石墨模具參數(shù)對紫銅水平連鑄坯質(zhì)量影響研究*

張良利，劉勁松,，王松偉，孔凡亞，劉羽飛，張 旺

（1.沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所，師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，遼寧沈陽 110016；3.江西銅業(yè)集團(tuán)銅板帶有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

水平連鑄機組主要由熔煉爐、保溫爐、結(jié)晶器、牽引機、剪切機、卷曲機等組成［1］，其中結(jié)晶器作為鑄坯凝固成型的關(guān)鍵部件［2-5］，決定了鑄坯的尺寸和形狀，并影響鑄坯內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量，在水平連鑄生產(chǎn)過程中起到了不可替代的作用。由于石墨具有耐高溫性、自潤滑性、低膨脹性和良好的導(dǎo)熱性等特點，被普遍認(rèn)為是制作結(jié)晶器的優(yōu)選材料和鑄坯凝固成型的高溫載體［6-9］。對此，國內(nèi)外許多廠家對結(jié)晶器中石墨模具的研究和生產(chǎn)都特別重視。早在1935年，美國就已經(jīng)開始從事石墨模具的研究工作，直到1956年美國亨特工程公司才成功研制出用于生產(chǎn)鋁和鋁合金帶坯的連鑄石墨［10］；1958年，瑞士威特立公司制造了第一條水平連續(xù)鑄造裝置，并采用石墨結(jié)晶器生產(chǎn)大量的灰鑄鐵產(chǎn)品［11］；六十年代初，日本開始研制和生產(chǎn)連鑄石墨，東洋碳素公司先后研制出IG11和IG15等大型各向同性連鑄石墨，用于青銅生產(chǎn)并且效果顯著［12］。國內(nèi)石墨模具的研制工作起步較晚，吉林炭素廠于1990年采用冷等靜壓成型技術(shù)成功研制出連鑄石墨，在國產(chǎn)鑄鋼、鑄鐵和鋁合金型材連鑄設(shè)備上使用，均顯示出使用壽命長、效果好等顯著優(yōu)點［13］。

石墨參數(shù)的優(yōu)化對于延長石墨模具的使用壽命，減少結(jié)晶器的更換頻率，進(jìn)而在提高產(chǎn)品產(chǎn)量和成材率等方面扮演著重要角色，因此，本文針對某板帶公司雙流水平連鑄結(jié)晶器中石墨模具的使用性能開展研究，比較分析了不同石墨模具材質(zhì)及參數(shù)對紫銅板帶坯溫度、質(zhì)量、組織的影響，并進(jìn)一步采用有限元模擬方式進(jìn)行了定量分析，為銅板帶水平連鑄石墨模具的選擇提供了借鑒。

2 石墨參數(shù)對鑄坯的影響

2.1 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)

圖1為生產(chǎn)銅板坯的水平連鑄結(jié)晶器組合式模型結(jié)構(gòu)，該結(jié)晶器主要由鋼鐵部分和銅材質(zhì)部分構(gòu)成，共分為五部分。最上方第一部分為鋼套，第二部分為銅套，兩者通過螺栓緊密相連，中間部分為石墨模具，由四塊石墨板組成，包括上下兩塊大面壁石墨板和兩側(cè)小石墨邊條，石墨邊條和下石墨板以石墨銷子固定。整個結(jié)晶器以石墨模具為對稱軸，上下兩部分結(jié)構(gòu)完全一致。工作時，鋼套和銅套內(nèi)部中空處充滿冷卻水，鑄坯凝固成型釋放的熱量通過循環(huán)流動的冷卻水帶走，實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的熱交換。其中，冷卻水路出入口均在鋼套部分，熱交換主要發(fā)生在銅套內(nèi)部。內(nèi)部水路為四個獨立水室結(jié)構(gòu)，彼此之間互不影響，水路的熱交換面積覆蓋整個帶面寬度。

圖1 物理模型圖

2.2 石墨參數(shù)對鑄坯溫度的影響

表1為試驗用的三種石墨模具的基本物性參數(shù)，其中1～3#石墨模具的肖氏硬度依次增大，導(dǎo)熱系數(shù)依次降低，而它們的體積密度、電阻系數(shù)均未發(fā)生明顯規(guī)律性的變化。

表1 石墨參數(shù)對比

為提高生產(chǎn)效率，近年來很多企業(yè)均采用雙流水平連鑄結(jié)晶器生產(chǎn)鑄坯，圖2～4分別為采用三種不同石墨模具生產(chǎn)雙流鑄坯（即A、B帶）的實際情況。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)：用1#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯A、B帶平均溫度分別為425.8℃、451.2℃，平均溫差25.4℃；用2#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯A帶平均溫度469.2℃，B帶392.3℃，平均溫差76.9℃；用3#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯A帶平均溫度469.4℃，B帶485.0℃，平均溫差15.6℃。其中用1#、2#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯經(jīng)過長時間的引拉后，鑄坯表面出現(xiàn)不同程度的裂紋，對帶坯的后續(xù)加工影響較大，而用3#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯表面很少有裂紋產(chǎn)生。

