圓銅線斷口分析與改進應(yīng)用

沈韶峰

(黃石晟祥銅業(yè)有限公司，湖北 黃石 435005)

本公司于 2012 年從美國南方線材公司引進 SCR 7000 連鑄連軋生產(chǎn)線，其產(chǎn)品規(guī)格為8mm 低氧銅桿，設(shè)計產(chǎn)能為 30萬t。該生產(chǎn)線的工藝流程為，通過豎爐、保溫爐、上溜槽及撇渣槽、下溜槽和澆包完成原料熔化處理，通過立式鑄造結(jié)晶輪完成鑄坯成型，再通過預(yù)修整機、粗精軋機、清洗線、夾送輥機、收線機完成銅桿生產(chǎn)。8mm 低氧銅桿主要用于電力電纜、電磁線、連接線、汽車用線等圓銅線的拉絲使用。隨著科技進步，工業(yè)和民用品都朝著小型、輕量化發(fā)展，下游客戶對拉絲的直徑規(guī)格的要求也越來越小，大部分直徑需拉至0.2mm以下，部分要求拉絲至0.1mm以下。但在實際生產(chǎn)中，銅線材的生產(chǎn)質(zhì)量直接受銅線桿的質(zhì)量影響[1]， 下游客戶拉絲工藝也逐步采用多頭高速拉絲機，對銅線桿的質(zhì)量要求不斷提高，斷線的投訴占總投訴的45%，嚴(yán)重影響公司產(chǎn)品信譽。

1 實驗過程與方法

從拉絲生產(chǎn)過程中搜集各種斷頭或用拉絲實驗方法取得的斷頭，根據(jù)外觀特征進行分類，外表用無水異丙醇清洗后采用蔡司EVO MA10掃描電子顯微鏡和能譜儀進行分析，并結(jié)合SCR 7000連鑄連軋銅桿生產(chǎn)和拉絲工藝，分析拉絲斷線的主要原因。

(1)端部脆斷型斷口。斷口兩端無明顯頸縮現(xiàn)象，斷面粗糙，常見于中拉1.0mm以上直徑，銅線發(fā)脆，一折就斷，肉眼或放大觀察可見非銅夾雜物(圖1)。

圖1 端部脆斷(65×)Fig.1 End brittle fracture

(2)空心斷線型斷口。這種斷頭的兩端，一端是空心(圖2(a))，一端是錐形突出(圖2(b))，在顯微鏡下觀察斷頭形貌較規(guī)則，幾乎成對稱圓形，斷口外有頸縮現(xiàn)象。此類斷線稱之為杯錐狀斷口，也稱筆尖狀斷口。因錐形突出一端常被卷入收線輪中難于找到，留在拉線機中一端常為空心的，肉眼和小倍數(shù)放大鏡觀察，無明顯夾雜物，常被稱之為“空心”。在收集的斷頭中，同時也發(fā)現(xiàn)了非對稱圓形的空心斷頭(圖2(c))，在斷頭附近折斷觀察，仍能見到空洞存在 。

(3)中間爆裂型斷口。斷口處被從中撕裂，象張開的魚嘴(圖3)，魚嘴內(nèi)可見成塊狀的黑色雜質(zhì)物，裂口附近銅線表面可見零星夾雜鑲嵌。

(a)空心斷頭 (80×) (b)錐形突出斷頭(80×) (c)非對稱圓形的空心斷頭(348×) 圖2 空心斷線型斷口Fig.2 Hollow disconnection break

圖3 中間爆裂斷口(100×)Fig.3 Middle burst break

(4)硬線拉斷型斷口。取退火電流電壓波動時段生產(chǎn)的銅線進行拉絲實驗，通過肉眼觀察斷線發(fā)現(xiàn)斷頭部位可見明顯的頸縮現(xiàn)象(圖4),此類斷線多發(fā)生在1.0mm以上中拉過程， 斷口干凈無夾雜，斷線前線坯有明顯的軟硬不均或完全硬線現(xiàn)象。

圖4 硬線拉斷斷口Fig.4 Hard wire pull-off breaker

2 原因分析與討論

經(jīng)采用蔡司EVO MA10掃描電子顯微鏡，分別對端部脆斷、空心斷線、中間爆裂的斷口進行能譜分析，端部脆斷可見明顯灰白色夾雜物，夾雜物主要為Mg、Si、Al、O等元素(圖5)。空心斷頭錐形突出部位可檢測到Si、Al、C、O等雜質(zhì)元素(圖6)。對中間爆裂“魚嘴”內(nèi)黑色雜質(zhì)物進行能譜分析，主要成分為C，原子百分比達(dá)到26.63%，其次是O，原子百分比3.50%，以及0.30%的Fe(圖7)。

