水平連鑄Φ100 mm 銅管坯質(zhì)量缺陷分析及改進(jìn)

曾佳偉

（福建紫金銅業(yè)有限公司，福建上杭 364200）

水平連鑄是生產(chǎn)TP2 銅管坯的主流工藝， 目前國(guó)內(nèi)普遍生產(chǎn)外徑為Φ90 mm、 壁厚23 mm TP2 銅管坯，其米克重約43.3 kg。 隨著某企業(yè)銅管生產(chǎn)效能的進(jìn)一步提高，銅管坯Φ90 mm 的生產(chǎn)出現(xiàn)產(chǎn)能瓶頸，若通過(guò)增加水平連鑄設(shè)備數(shù)量提高銅管坯產(chǎn)量，則需要大量的資金投入和場(chǎng)地建設(shè)。 如在現(xiàn)有水平連鑄設(shè)備的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)Φ100 mm、壁厚26 mm（米克重約54.1 kg）的銅管坯，既可提升產(chǎn)量，又能節(jié)省資金，還不用擴(kuò)大場(chǎng)地，是一個(gè)較好的工藝方案。 而利用原有的水平連鑄工藝生產(chǎn)Φ100 mm 的TP2 銅管坯，往往會(huì)出現(xiàn)一些質(zhì)量缺陷。本文擬對(duì)某企業(yè)存在的這些缺陷進(jìn)行工藝改進(jìn)及效果分析。

1 生產(chǎn)質(zhì)量缺陷及原因分析

某企業(yè)采用原有的水平連鑄工藝生產(chǎn)Φ100 mm 的TP2 銅管坯主要存在以下質(zhì)量缺陷：1)銅管坯表面易出現(xiàn)深裂紋，如圖1 所示。銅管坯表面深裂紋一旦出現(xiàn)就必須更換石墨模具，因此石墨模具的使用壽命非常短，平均使用壽命只有38.6 h。2）銅管坯頻繁出現(xiàn)皮下氣孔，如圖2 所示，使銅管的成品率只有57.6%。 根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料[1-5]和該企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，針對(duì)以上質(zhì)量缺陷進(jìn)行研究分析。

1.1 銅管坯表面出現(xiàn)深裂紋的原因

在水平連鑄生產(chǎn)工藝過(guò)程中，銅管坯受到冷卻不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力、牽引機(jī)的拉應(yīng)力、石墨模具與銅管坯的摩擦力的共同作用。 當(dāng)這3 個(gè)力共同作用產(chǎn)生的合力超過(guò)銅管坯表面凝殼的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在其表面產(chǎn)生裂紋[6]。 圖3 為氧化后的石墨模具，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，石墨模具被氧化的速率非?？?，造成石墨模具與銅管坯的摩擦力快速增大，導(dǎo)致銅管坯表面產(chǎn)生深裂紋。

圖1 Φ100 mm 銅管坯表面裂紋

圖2 Φ100 mm 銅管坯皮下氣孔

圖3 氧化后的石墨模具

1.2 銅管坯皮下氣孔頻繁產(chǎn)生的原因

在水平連鑄過(guò)程中，銅液中會(huì)溶解微量的氣體，當(dāng)生產(chǎn)Φ90 mm 的銅管坯時(shí)，銅液的消耗速率比較慢，氣體能夠及時(shí)排出；但是在生產(chǎn)Φ100 mm 的銅管坯時(shí)，銅液消耗速率快，導(dǎo)致氣體無(wú)法及時(shí)排出而殘留在銅液中。結(jié)晶時(shí)，因銅液中氣體溶解度下降析出，但又無(wú)法突破表面凝殼，最終形成皮下氣孔缺陷。 因此，需要提高銅液的質(zhì)量，減少銅液的含氣量以保證Φ100 mm 銅管坯的質(zhì)量穩(wěn)定。

2 Φ100 mm 銅管坯生產(chǎn)工藝的改進(jìn)方案

通過(guò)以上對(duì)生產(chǎn)Φ100 mm 銅管坯出現(xiàn)的質(zhì)量異常原因分析可知, 石墨模具的氧化速率和銅液中的含氣量是影響坯質(zhì)量的兩個(gè)主要因素， 因此需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)， 以降低石墨模具的氧化速度和銅液中的含氣量。

2.1 改造模具，降低石墨模具氧化速率

石墨模具的快速氧化必須具備兩個(gè)條件：溫度高和大量氧化性氣體。在水平連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，銅液自身就含有一定量的氧化氣體，而且二次冷卻也會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，因此氧化性氣體與石墨模具的接觸不可能完全避免，要降低石墨模具的氧化速率，只能從降低石墨模具中結(jié)晶區(qū)的溫度著手。 由此制定石墨模具的改造措施： 將石墨模具側(cè)面后端4 個(gè)進(jìn)液孔的直徑從Φ18 mm 縮小為Φ14 mm，目的是適當(dāng)減少單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入石墨模具的銅液量，使石墨模具能夠有效地冷卻，避免了由于石墨模具中結(jié)晶區(qū)溫度過(guò)高導(dǎo)致的快速氧化，延長(zhǎng)了石墨模具的使用壽命。試驗(yàn)采用改造后的石墨模具生產(chǎn)Φ100 mm 銅管坯，共生產(chǎn)了4 個(gè)批次銅管坯（更換1 次石墨模具為1 個(gè)生產(chǎn)批次）。 改造前、后石墨模具示意見(jiàn)圖4。