裂紋主要表現(xiàn)為表面橫向裂紋，一方面是由于鑄坯在凝固成型時會產(chǎn)生一定的收縮，石墨模具與鑄坯上表面會產(chǎn)生間隙，而下表面則由于鑄坯自重會緊貼石墨模具，使鑄坯上、下表面冷卻不均勻，下表面冷卻強度會比上表面好，不容易拉裂，這就導(dǎo)致裂紋主要分布在鑄坯上表面；另一方面是由于在連續(xù)鑄造時，鑄坯的表面會與石墨模具的內(nèi)壁因相對運動而產(chǎn)生摩擦阻力，且鑄坯在引拉過程中還受到牽引機的牽引力，使得鑄坯受到了摩擦阻力和牽引力的合力作用，當(dāng)此合力大于鑄坯的凝固強度時，鑄坯便會被拉裂，產(chǎn)生橫向裂紋。

圖2 1#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯

圖3 2#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯

圖4 3#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯

圖2～4表明，三種石墨模具生產(chǎn)的鑄坯表面溫度一直在升高，且1#和2#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯A、B帶的溫度差異大（俗稱陰陽帶），而用3#石墨模具生產(chǎn)的雙流A、B帶鑄坯整體溫度較均勻，無明顯色差。以2#石墨模具為例，產(chǎn)生A、B陰陽帶鑄坯的結(jié)晶器結(jié)構(gòu)如圖5所示，在不同拉速下，A、B帶鑄坯的凝殼結(jié)晶線不在同一位置，而當(dāng)牽引速度達(dá)到最大149mm/min時，A帶鑄坯的結(jié)晶線明顯比B帶更靠近出口端，這也就導(dǎo)致了引拉出的鑄坯A帶溫度顯著高于B帶，而造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾點：

（1）沒有將引拉前結(jié)晶器下出口點、帶坯出口托輥點、牽引機下托輥點調(diào)整到同一水平線上，造成保溫爐左右兩側(cè)出現(xiàn)高度差；

（2）鑄造時所用冷卻水含油污雜質(zhì)較多，使A、B帶結(jié)晶器水路出現(xiàn)不同程度的堵塞，影響了銅套內(nèi)壁的換熱；

（3）石墨材質(zhì)導(dǎo)熱性能差，牽引速度的頻繁變化至使石墨的傳熱能力進(jìn)一步減弱。

圖5 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)簡化圖

2.3 石墨參數(shù)對鑄坯成材率的影響

通過對三種不同石墨模具生產(chǎn)的鑄坯質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在銑面量、切邊量均無較大差別的情況下，用1#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯平均成材率為73.13%，結(jié)晶器平均可以引拉4 d，A、B帶共計可以生產(chǎn)鑄坯10卷；用2#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯平均成材率為76.94%，結(jié)晶器平均可以引拉7 d，共計生產(chǎn)鑄坯29卷；而用3#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯平均成材率為79.93%，平均可拉10 d，共計生產(chǎn)鑄坯40卷。統(tǒng)計結(jié)果如表2～4所示。綜合以上三種石墨模具生產(chǎn)鑄坯的情況，發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)使用3#石墨模具生產(chǎn)鑄坯時，鑄坯的產(chǎn)量和成材率相對較高，結(jié)晶器的使用壽命相對延長。

2.4 石墨參數(shù)對鑄坯組織的影響

圖6所示為不同編號的石墨模具生產(chǎn)的鑄坯經(jīng)取樣腐蝕的宏觀組織，鑄坯表面幾乎均為等軸晶組織，但晶粒度宏觀上存在明顯的不同。選取相同位置（虛線框處），分析在標(biāo)尺為30～40mm位置處的晶粒變化。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，用1#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯在此位置的晶粒數(shù)目約為106個，平均晶粒尺寸約為1.82mm；用2#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯在此位置的晶粒數(shù)目約為144個，平均晶粒尺寸約為1.54mm；用3#石墨模具生產(chǎn)的鑄坯在此位置的晶粒數(shù)目約為210個，平均晶粒尺寸約為1.18mm。晶粒數(shù)目增多，而晶粒尺寸減小，主要原因是3#石墨模具與1#、2#相比導(dǎo)熱性能更好，鑄坯單位時間內(nèi)通過結(jié)晶器帶走的熱量增加，鑄坯凝固速率變大，過冷度也隨之增大，從而使鑄坯凝固時的形核率變高，高的形核率有利于細(xì)化晶粒，提高等軸晶率。

