護(hù)的流槽（或連體爐的溢流口）經(jīng)過渡腔（銅液在此進(jìn)一步還原脫氧、清除渣質(zhì)），進(jìn)而平穩(wěn)地流入保溫爐（或連體爐的保溫腔），銅液的溫度由熱電偶測(cè)量，溫度值由儀表顯示。爐子輸入功率可以根據(jù)設(shè)定的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，也可根據(jù)銅液的實(shí)際溫度電動(dòng)調(diào)節(jié)，以控制銅液的溫度在一定的范圍內(nèi)。

連鑄機(jī)固定于保溫爐的上方，有6頭、8頭、多至20多頭等多種形式，分兩排各自固定在連鑄機(jī)的兩側(cè)，每根鑄桿有上、下兩對(duì)輥輪間歇向上牽引、輥輪由一臺(tái)（或多臺(tái)）直流電動(dòng)機(jī)（或步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)）驅(qū)動(dòng)，每根結(jié)晶器可單獨(dú)裝拆而不影響其他結(jié)晶器的正常工作。根據(jù)保溫爐內(nèi)銅液液位的高低，連鑄機(jī)可上、下自行運(yùn)動(dòng)，以保證結(jié)晶器和保溫爐內(nèi)銅液液位相對(duì)位置恒定。每根鑄桿都有一控制器和撓桿機(jī)，鑄桿經(jīng)導(dǎo)輪裝置從連鑄機(jī)引到控制器和撓桿成圈，成圈完畢后把鑄桿剪斷，并把成圈鑄桿吊運(yùn)走，供下道工序加工。

（二）上引法工藝特點(diǎn)

由于拉軋工藝與鑄造工藝不是連續(xù)的，拉軋是在常溫下進(jìn)行的，不需氣體保護(hù)，銅材也不會(huì)被氧化。因此設(shè)備投資小，廠房布置也靈活。單機(jī)產(chǎn)量變化范圍大，年產(chǎn)量可以從幾百噸到幾萬(wàn)噸，可供不同規(guī)模的廠家選用不同型號(hào)的上引機(jī)組。此外，由于連鑄機(jī)是多頭的，可以很容易地通過改變鑄造規(guī)格（鑄桿直徑），來改變單位時(shí)間的生產(chǎn)量，因此其產(chǎn)量可視原材料的供應(yīng)情況和產(chǎn)品的需求情況來決定，便于組織生產(chǎn)，節(jié)約能源。只需更換結(jié)晶器和改變石墨模的形狀，即可生產(chǎn)銅管，銅排等異型銅材，并可在同一機(jī)器上生產(chǎn)不同規(guī)格、品種的銅材，靈活機(jī)動(dòng)，這可說是上引法的最大特點(diǎn)了。如果采用分體爐，即熔化和保溫在二個(gè)感應(yīng)爐中進(jìn)行，則就比較容易實(shí)現(xiàn)用上引法生產(chǎn)合金銅材。

工藝原理上引法連鑄銅桿的基本特點(diǎn)是”無氧”，即氧含量在10ppm以下，在電解銅熔化，銅液轉(zhuǎn)移，結(jié)晶成型的整個(gè)工藝過程中，采用木碳還源和鱗片石墨覆蓋、隔氧等措施。氧在熔融銅液中是以氧化銅（CuO）和氧化亞銅（CuO2）的形式存在的，木碳（C）在高溫下與其作用，可以脫氧，使其氧含量小于10ppm，反應(yīng)方程式如下：CuO+CuO2+C→Cu+CuO+CO→2Cu+CO2↑在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的CO保護(hù)氣氛和鱗片石墨的隔氧作用，使銅液在熔化腔向保溫腔的轉(zhuǎn)移及結(jié)晶過程中，銅液不再被氧化。

二、節(jié)能型上引爐筑爐技術(shù)研究思路

（一）產(chǎn)能提升方案研究

從改變線數(shù)匝數(shù)的角度著手，增大電流動(dòng)提升熔化能力，將原有年產(chǎn)5000噸爐體標(biāo)配的62匝線數(shù)，變更為58匝，同時(shí)減少熔溝尺寸，在輸入電流、電壓不變的情況下，實(shí)現(xiàn)熔化能力的提升，進(jìn)而提高產(chǎn)能。

