電磁攪拌電流對連鑄紫銅管組織和性能的影響

沈 喆 林中澤 唐柑培 朱家樂 鄭天祥 郭逸豐 曾佳偉 周建輝 鐘云波

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；3.福建紫金銅業(yè)有限公司，福建 龍巖 364000)

紫銅管是高壓輸電線路的關鍵材料之一，質(zhì)量要求很高。例如，為減小電力損耗，紫銅管的電導率要盡可能大；為減小連接帶管材的接觸電阻，單件紫銅管要盡可能長。紫銅管在使用過程中，一般通入氣體或水進行冷卻，因此為保證其散熱均勻，防止局部過熱，紫銅管的壁厚要均勻，且內(nèi)外表面光滑，不能有裂紋等缺陷。目前，為獲得盡可能長的紫銅管，通常采用水平連鑄法制作[1]。但水平連鑄時，紫銅管常產(chǎn)生粗大晶粒、不均勻壁厚、表面裂紋、氣孔等缺陷[2- 3]。水平連鑄紫銅管的質(zhì)量亟待提高。

電磁攪拌技術從20世紀60年代開始被應用于合金鋼的連鑄生產(chǎn)，在70年代開始應用于銅合金、鋁合金、鎂合金等的連鑄生產(chǎn)[4- 7]。電磁攪拌是通過電磁感應產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動金屬熔體有規(guī)律地流動，改變金屬凝固過程中傳熱、傳質(zhì)和動量傳輸過程，能有效減少連鑄坯缺陷、改善連鑄坯組織[8- 10]。在銅管的水平連鑄過程中施加電磁攪拌，有望減少管坯的常見缺陷，生產(chǎn)出高壓電力傳輸所需的長尺寸紫銅管坯。本文在水平連鑄外徑80 mm、壁厚12 mm的紫銅管過程中施加電磁攪拌，研究了電磁攪拌電流對紫銅管組織、內(nèi)外表面質(zhì)量、電導率的影響，可為高壓電力傳輸用紫銅管的生產(chǎn)提供參考。

1 試驗材料與方法

圖1為施加電磁攪拌連鑄紫銅管的試驗裝置示意圖。采用TU2無氧銅為原料，將150 kg原料加入中頻感應爐，并覆蓋碳片和石墨片以防止其氧化。開啟中頻感應熔煉爐后，在爐體表面覆蓋耐火石棉保溫。當銅熔體溫度達到1 150 ℃時，打開水平石墨封口，將銅水引流到結(jié)晶器，并通過牽引機構(gòu)進行銅管的水平連鑄。電磁攪拌器置于結(jié)晶器外側(cè)，在水平連鑄過程中通過調(diào)節(jié)電磁攪拌電流來控制連鑄管組織。在連鑄過程中，從爐膛頂部插入石英管吹氬，以促進銅熔體脫氧。水平連鑄拉拔裝置的設定參數(shù)為：拉- 停- 拉- 停，無反推；拉1 s停0.5 s，拉速為12 cm/min。電磁攪拌電流為80～190 A，連續(xù)可調(diào)，頻率為50 Hz。為確保試驗參數(shù)穩(wěn)定，每一電磁攪拌電流所連鑄的紫銅管長度不小于1.5 m。

圖1 采用電磁攪拌連鑄紫銅管的示意圖Fig.1 Schematic diagram of continuously casting copper tube with the application of electromagnetic stirring

檢測了紫銅管的低倍組織、氧含量、電導率。檢測低倍組織的試樣用鹽酸+氯化鐵溶液腐蝕。管坯氧含量采用CS600碳硫分析儀丨氮氧氫測定儀檢測，試樣尺寸φ3 mm×5 mm，質(zhì)量約0.5～1.0 g。采用Fischer電導率儀測定電導率，銅管磨拋后，在橫截面上10個不同部位測試，取平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 電磁攪拌電流對連鑄紫銅管組織的影響

