銅及銅合金帶坯立式連續(xù)鑄造工藝及設(shè)備介紹

許冠浩

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 工藝發(fā)展歷史

銅及銅合金帶坯立式連鑄工藝最早由瑞典Gr?nges公司研究開(kāi)發(fā)，研究的初衷是為了解決水平連鑄生產(chǎn)帶坯所產(chǎn)生的重力偏析、效率低等問(wèn)題，其在1983年成功工業(yè)化生產(chǎn)寬320mm、厚25mm的銅帶坯。Gr?nges公司后來(lái)由芬蘭Outokumpu公司收購(gòu)，Outokumpu公司利用帶坯立式連鑄工藝生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，產(chǎn)品厚度一般為大于20mm的銅及銅合金帶坯。1987年Outokumpu公司立式連鑄部與德國(guó)Technica-Guss公司水平連鑄部合并形成Krump-Technica公司，1989年更名Demage-Technica，1999年成立Demage+SMS MEER Gmbh,最終于2005年統(tǒng)一合并于德國(guó)SMS集團(tuán)的SMS-MEER公司。

從上個(gè)世紀(jì)90年代開(kāi)始，Technica公司一直致力于帶坯立式連鑄工藝的技術(shù)研究，以達(dá)到可生產(chǎn)厚度為16mm～18mm的銅及銅合金帶坯的目標(biāo)，該厚度范圍可以滿足常用冷軋機(jī)的供坯需求。Technica公司研究的關(guān)鍵是如何順利的將銅液導(dǎo)入窄結(jié)晶器內(nèi)鑄造成帶坯，該研究最終促成了帶坯熱頂鑄造技術(shù)的產(chǎn)生。隨后，Technica公司聯(lián)合比利時(shí)的Cumerio公司(原MHO公司)對(duì)帶坯立式連鑄工藝進(jìn)行試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)采用立式連鑄工藝穩(wěn)定生產(chǎn)DHP和青銅帶坯。2006年俄羅斯的基洛夫有色金屬加工廠(隸屬于烏拉爾礦業(yè)集團(tuán))從SMS-MEER公司采購(gòu)了一套銅及銅合金帶坯立式連鑄機(jī)組，并于2007年投入生產(chǎn)[1]。

隨著SMS-MEER公司對(duì)帶坯立式連鑄工藝及設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)，目前，該工藝可以生產(chǎn)紫銅、普通黃銅和部分復(fù)雜黃銅、青銅、白銅等合金，帶坯寬度最寬可達(dá)700mm，鑄造速度可達(dá)600mm/min，其發(fā)展目標(biāo)是可以生產(chǎn)全部合金牌號(hào)及規(guī)格的銅及銅合金帶坯。

2 設(shè)備組成介紹

銅及銅合金帶坯立式連鑄機(jī)的組成見(jiàn)圖1。銅及銅合金帶坯立式連鑄機(jī)所配置的保溫爐自帶澆注頭，澆注頭上安裝控流系統(tǒng)自動(dòng)控制銅液流量。控流系統(tǒng)工作原理是：采用液面檢測(cè)裝置檢測(cè)熱頂內(nèi)銅液液面高度波動(dòng)情況，然后將液面檢測(cè)裝置檢測(cè)信號(hào)反饋給控流系統(tǒng)，控流系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制塞棒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制銅液流量大小，最終達(dá)到控制熱頂內(nèi)銅液液面穩(wěn)定的目的。控流系統(tǒng)也可以采用手動(dòng)操作。

熱頂設(shè)置在結(jié)晶器上部。熱頂鑄造是指結(jié)晶器頂部有一段具有良好保溫性能區(qū)域的鑄造形式[3]。熱頂是帶坯立式連鑄機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，在下文專門(mén)對(duì)帶坯熱頂技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。帶坯立式連鑄機(jī)的結(jié)晶器類似于水平連鑄的結(jié)晶器，其由帶水室的冷卻器、石墨內(nèi)襯、框架及連接件組成。結(jié)晶器的水路設(shè)置是保證鑄坯冷卻效果的關(guān)鍵，為保證冷卻效果，一般將結(jié)晶器水路分區(qū)控制，并設(shè)置冷卻水精確調(diào)整和控制系統(tǒng)。另外，結(jié)晶器石墨模的兩側(cè)面增加加熱器，用于加熱鑄坯小面以防止鑄錠角部過(guò)早冷凝。

結(jié)晶器下面設(shè)置二次水水箱。結(jié)晶器內(nèi)冷卻水通過(guò)結(jié)晶器底部流口噴射到鑄坯表面形成對(duì)鑄坯的二次冷卻，目的是將鑄坯進(jìn)一步冷卻至50℃左右，以利于后續(xù)的銑面、彎曲和矯直等作業(yè)。二次冷卻水由二次水水箱收集，為防止冷卻水灑落到下部的設(shè)備上，二次水水箱與鑄坯間的密封圈非常重要。二次水水箱內(nèi)設(shè)置溢流孔，冷卻水通過(guò)溢流孔溢流回循環(huán)水泵站。

牽引機(jī)將鑄坯從結(jié)晶器內(nèi)不斷引出，牽引速度要求可精確控制，并連續(xù)可調(diào)。牽引機(jī)牽引方式可采用液壓夾緊輥或者液壓夾鉗，驅(qū)動(dòng)方式一般采用伺服電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)或者液壓馬達(dá)。