(1)采用掃描電鏡對斷口形貌進行觀察并通過能譜分析，結(jié)合當(dāng)時生產(chǎn)情況分析，產(chǎn)生端部脆斷和空心斷線的主要原因為爐料、過濾磚等含Mg、Si、Al等的耐火材料破損形成夾雜進入銅液中。銅中夾雜物是影響拉絲斷線的重要因素，實踐證明，當(dāng)夾雜物占到銅線截面積的1/4時，將導(dǎo)致拉絲斷線[2]，此類型引起斷線的主要原是因為銅材中混入了耐火材料等非金屬夾雜物。

(2)筆尖狀斷口的形成起源于材料芯部的缺陷，在最佳工藝參數(shù)配置范圍內(nèi),盤條允許有一定尺寸的芯部初始缺陷但不擴展,即裂紋臨界尺寸[3]。若中心錐角較對稱 ,說明材質(zhì)是比較均勻或夾雜較微小,斷線的主要原因是因拉線工藝與材料的不匹配。若中心錐角非對稱，說明材質(zhì)不均勻或缺陷較大，鑄坯成型時氧化渣或氣體沒有排出，在拉線過程中應(yīng)力在缺陷集中處撕裂。

(3)斷口處黑色雜質(zhì)物主要成分為C，分析產(chǎn)生的原因主要是鑄造過程中鑄輪和鋼帶涂炭中的炭粉及其氧化物掉入銅液內(nèi)進入鑄坯內(nèi)。少量的Fe元素，因上溜槽嘴為鑄鐵材質(zhì)，在銅水流動過程中逐漸融化燒損進入銅液中造成鐵含量上升。

(4)對硬線拉斷斷口此類斷線的原銅線進行檢測，延伸率不足25%，部分只有3%～5%，原因主要是線坯退火不均或退火無效，銅線未完全軟化造成延伸性能差。

圖5 端部脆斷斷口(200×)及其能譜分析Fig.5 End brittle fracture and energy spectrum analysis

圖6 空心斷頭錐形突出部位(80×)及其能譜分析Fig.6 Parts of hollow scaffold and energy spectrum analysis

3 改進措施與應(yīng)用

(1)針對耐火材料夾雜造成的斷線，在溜槽和澆包中選擇耐高溫1400℃以上的陶瓷過濾磚，為增加過濾效果，可采用多層過濾，通常在下溜槽和澆包中安裝1～2塊過濾磚(圖8)，撇渣槽和澆包中浮渣及時清理。

(2)針對對稱型空心斷線，通過調(diào)整拉絲模具的頂角大小、退火的電流、拉絲速率與張力匹配等方面對拉絲工藝參數(shù)進行優(yōu)化，提高拉絲乳液濃度和降低拉絲乳液溫度改善潤滑和冷卻情況。非對稱型空心斷線，芯部需減少材料的夾雜缺陷，以光滑空洞為主時需采取排氣措施，降低澆注溫度減少吸氣。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)不同生產(chǎn)條件合理調(diào)節(jié)澆注速度[4]，使鑄坯在轉(zhuǎn)入鑄輪六點鐘方向排氣完畢。

(3)針對含C為主夾雜造成的斷線，生產(chǎn)中鑄輪高壓沖洗水壓力要大，常保持在6MPa以上，沖洗的角度要正確，正切方向?qū)χT輪轉(zhuǎn)動方向。鑄輪和鋼帶涂炭壓力保持在0.2 MPa以上，在鋼帶上安裝炭黑吹掃裝置(圖9)。

圖9 炭黑吹掃裝置Fig.9 Carbon-black purging device

(4)針對含F(xiàn)e夾雜，對接觸銅水的鐵制部件用碳化硅材質(zhì)代替。

(5)針對非夾雜原因斷線主要是線的軟硬不均或退火失效造成線拉斷，生產(chǎn)中控制拉絲機的退火電流電壓穩(wěn)定，保持適當(dāng)?shù)睦€退火速度，延伸率達(dá)到33%以上為佳。

4 結(jié)論

(1)圓銅線在拉絲過程出現(xiàn)中端口脆斷、中間爆裂、非對稱空心斷線，主要原因為銅線夾雜造成，通過陶瓷過濾磚的有效使用、鑄輪和鋼帶上涂炭沖洗和吹掃工藝改進等措施的實施，夾雜造成的斷線明顯下降，客戶投訴基本消除。

(2)對稱型空心斷線此類缺陷，受拉絲工藝的影響更大，通過調(diào)整拉絲模具的頂角大小、調(diào)整退火電流電壓、適當(dāng)提高拉絲乳液濃度等措施可降低此類斷線頻次。

(3)硬線拉斷的主要原因為銅線退火不充分不均勻，銅線的延伸率不夠，通過增大退火的電流電壓，選擇合適的退火速度，提高延伸率到33%以上可滿足后序高速拉絲機要求。