圖4 改造前、后石墨模具示意

2.2 提高銅液質(zhì)量，降低銅液含氣量

提高銅液質(zhì)量的主要控制措施有：1）減少工藝廢料添加比例。 各生產(chǎn)制程中都會(huì)產(chǎn)生一些銅管工藝廢料，該廢料要回爐重熔。工藝廢料中含量少量的潤(rùn)滑油，在高溫熔煉中會(huì)產(chǎn)生氣體，因此適當(dāng)減少工藝廢料投入量，將投入量控制在15%以下，可降低銅液中含氣量。2）規(guī)范原料的添加順序，必須先加銅管廢料，再添加電解銅，可以延長(zhǎng)除氣時(shí)間。 3）采用木炭烘烤， 熔煉爐在靜置前必須更換烘烤過(guò)的干燥木炭，加強(qiáng)除氣效果。

3 生產(chǎn)工藝改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果

采用改造后的石墨模具連續(xù)生產(chǎn)4 個(gè)批次的Φ100 mm 銅管坯，每個(gè)批次均未發(fā)現(xiàn)銅管坯表面出現(xiàn)深裂紋的現(xiàn)象。 改造后石墨模具的平均使用壽命為93.8 h（見(jiàn)表1），相比改造前模具的平均使用壽命38.6 h，模具壽命提高了143.0%。這說(shuō)明適當(dāng)縮小石墨模具進(jìn)液孔的改造效果顯著，有效減少了銅管坯表面出現(xiàn)深裂紋的現(xiàn)象發(fā)生，提高了模具的使用壽命。

表1 改造后的石墨模具使用壽命統(tǒng)計(jì)

在水平連鑄生產(chǎn)過(guò)程中， 銅液結(jié)晶的冷卻控制效果越好， 則銅管坯低倍組織中的晶粒越均勻、細(xì)小。 該公司Φ90 mm 銅管坯的生產(chǎn)工藝是一套成熟的工藝，銅管坯生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，其低倍組織中的晶粒細(xì)小均勻，采用改造后的石墨模具生產(chǎn)的Φ100 mm銅管坯的低倍組織晶粒分布、 尺寸大小與Φ90 mm銅管坯十分接近， 說(shuō)明改造后石墨模具的冷卻效果良好，二者低倍組織對(duì)比圖見(jiàn)圖5～圖6。

圖5 Φ90 mm 和Φ100 mm 銅管坯的低倍組織

圖6 Φ90 mm 和Φ100 mm 銅管坯的低倍組織剖面

本試驗(yàn)采用改造后的石墨模具生產(chǎn)銅管坯時(shí)，也施行了提高銅液質(zhì)量的控制措施。 在水平連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，銅管坯切口都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)皮下氣孔。單支銅管坯的長(zhǎng)度約20 m，在銅管坯切口處不一定能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)皮下氣孔。因此，本試驗(yàn)以銅管成品（薄壁管）的復(fù)繞工序氣孔缺陷數(shù)（通過(guò)探傷儀在線監(jiān)測(cè)）判定銅管坯質(zhì)量的好壞，成品的氣孔缺陷數(shù)越少，說(shuō)明銅管坯氣孔數(shù)量越少，其質(zhì)量越好。銅管成品的氣孔缺陷數(shù)見(jiàn)表2。

表2 銅管成品的氣孔數(shù)量統(tǒng)計(jì)

由表2 可知， 生產(chǎn)工藝改進(jìn)前噸均氣孔缺陷數(shù)為29.3～31.8 個(gè)，生產(chǎn)工藝改進(jìn)后噸均氣孔缺陷數(shù)為10.5～13.6 個(gè)。 相對(duì)于改進(jìn)前，工藝改進(jìn)后氣孔缺陷數(shù)減少了55.3%～64.2%。 試驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)工藝生產(chǎn)的銅管坯質(zhì)量明顯提高，銅管成品率也隨之提高。經(jīng)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)銅管的成品率從57.6%提升至81.3%。

4 結(jié)論

針對(duì)Φ100 mm 銅管坯生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的表面出現(xiàn)深裂紋和皮下氣孔的質(zhì)量缺陷進(jìn)行研究， 通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝得出以下結(jié)論：1）將石墨模具的進(jìn)液孔由Φ18 mm 縮小至Φ14 mm，減少單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入石墨模具的銅液量，使石墨模具能夠有效地冷卻，避免了其快速氧化導(dǎo)致的摩擦力增大，從而有效解決了銅管坯表面出現(xiàn)深裂紋的缺陷，而且石墨模具的平均使用壽命提高了143.0%。2）改造后的石墨模具冷卻效果良好，采用新模具生產(chǎn)的Φ100 mm 銅管坯的低倍組織晶粒分布、大小與Φ90 mm 銅管坯接近。 3）提高銅液質(zhì)量，降低銅液的含氣量，在水平熔鑄生產(chǎn)過(guò)程中銅管坯切口未發(fā)現(xiàn)皮下氣孔缺陷，銅管成品的氣孔缺陷數(shù)減少55.3%～64.2%。 4）研究結(jié)果表明改進(jìn)工藝生產(chǎn)的Φ100 mm 銅管坯質(zhì)量明顯提高，銅管的成品率從57.6%提升至81.3%。