在線銑面機(jī)用于鑄坯銑面。銑面的目的是清除帶坯表面氣孔、夾渣、冷隔、裂紋和偏析等缺陷。該在線銑面機(jī)主要銑鑄坯的兩個(gè)大面，銑面厚度為0.25mm/面～1.00mm/面，紫銅類等表面質(zhì)量較好的鑄坯可以不用銑面，以提高產(chǎn)品的綜合成品率。

彎曲機(jī)構(gòu)和矯直機(jī)構(gòu)主要目的是將鑄坯由垂直于地面狀態(tài)轉(zhuǎn)換為平行于地面狀態(tài)，以便于鑄坯出料。剪切機(jī)用于將鑄坯中斷和剪切試片，剪切機(jī)在剪切過(guò)程中可與鑄坯保持同步運(yùn)行。卷取機(jī)為3輥卷取機(jī)，用于將鑄坯卷成卷狀。鑄卷的卷重、卷徑(內(nèi)徑和外徑)和塔形等均要滿足后續(xù)軋機(jī)開(kāi)卷的需求。

3 生產(chǎn)工藝過(guò)程介紹

原料由加料裝置加入熔化爐內(nèi)熔化，熔化后銅液經(jīng)過(guò)成分分析和調(diào)整后，轉(zhuǎn)入帶澆注頭的保溫爐內(nèi)保溫靜置，并調(diào)整銅液澆注溫度；然后將銅液經(jīng)安裝在保溫爐澆注頭底部的澆注管注入熱頂內(nèi)，銅液由熱頂流入結(jié)晶器內(nèi)，并在結(jié)晶器內(nèi)冷卻凝固成鑄坯，鑄坯由牽引機(jī)向下?tīng)恳鲩L(zhǎng)，并經(jīng)二次冷卻水冷卻至50℃以下；然后經(jīng)在線銑面機(jī)銑去鑄坯兩個(gè)大面的表面缺陷，并由彎曲機(jī)構(gòu)將鑄坯彎曲，彎曲后鑄坯經(jīng)矯直機(jī)構(gòu)矯直后，鑄坯由垂直于地面狀態(tài)改變?yōu)槠叫杏诘孛鏍顟B(tài)；然后，鑄坯經(jīng)卷取機(jī)卷取成卷，待卷重達(dá)到設(shè)定重量后，由剪切機(jī)將鑄坯中斷，經(jīng)檢查合格后用天車(chē)將鑄卷坯吊至堆放區(qū)堆放。

4 帶坯立式連鑄工藝熱頂技術(shù)介紹

采用立式連續(xù)鑄造技術(shù)生產(chǎn)帶坯，由于結(jié)晶器的小面太窄，無(wú)法采用澆注管直接向結(jié)晶器內(nèi)轉(zhuǎn)注銅液，并且為了在結(jié)晶器寬度范圍內(nèi)同時(shí)均勻、等速的注入等溫的銅液(類似于水平連續(xù)鑄造的供流方式)，經(jīng)過(guò)研究，SMS-MEER公司引入了熱頂技術(shù)。銅及銅合金帶坯水平連鑄供流方式示意圖見(jiàn)圖2，立式連鑄熱頂供流方式見(jiàn)圖3，熱頂裝置組成見(jiàn)圖4。

由圖2和圖3可知，帶坯熱頂裝置可以在結(jié)晶器上方儲(chǔ)存一定容量的銅液，類似于水平連鑄機(jī)組保溫爐的作用。因此，銅液可以由熱頂全充滿式流入底部結(jié)晶器，與水平連鑄的銅液由保溫爐前端流入結(jié)晶器內(nèi)的供流方式相似。

由圖4可知，熱頂主要由石墨內(nèi)襯、電阻絲、固定裝置和夾持裝置等組成。熱頂設(shè)置在結(jié)晶器上方，與結(jié)晶器固定于一體，其主要作用是在結(jié)晶器頂部形成廣口型腔，方便銅液注入，并可以在整個(gè)結(jié)晶器頂部形成熔液池，則銅液可以在結(jié)晶器整個(gè)型腔范圍內(nèi)同時(shí)、等速、均勻的流入結(jié)晶器內(nèi)。

另外，銅液在熱頂內(nèi)不能有太大的降溫，更不能凝固，因此熱頂需要有良好的保溫效果，同時(shí)要有加熱裝置加熱銅液。因此，熱頂?shù)氖珒?nèi)襯四周設(shè)置了電阻絲，以加熱熱頂內(nèi)銅液。

5 結(jié)語(yǔ)

帶坯立式連鑄工藝及設(shè)備經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，其采用熱頂技術(shù)，解決了如何向小面很窄的結(jié)晶器內(nèi)澆注銅液的技術(shù)難題，使銅液可以在結(jié)晶器寬度范圍內(nèi)同時(shí)均勻、等速、等溫的注入，從而生產(chǎn)出質(zhì)量合格的鑄坯，可直接向冷軋機(jī)供坯，屬于典型的短流程生產(chǎn)工藝，具有較好的應(yīng)用前景，值得我們深入研究分析。