電工用銅線坯SCR連軋變形過程分析

劉青松，裴英豪，黃貞益，王 萍，施立發(fā)

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，安徽馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243000）

引言

電工用銅線坯是制作電線電纜重要的中間坯料[1]，其產(chǎn)品質(zhì)量直接決定著成品電線電纜品質(zhì)的高低。SCR連鑄連軋工藝是目前生產(chǎn)電工用銅線坯最主要的工藝方法之一[2]。生產(chǎn)過程中連軋工藝波動(dòng)是影響銅線坯力學(xué)性能及表面質(zhì)量重要因素之一[3]。扭轉(zhuǎn)測試（TTF）是檢驗(yàn)銅線坯力學(xué)性能的重要方法，也是評(píng)價(jià)后續(xù)銅線拉拔性能重要手段之一[4]。國內(nèi)外企業(yè)與學(xué)者對(duì)銅線坯表面質(zhì)量與扭轉(zhuǎn)性能也有大量研究，江海濤等[5]利用掃描電鏡和拉伸試驗(yàn)機(jī)研究了SCR4500生產(chǎn)線銅桿組織和性能的轉(zhuǎn)變，結(jié)果表明銅桿經(jīng)過多道次軋制組織發(fā)生明顯細(xì)化。攸駿等[6]通過實(shí)驗(yàn)分析確定了SCR坯料中的氣孔是導(dǎo)致銅線坯及成品銅桿產(chǎn)生表面缺陷的主要原因。彭云等[7]通過對(duì)雜質(zhì)元素氧進(jìn)行深入研究，確定了銅線坯中氧含量與扭轉(zhuǎn)次數(shù)的關(guān)系，并提出了改善電工用銅桿質(zhì)量的措施和方法。以上學(xué)者多從成分、組織及冶煉工藝等方面對(duì)銅線坯質(zhì)量進(jìn)行研究，對(duì)SCR連軋工藝研究的文獻(xiàn)相對(duì)較少。

本研究以SCR3000連軋實(shí)際生產(chǎn)工藝為研究對(duì)象，借助有限元模擬軟件MSC.superform對(duì)電工用銅線坯8道次連軋過程進(jìn)行有限元模擬，分析SCR連軋過程對(duì)銅線坯表面質(zhì)量及扭轉(zhuǎn)性能的影響。

1 有限元模型建立

電工用銅線坯連軋屬于大變形金屬塑性成型，軋件材料選取氧含量0.025%的低氧銅，熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 低氧銅材料熱物性參數(shù)

低氧銅變形抗力采用Johnson-cook模型，如式（1）所示。

式中，σs為變形抗力；ε˙為變形速率；ε為變形程度；T為變形溫度。

SCR連軋孔型系統(tǒng)為“橢圓-圓”系統(tǒng)，由于連軋過程為對(duì)稱軋制，整個(gè)模型采用1/4軋件和1/2軋輥進(jìn)行建模[8]。考慮到計(jì)算效率和精確性，連軋8道次采用分別建模，坯料經(jīng)4道次軋制之后對(duì)軋件進(jìn)行切片取斷面，作為后4道次軋件斷面形狀[9]，整個(gè)模型軋輥間距120 mm，具體模型如圖1所示。

圖1 四道次連軋模型

模型軋件兩對(duì)稱面采用位移約束，坯料初始溫度為770℃，環(huán)境溫度25℃，軋輥溫度40℃，功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.9[10]。軋件與軋輥采用剪切摩擦類型，摩擦系數(shù)根據(jù)式（2）計(jì)算[11,12]。

式中，f為摩擦系數(shù)；α為表面系數(shù)；T為軋制溫度。

2 模擬結(jié)果與討論

計(jì)算結(jié)束后截取軋件各道次軋后斷面積與實(shí)際面積進(jìn)行對(duì)比，二者吻合較好，面積最大差值不超過2.5%，模擬結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映軋件實(shí)際變形情況及工藝參數(shù)變化規(guī)律。

2.1 溫度場分析

模型軋件中節(jié)點(diǎn)較多，選取軋件截面5個(gè)典型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度場分析，節(jié)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 軋件的不同部位

圖3給出了典型節(jié)點(diǎn)溫度隨增量步的變化規(guī)律。從圖3中可以看出，軋制之前軋件各部分溫度保持一致，隨著軋制的進(jìn)行軋件中心和1/4厚度處與表面溫度差異逐漸增加，軋件中心溫度保持在690℃～800℃范圍，軋件表面溫度在520℃～680℃范圍內(nèi)，這主要由于軋制過程中軋件與軋輥表面接觸換熱造成；隨著軋制道次增加軋件中心溫度逐漸升高，連軋前4道次中心溫度上升15.3℃，后4道次中心溫度上升21.2℃，這主要由于金屬塑性變形過程中塑性功和摩擦功轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致溫度升高；在中心溫升及表面溫降共同作用下軋件1/4處溫度較為穩(wěn)定；軋制結(jié)束后整個(gè)軋件溫度逐漸趨于一致。