考慮到上引法引桿速度受結(jié)晶速度的限制，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的提升，計(jì)劃將原來10個(gè)結(jié)晶器的引鑄架增加到12個(gè)。

（二）節(jié)能方案研究

通過改變爐體中3個(gè)熔溝的參數(shù)，將原設(shè)計(jì)的總高度600mm減少到560mm;熔溝的溝體部份由原來厚度330mm，減少到320mm，實(shí)現(xiàn)輸入電流增加，提升熔化能力。在總產(chǎn)能上提升了20%，而實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%以上。

（三）使用壽命提升方案研究

爐體的使用壽命取決于熔溝及搗打料的壽命，在日常使用中，因熔溝長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，沖擊搗打的石英砂，使石英砂的厚度變薄而產(chǎn)生能耗降低甚至漏銅導(dǎo)致爐體報(bào)廢的現(xiàn)象，本研究方案的實(shí)施因減小了熔溝的體積，進(jìn)而增加了搗打?qū)拥暮穸龋苡行У臏p少或避免漏銅的現(xiàn)象，從而使?fàn)t體的使用壽命得到了提升。

熔溝體積減少，避免了降檔，停爐時(shí)因體積大，熱脹系數(shù)大而造成的熔溝斷裂導(dǎo)致爐體報(bào)廢的問題。

（四）產(chǎn)品性能提升方案的研究

對(duì)過對(duì)爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的爐體只有熔化滬和保溫爐兩部份，而銅在熔煉過程中，因本身帶有的雜質(zhì)，加料時(shí)融入的氧氣，木炭、石墨鱗片中含有的其它金屬會(huì)直接從熔化爐進(jìn)入到保溫爐，就會(huì)直接進(jìn)入結(jié)晶器，影響銅桿的純度、氧含量，對(duì)銅桿電性能、機(jī)械性能產(chǎn)生影響。

本研究方案計(jì)劃從爐體結(jié)構(gòu)入手，在熔化爐與保溫爐之間增加一個(gè)過度倉(cāng)，過度倉(cāng)的寬度為250-300mm，過度倉(cāng)中沒有熔溝，熔煉好的銅液經(jīng)過過度倉(cāng)時(shí)可因溫度的降低而實(shí)現(xiàn)脫氧和雜質(zhì)分離的作用，進(jìn)而使進(jìn)入保溫爐中的銅液的純度更高，含氧量更低，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能提升。

三、實(shí)踐驗(yàn)證數(shù)據(jù)

通過改變線圈匝數(shù)、爐體結(jié)構(gòu)、熔溝尺寸等相關(guān)參數(shù)，通過實(shí)踐證明其產(chǎn)能、使用壽命、產(chǎn)品性能均能得到有效提升，具體數(shù)據(jù)如下：

產(chǎn)能提升方面：線圈匝數(shù)改為58匝，實(shí)現(xiàn)進(jìn)項(xiàng)電流達(dá)由原來的400A，提高到520A，單位產(chǎn)能由原來17噸/天提高到21.5噸/天;

爐體壽命：由原來平均使用壽命12個(gè)月提升到18個(gè)月以上;

單位能耗：由原來的355kwh/噸降低到320kwh/噸;

產(chǎn)品性能：電性能由0.01720Ωmm2/m降低到0.01680Ωmm2/m以下，機(jī)械性能的伸長(zhǎng)率由35%提升到45%。

綜上，上引法生產(chǎn)工藝通過改變爐體結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)、熔化爐的熔溝尺寸后在不改變?cè)袪t體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)使用壽命、產(chǎn)品性能、單位能耗等均有所降低，對(duì)于無氧銅桿生產(chǎn)企業(yè)來說是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提升產(chǎn)品性能、降低生產(chǎn)成本的有效方法。

參考文獻(xiàn)

[1]駱越峰，姚幼甫，徐高磊.上引爐熔溝斷裂原因分析及控制[J].有色金屬加工，2011（01）：21+59-60。

[2]畢全祥，張林昌.銅材“上引連鑄”技術(shù)[J].山東冶金，1996（04）：22-24。

[3]周建平，胡毅光，劉衛(wèi)紅.淺析氧含量對(duì)銅桿電氣、機(jī)械及加工性能的影響[J].礦冶工程，2010（02）：105-107。

[4]雷靜果.新型高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Ag-Cr合金的組織性能及時(shí)效動(dòng)力學(xué)研究[D].西安理工大學(xué)，2007。