圖2分別為施加80、90、100、110、130、150、170和190 A電流電磁攪拌水平連鑄的紫銅管。圖3為施加和未施加電磁攪拌水平連鑄的紫銅管橫、縱截面的低倍形貌。從圖3中可以看出，電磁攪拌能顯著減少紫銅管的氣孔、粗大晶粒等缺陷。未施加電磁攪拌連鑄的紫銅管，如圖3(a,e)所示，有較多氣孔，并沿圓周均勻分布,氣孔最大直徑達3～4 mm，最長為8 mm。當施加80 A電磁攪拌電流時，如圖3(b,f)所示，連鑄坯橫、縱截面氣孔明顯縮小，直徑小于1 mm，長度小于5 mm。隨著電磁攪拌電流從80 A增大到100 A，連鑄管橫、縱截面的氣孔明顯縮小，數(shù)量也明顯減少。這表明施加電磁攪拌有利于提高連鑄管坯的致密度。連鑄紫銅管的氣孔等缺陷主要是由于銅熔體中的氫等氣體在凝固過程中來不及排出而形成的。施加電磁攪拌能增強固- 液界面前沿銅熔體的流動，促進氣體從熔體中析出，從而縮小連鑄管中氣孔的尺寸，提高組織的致密性。此外，電磁攪拌對連鑄紫銅管晶粒形貌等也有顯著的影響。如圖3(a)所示，未施加電磁攪拌連鑄的管坯晶粒是典型的沿拉坯方向生長的柱狀晶，而施加80 A電流電磁攪拌連鑄的管坯，如圖3(b)所示，其晶粒仍是柱狀晶。但當電磁攪拌電流強度提高到90和100 A時，如圖3(c)和3(d)所示，連鑄管晶粒形貌發(fā)生了明顯的變化，即從沿抽拉方向生長的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)闊o明顯生長方向的等軸晶。

圖2 施加電磁攪拌水平連鑄的紫銅管Fig.2 Copper tubes horizontally continuously cast with the application of electromagnetic stirring

圖3 未施加和施加不同電流電磁攪拌連鑄的紫銅管橫、縱截面的低倍形貌Fig.3 Macrographs of cross and vertical sections of the copper tubes continuously cast without and with the application of electromagnetic stirring of different currents

為進一步研究施加電磁攪拌能否迅速改變紫銅管凝固后的組織，檢測了連鑄管未施加電磁攪拌的部分至施加110 A電磁攪拌電流的部分的組織，如圖4所示。圖4表明：施加由110 A電流產(chǎn)生的電磁攪拌連鑄的管坯氣孔完全消失，且施加電磁攪拌的管坯縱截面組織從柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。這表明電磁攪拌改善連鑄管坯質(zhì)量的效果非常顯著。

圖4 施加和未施加電磁攪拌連鑄的紫銅管縱截面低倍形貌Fig.4 Macrograph of longitudinal section of the copper tube continuously cast with and without the application of electromagnetic stirring

圖3表明：隨著電磁攪拌電流的增大，連鑄紫銅管縱截面晶粒形貌發(fā)生了明顯的變化，但是否是在電磁攪拌作用下柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，還需進一步分析管坯橫截面的晶粒形貌。施加100 A電流電磁攪拌連鑄的管坯組織中仍有少量氣孔，為進一步探索電磁攪拌電流對紫銅管坯氣孔和晶粒的影響，研究了110～190 A電流電磁攪拌對連鑄管組織的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5(a,d)可以看出，未施加電磁攪拌連鑄的管坯組織為典型的柱狀晶，其生長方向平行于連鑄方向，最大直徑3 mm，長30～60 mm。而施加110 A電流電磁攪拌連鑄的管坯，縱截面晶粒雖仍沿連鑄方向生長，但晶粒明顯細化，數(shù)量也顯著增加。施加130 A電流電磁攪拌連鑄的管坯晶粒直徑縮小至1 mm左右，長度縮短至10 mm左右。這表明，施加電磁攪拌能顯著細化紫銅管的晶粒，但當電磁攪拌電流進一步提高至170和190 A時，如圖5(d～g)所示，橫、縱截面的晶粒尺寸和數(shù)量均無明顯變化。這表明電流增大到130 A的電磁攪拌沒有明顯的細化管坯晶粒的作用。

電磁攪拌電流的增大能提高熔體的攪拌強度，細化連鑄紫銅管的晶粒，促進粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉牡容S晶。Hunt提出柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶的邊界條件為[11]：

(1)

式中：G為固- 液界面前沿液相區(qū)的溫度梯度；No為非均質(zhì)形核的形核率；△TN是非均質(zhì)形核的臨界過冷度；△TC是固- 液界面前沿液相區(qū)的過冷度。