表2 1#石墨模具生產(chǎn)鑄坯情況

表3 2#石墨模具生產(chǎn)鑄坯情況

表4 3#石墨模具生產(chǎn)鑄坯情況

圖6 不同石墨模具生產(chǎn)鑄坯的宏觀組織

3 模擬分析

3.1 石墨的導(dǎo)熱系數(shù)對溫度場的影響

綜合分析以上試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)用這三種石墨模具生產(chǎn)鑄坯時，鑄坯的表面溫度依次升高，而與其相對應(yīng)的石墨導(dǎo)熱系數(shù)卻依次降低。石墨導(dǎo)熱系數(shù)的有效值為80～130W/(m·K)［14］，通過有限元模擬改變石墨的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著石墨導(dǎo)熱系數(shù)的增大，鑄坯出口端邊部結(jié)晶線的彎曲弧度趨向平緩，出口端低溫區(qū)域面積逐漸增大，鑄坯出口的平均溫度由開始的502.04℃降到了454.44℃，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的趨勢完全一致，說明在一定范圍內(nèi)隨著石墨導(dǎo)熱系數(shù)的增加，鑄坯的冷卻強度會逐漸加大，即鑄坯出口溫度也會隨之降低。石墨導(dǎo)熱系數(shù)對鑄坯溫度場的影響如圖7所示。

圖7 石墨導(dǎo)熱系數(shù)對鑄坯溫度場的影響

隨著石墨導(dǎo)熱系數(shù)的增大，石墨板外壁面溫度場的變化情況如圖8所示。鑄坯溫度的降低主要原因是石墨模具對它的“二次冷卻”，而石墨板壁面之所以呈“雙渦”形分布，主要是由于冷卻水作用的位置集中在銅套內(nèi)壁的中間區(qū)域，導(dǎo)致中部冷卻效果最好，其余位置次之，通過傳導(dǎo)作用反映在石墨板壁面上便會形成中部區(qū)域溫度最低，其余位置因與中部區(qū)域發(fā)生熱交換，溫度也在逐漸下降，且隨著石墨導(dǎo)熱系數(shù)的增大，“雙渦”區(qū)域的面積逐漸縮小，壁面平均溫度也由331.19℃增至341.30℃。而“雙渦”區(qū)域的前后、左右兩端均有較大的溫度差，前后端的溫差主要是由于石墨板的后端更靠近銅液進(jìn)口，溫降相對緩慢；而左右端的溫差主要是由于石墨板左端溫度偏高，唯一的溫降因素來源于右端的傳導(dǎo)。

冷卻水與銅套內(nèi)壁的換熱系數(shù)隨石墨導(dǎo)熱系數(shù)的增加導(dǎo)致生的變化情況如圖9所示。從整體上看，換熱系數(shù)呈增大趨勢，說明隨著石墨導(dǎo)熱系數(shù)的增加，冷卻水與銅套內(nèi)壁這兩者液固界面之間的對流換熱系數(shù)也會間接增大，冷卻水的冷卻能力也會相應(yīng)增強，從而形成石墨的導(dǎo)熱系數(shù)增加，鑄坯凝固釋放的熱量增多，鑄坯出口溫度降低，石墨板壁面溫度升高的現(xiàn)象。

圖8 石墨導(dǎo)熱系數(shù)對石墨壁面溫度場的影響

3.2 石墨密度對溫度場的影響

由表1可知，2#石墨模具的密度最高，但試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑄坯出口的表面溫度并沒有呈現(xiàn)增大或減小的趨勢。石墨的密度一般介于1.6～1.85g/cm3之間［14］，通過有限元模擬改變石墨的密度，發(fā)現(xiàn)隨著石墨密度的增大，鑄坯邊部溫降幾乎與中間趨于一致，整體結(jié)晶線的彎曲弧度逐漸趨向平緩，鑄坯出口的平均溫度由開始的438.42℃升高至457.80℃，如圖10所示。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果均未呈現(xiàn)出明顯規(guī)律性，說明石墨的密度并不是影響鑄坯溫度的主要因素，它可能是石墨的密度與其他物性參數(shù)共同作用的結(jié)果。

圖10 石墨密度對鑄坯溫度場的影響

隨著石墨密度的增大，石墨板外壁面溫度場的變化情況如圖11所示。當(dāng)石墨的密度增大時，壁面平均溫度由335.48℃增至342.27℃，鑄坯出口溫度與石墨板的壁面溫度均呈上升趨勢，與理論上鑄坯出口溫度、石墨板的壁面溫度應(yīng)呈相反的變化趨勢相違背，從側(cè)面進(jìn)一步證實了石墨的密度并不是影響鑄坯溫度的主要因素。

圖11 石墨密度對石墨壁面溫度場的影響

4 結(jié)論

通過對比三種不同參數(shù)的石墨模具試用效果，結(jié)果表明用3#石墨模具生產(chǎn)的雙流A、B帶鑄坯溫度較均勻，成材率相對偏高，整體晶粒尺寸較細(xì)小，晶粒數(shù)目偏多，即隨著石墨導(dǎo)熱系數(shù)的增加，鑄坯凝固釋放的熱量增多，鑄坯溫度降低，石墨板的壁面溫度升高；而石墨的密度與鑄坯溫度之間無明顯對應(yīng)關(guān)系。