圖3 軋件不同部位溫度變化

2.2 軋制力學(xué)性能分析

圖4為軋制過程中各道次軋制力隨增量步的變化曲線。從圖4中可以看出，軋件從自由狀態(tài)到與后機(jī)架連軋關(guān)系建立過程中軋制力都有一個(gè)階梯狀變化。前4道次連軋過程中，軋件從自由狀態(tài)到與第3機(jī)架連軋關(guān)系建立，軋制力下降了2.8 kN；軋件從3、4機(jī)架連軋狀態(tài)到第4機(jī)架自由軋制狀態(tài)，第3機(jī)架軋制力增加了4.1 kN，變化量超過25%。由此可以說明軋件在連軋1至4機(jī)架間存在較大張力。而軋件在5至8機(jī)架間連軋關(guān)系建立時(shí)軋制力波動(dòng)相對(duì)較小，軋件從第7、8機(jī)架連軋到自由軋制狀態(tài)軋制力下降了0.65 kN，因此可以判斷軋件在連軋5至8機(jī)架間處于相對(duì)理想的連軋狀態(tài)，但第7、8機(jī)架間存在著微推力軋制狀態(tài)。

圖4 軋制力隨增量步的變化

圖5為軋制過程中各道次軋制力矩隨增量步的變化曲線。從圖5中可以看出，軋件在各機(jī)架連軋關(guān)系建立過程中軋制力矩都有一個(gè)階梯形變化的趨勢。軋件從第1機(jī)架到與第3機(jī)架連軋關(guān)系建立時(shí)軋制力矩下降了48.3%；而第3機(jī)架從連軋狀態(tài)到軋件自由軋制，軋制力矩降低了55.5%；連軋過程中由于第6、7機(jī)架間張力及7、8機(jī)架間推力，導(dǎo)致第7機(jī)架軋制力矩較自由軋制狀態(tài)增加了33.3%。機(jī)架間推拉關(guān)系分布的差異，導(dǎo)致軋件在連軋關(guān)系建立后機(jī)架間載荷差異較大，部分機(jī)架載荷的異常增加會(huì)限制連軋產(chǎn)線生產(chǎn)能力的發(fā)揮。

圖5 軋制力矩隨增量步的變化

2.3 軋件損傷分析

韌性損傷破壞是金屬塑性成型過程中的重要問題[13]。Cockroft-Latham破壞準(zhǔn)則可以準(zhǔn)確描述金屬不同變形條件下韌性損傷破壞的分布，具體公式如式（3）所示。

其中：σmax分別是最大主應(yīng)力和等效米塞斯應(yīng)力；εf為斷裂時(shí)臨界等效應(yīng)變˙為等效塑性應(yīng)變率；C為材料的斷裂伐值。

軋件典型節(jié)點(diǎn)損傷值隨增量步變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著軋制道次的增加軋件典型節(jié)點(diǎn)處損傷值均呈階梯狀增加，第1至4機(jī)架連軋結(jié)束后軋件表面Y方向損傷值為4.98，X方向損傷值為4.77，而中心處損傷值為0.54。經(jīng)8道次軋制后軋件表面Y方向累積損傷值為7.18，X方向累積損傷值為6.71，中心累積損傷值為0.877，軋件表面1/4處損傷與中心處損傷較為接近。因此軋件在連軋過程中表面較中心更容易損傷，軋制結(jié)束后各道次損傷逐漸累積易使得軋件表面形成加工缺陷，影響成品性能。

圖6 軋件不同部位損傷變化

圖7為連軋結(jié)束后軋件損傷分布。

圖7 軋制后軋件斷面損傷分布

2.4 扭轉(zhuǎn)裂紋形成原因分析

連軋過程中各道次軋件斷面積結(jié)合軋制速度計(jì)算出的連軋機(jī)架間堆拉率如表2所示。由表2中可以看出，SCR連軋8機(jī)架間堆拉關(guān)系存在較大差異。其中第1、2機(jī)架間，2、3機(jī)架間，6、7機(jī)架間處于張力軋制狀態(tài)，特別是第1、2機(jī)架間和2、3機(jī)架間堆拉率均大于5.5%，遠(yuǎn)大于線材連軋微張力軋制堆拉率0.2%～1%的范圍，軋件在機(jī)架間受到較大的張力作用；第3、4機(jī)架間，5、6機(jī)架間，7、8機(jī)架間存在微推力軋制狀態(tài)。

表2 連軋各機(jī)架工藝參數(shù)

銅線坯在SCR連軋過程中由于軋件表面與軋輥之間熱交換，軋件表面溫度在520℃～680℃范圍內(nèi)波動(dòng)。圖8為低氧銅材料塑性圖，由低氧銅材料斷面收縮率隨溫度變化曲線可以看出，銅線坯連軋過程中表面處于低塑性區(qū)域，延伸率和斷面收縮率均在40%以下。銅線坯表面較低的延伸率在SCR連軋機(jī)架間大張力作用下易形成微裂紋缺陷，裂紋在后續(xù)機(jī)架軋制過程中難以焊合被保留下來，成為影響電工用銅線坯扭轉(zhuǎn)性能的潛在缺陷。

圖8 低氧銅材料塑性圖

3 結(jié)論

（1）電工用銅線坯在SCR連軋過程中受表面與軋輥熱交換影響，軋件表面溫度較低為520℃～680℃。

（2）SCR連軋過程中第1、2機(jī)架間和2、3機(jī)架間堆拉率分別為6.20%、5.67%，使得軋件在機(jī)架間受到較大的張力作用；

（3）軋件經(jīng)8道次連軋表面Y方向累積損傷值7.18，X方向累積損傷值為6.71，中心累積損傷值為0.877，軋件表面1/4處損傷與中心處損傷較為接近。

（4）銅線坯表面較低的延伸率在SCR連軋機(jī)架間大張力作用下易形成微裂紋缺陷，裂紋在后續(xù)軋制過程中難以焊合，形成影響電工用銅線坯扭轉(zhuǎn)性能的主要因素。