由式(1)可知，增加非均質(zhì)形核的形核率No，降低固- 液界面前沿液相區(qū)的溫度梯度G，能促進粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉牡容S晶。施加電磁攪拌能促進熔體固- 液界面前沿的受迫流動，折斷或熔斷柱狀晶組織，促進晶粒碎化，碎化的晶粒進入熔體形成非均質(zhì)形核核心。因此，電磁攪拌能通過驅(qū)動熔體的強制流動來提高非均質(zhì)形核率No[12]。此外，電磁攪拌驅(qū)動的熔體對流也能加速固- 液界面前沿的換熱，使固- 液界面前沿液相區(qū)的溫度梯度G降低[13- 14]。形核率增大、固- 液界面前沿溫度梯度下降均能促進連鑄管組織從柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，且隨著電磁攪拌電流的增大，熔體的受迫流動增強，對形核率、溫度梯度等凝固條件的影響也增大。值得一提的是，從本文結(jié)果看，當電磁攪拌電流大于130 A時，電磁攪拌驅(qū)動的強制對流對熔體形核率及固- 液界面前沿溫度梯度等凝固條件的影響不再明顯。

圖5 未施加和施加不同電流電磁攪拌連鑄的紫銅管橫、縱截面的低倍形貌Fig.5 Macrographs of cross and vertical sections of the copper tubes continuously cast without and with the application of electromagnetic stirring of different currents

2.2 電磁攪拌電流對連鑄管表面質(zhì)量和壁厚均勻性的影響

水平連鑄的紫銅管常產(chǎn)生表面裂紋、壁厚不均勻等缺陷。因此本文還研究了電磁攪拌電流對水平連鑄紫銅管內(nèi)、外表面質(zhì)量、壁厚均勻性的影響。圖6為施加和未施加電磁攪拌連鑄的紫銅管的宏觀形貌。從圖6(a)可以看出，未施加電磁攪拌的紫銅管表面有裂紋，深約2 mm，寬約2 mm。施加130 A電流電磁攪拌的連鑄管表面光滑，裂紋消失，如圖6(b)所示。

圖6 未施加(a)和施加(b)由130 A電流產(chǎn)生的電磁攪拌連鑄的紫銅管的表面形貌Fig.6 Macroscopic appearances of the copper tubes continuously cast without (a) and with (b) the application of electromagnetic stirring caused by current of 130 A

對裂紋部位進行SEM觀察，如圖7所示，裂口曲折、不規(guī)則，表面有氧化色，這是典型的熱裂特征，而熱裂紋主要是鑄造應力引起的。紫銅管在凝固過程不同部位的溫度梯度較大，導致凝固收縮時產(chǎn)生熱應力。凝固開始時，由于鑄管表層冷卻快，溫度低，收縮量較大；而在鑄管的內(nèi)層冷卻慢，溫度高，產(chǎn)生的收縮量較小， 內(nèi)層小收縮量產(chǎn)生的應力與外層大收縮量產(chǎn)生的應力交互作用，最終使外層受拉應力，當拉應力超過金屬的強度極限時，管坯將產(chǎn)生熱裂紋。此外，在水平連鑄過程中，由于重力的作用，相比結(jié)晶器頂部的銅熔體，底部熔體與壁面貼合更加緊密，因此該處冷卻和凝固更未快速，收縮量更大，將導致管坯頂部受拉應力，底部受壓應力。拉應力大于金屬強度極限時也會產(chǎn)生熱裂紋[15]。

鑄造應力的公式可表達為[16]：

σ=Eα△T

(2)

式中：σ為鑄坯的熱應力；E為彈性模量；α為線收縮系數(shù)；△T為內(nèi)、外層之間的溫差。由式(2)可知，金屬熔體的線收縮系數(shù)和鑄造溫度是影響熱應力的主要因素，金屬的線收縮只與合金的性質(zhì)有關。管坯中心與表層之間的溫差越小，產(chǎn)生的熱應力也越小，管坯開裂的概率也越小。電磁攪拌能促進結(jié)晶器中銅熔體流動，減小管坯凝固前沿中心與表面的溫差，從而減小管坯的熱應力，減少表面裂紋。

圖7 紫銅管表面裂紋的低(a)和高(b)倍形貌Fig.7 Low- (a) and high- (b) magnification views of surface crack of the copper tube

連鑄紫銅管壁厚的均勻性至關重要，因此本文研究了電磁攪拌電流對紫銅管壁厚均勻性的影響。測定了不同電流電磁攪拌連鑄的紫銅管的壁厚，結(jié)果如圖8所示。圖8表明：未施加電磁攪拌連鑄的銅管壁厚不均勻。由于重力或爐膛靜壓力不足等原因，銅管頂端即C處較薄，底端A處及左、右B、D處充型良好，壁厚均勻。施加電磁攪拌的銅管壁厚均勻性明顯提高，特別是施加150 A電流電磁攪拌連鑄的銅管，其壁厚差小于±0.5 mm。而施加190 A電流電磁攪拌連鑄的銅管壁厚幾乎沒有差異。其主要原因是，施加電磁攪拌后，結(jié)晶器內(nèi)的銅熔體攪拌更充分，促進了銅熔體在結(jié)晶器的均勻分布，克服了由于重力等原因?qū)е碌你~管頂部充型不足的問題，從而提高了銅管壁厚的均勻性。

圖8 未施加和施加不同電流電磁攪拌連鑄的紫銅管截面(a)和截面不同部位壁厚的統(tǒng)計圖(b)Fig.8 Cross- section (a) and statistical chart (b) of wall thickness at different parts of cross- section for the copper tube continuously cast without and with the application of electromagnetic stirring of different currents

2.3 電磁攪拌電流對連鑄紫銅管導電性能的影響

水平連鑄的紫銅管擬用于電力輸送系統(tǒng)的連接件，其電導率也是重要的性能指標。圖9為施加不同電流電磁攪拌連鑄的紫銅管的電導率。從圖9可以看出，未施加電磁攪拌時，其電導率為98.214%IACS。施加110 A電流電磁攪拌的紫銅管的電導率為99.691%IACS。隨著電磁攪拌電流的增大，紫銅管的電導率增大。施加190 A電流電磁攪拌連鑄的紫銅管的電導率最大，為100.72%IACS，比未施加電磁攪拌的紫銅管提高了2.56%IACS。

圖9 電磁攪拌電流對連鑄紫銅管電導率的影響Fig.9 Effect of electromagnetic stirring current on electric conductivity of the continuously cast copper tube

據(jù)相關文獻[17]報導，銅和銅合金的電阻率ρ可以表示為：

ρ=ρpho+ρdis+ρint+ρimp+ρpsf

(3)

式中：ρpho為聲子引起的電阻率，ρdis為位錯引起的電阻率，ρint為界面引起的電阻率，ρimp為雜質(zhì)引起的電阻率，ρpsf為析出相應變場引起的電阻率。界面和雜質(zhì)引起的電阻率對金屬的導電性能具有關鍵性影響，而位錯和析出相引起的電阻率對電子的散射影響很小，可以忽略。銅和銅合金中的各種晶體缺陷對電阻率的影響如表1所示[18]，可以看出，由間隙原子和空位組成的點缺陷所引發(fā)的電阻率遠大于晶界和位錯線缺陷引發(fā)的電阻率。

表1 銅和銅合金的晶體缺陷對其電阻率的影響Table 1 Effect of crystal defects in copper and copper alloys on their resistivity

雜質(zhì)元素對連鑄紫銅管電導率的影響最大，施加電磁攪拌能明顯減少針孔、氣泡和皮下夾雜等缺陷，有利于提高連鑄管的純凈度。本文還測定了施加不同電流電磁攪拌連鑄的紫銅管的氧含量，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，未施加電磁攪拌的管坯氧含量為0.029 1‰。而施加110 A電流電磁攪拌的管坯氧含量下降至0.022 3‰。隨著電磁攪拌電流從110 A提高到190 A，管坯氧含量逐漸降低，且施加190 A電流電磁攪拌的管坯氧含量最低，為0.006 0‰，也即隨著電磁攪拌電流的增大，紫銅管氧含量下降，這與圖9管坯電導率測試結(jié)果一致。

圖10 電磁攪拌電流對連鑄紫銅管氧含量的影響Fig.10 Effect of electromagnetic stirring current on oxygen content in the continuously cast copper tube

3 結(jié)論

(1)電磁攪拌能有效細化連鑄紫銅管的晶粒，隨著電磁攪拌電流的提高，紫銅管粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，但施加的電磁攪拌電流超過130 A，連鑄的紫銅管組織不再變化。

(2)電磁攪拌能驅(qū)動熔體對流，減少管坯凝固前沿中心及表面的溫度差，從而消除熱裂紋，改善管坯表面質(zhì)量，均勻結(jié)晶器內(nèi)徑向熔體，提高管坯壁厚均勻性，促進熔體中氣體排出，避免凝固后形成氣孔。

(3)電磁攪拌能減少紫銅管的缺陷，降低氧含量，提高連鑄管的電導率。未施加電磁攪拌的連鑄管的氧含量為0.029 1‰，而施加190 A電流電磁攪拌連鑄的管坯氧含量下降至0.006 0‰，電導率則從98.214%IACS提高至100.72%IACS。