利用哈銅原料上引連鑄無(wú)氧銅桿的研究

熊 濤，陳享珊

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部銅材公司，江西貴溪 335424）

上引連鑄無(wú)氧銅桿由于具有生產(chǎn)工藝獨(dú)特、加工性能良好、投資少、啟動(dòng)快、生產(chǎn)工序簡(jiǎn)化等特點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展勢(shì)頭迅速，且以中小型企業(yè)應(yīng)用居多。與傳統(tǒng)工藝相比，上引法生產(chǎn)工藝短，省掉了切頭、切尾、退火和酸洗等工序，且盤重大，生產(chǎn)品種規(guī)格靈活多樣，成材率高，表面光亮，含氧量低，導(dǎo)電率高，金屬損耗和單位能耗少，“三廢”污染少，生產(chǎn)成本低，是銅導(dǎo)體及銅材加工的理想工藝[1，2]。

2008 年，某公司一次性成功投產(chǎn)4 臺(tái)上引工頻有芯感應(yīng)爐，主產(chǎn)品為?8.0mm 無(wú)氧銅桿，設(shè)計(jì)年產(chǎn)能為2 萬(wàn)噸[3]。建廠初期，為了降低成本能耗，該公司曾試用哈薩克斯坦電解銅（以下簡(jiǎn)稱哈銅）。上引連鑄無(wú)氧銅桿時(shí)，往爐膛內(nèi)添加一定比例的哈銅原料是可行的，通常不超過(guò)5%～10%，若過(guò)量添加哈銅，無(wú)氧銅桿易產(chǎn)生氣孔夾雜、晶粒粗大、組織疏松、偏析、電阻率超標(biāo)、延伸率不符及環(huán)保等問(wèn)題，影響銅桿后續(xù)加工，導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下，利潤(rùn)空間小。

1 上引連鑄工藝對(duì)銅原料的質(zhì)量要求

上引連鑄銅所用原料包括電解銅、哈銅、銅材加工邊角料及廢銅桿線等，常采用的是電解銅。上引連鑄對(duì)銅原料的質(zhì)量要求主要有：

（1）鑄桿比重為8.93g/m3，抗拉強(qiáng)度≥170 N/mm2，伸長(zhǎng)率≥35%，軟態(tài)導(dǎo)電率不低于100%IACS，含氧量＜10-5。

（2）電解銅產(chǎn)品物理規(guī)格需達(dá)到國(guó)標(biāo)的要求，應(yīng)切除掉有開(kāi)花粒子和吊耳的部分。開(kāi)花粒子含砷、銻、鉍、鉛等雜質(zhì)較多，即使后續(xù)清洗也無(wú)法消除，化學(xué)成分不達(dá)標(biāo)的，杜絕添加。

（3）電解銅表面致密且不得長(zhǎng)銅豆，因銅豆含氫量高，在高溫下會(huì)產(chǎn)生氣體。

（4）電解銅表面有殘酸或存放期過(guò)長(zhǎng)，表面長(zhǎng)“銅綠”，另外電解銅表面可能有灰砂等，所以入爐前必須清刷干凈酸跡、污垢，烘干后再添加。

2 哈銅在上引連鑄中的缺陷及分析

2.1 哈銅含雜情況分析

哈銅含銅達(dá)99.9%以上，但含鉛、硫、錫、鐵的比例超國(guó)標(biāo)，特別是含鉛、硫超標(biāo)2 倍以上。哈銅含雜種類及其成份見(jiàn)表1。

表1 哈銅雜質(zhì)種類及其成分

（1）哈銅邊緣及表面開(kāi)花粒子較多，其中含砷、鉛等雜質(zhì)較多，且難以清除。

（2）哈銅表面酸洗不凈，含有大量的銅綠（主要成分為CuSO4）時(shí)，添加入爐后，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)：

反應(yīng)生成的SO2與銅液表面覆蓋的木炭及CO 反應(yīng)生成S 存在于銅液中。

（3）哈銅中混有鋁、鐵、錫及塑料等雜質(zhì)。

（4）哈銅表面粗糙，致密性不如貴冶1#陰極銅，在高溫下易產(chǎn)生氫氣并存在于銅液之中，鑄造時(shí)會(huì)形成顆粒狀氣孔。

2.2 缺陷分析

上引連鑄過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鑄造缺陷，特別是利用哈銅原料時(shí)問(wèn)題凸顯，無(wú)氧銅桿易產(chǎn)生氣孔夾雜、晶粒粗大、組織疏松、電阻率超標(biāo)、延伸率不符及環(huán)保等缺陷[4]。

哈銅原料銅綠、“銅豆”在銅液中溶解產(chǎn)生過(guò)量的還原性氣體，在結(jié)晶成桿時(shí)大量析出，產(chǎn)生凹陷、針孔等現(xiàn)象，雜質(zhì)元素還會(huì)使無(wú)氧銅桿產(chǎn)品導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、可拉性、可退火性等降低，甚至導(dǎo)致上引連鑄過(guò)程中斷裂，對(duì)后續(xù)工序加工極為不利[5]。

上引連鑄過(guò)程中，氧以Cu2O 形式溶于熔融銅液中，而水蒸氣則來(lái)源于上引工藝，當(dāng)熔融銅液中的氧、氫達(dá)到一定的濃度時(shí)，氧與氫會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水蒸氣產(chǎn)生氣孔，特別是添加哈銅原料后，銅液中含氧化物較多，使氣孔、氧化夾雜物增多，易浸蝕石墨結(jié)晶器，造成其下口逐漸變大，導(dǎo)致無(wú)氧銅桿外表面呈螺旋狀，易開(kāi)裂且會(huì)使?fàn)恳茏?。無(wú)氧銅桿脆斷裂口圖見(jiàn)圖1a，氣孔圖見(jiàn)圖1b。無(wú)氧銅桿正常截面圖，見(jiàn)圖2。無(wú)氧銅桿外表呈螺旋狀，見(jiàn)圖3。無(wú)氧銅桿正常外表圖，見(jiàn)圖4。

圖1 無(wú)氧銅桿缺陷截面圖

圖2 無(wú)氧銅桿正常截面圖

圖3 無(wú)氧銅桿外表呈螺旋狀

圖4 無(wú)氧銅桿正常外表圖

熔融銅液吸氣性強(qiáng)，木炭潮濕帶水，氧和氫易混入銅液，使上引連鑄無(wú)氧銅桿產(chǎn)生氣孔。木炭中混入鐵釘進(jìn)入銅液中，混入量少，上引連鑄無(wú)氧銅桿電阻率上升；混入量大，上引連鑄無(wú)氧銅桿電阻率超標(biāo)。

3 利用哈銅原料上引連鑄無(wú)氧銅桿的研究

3.1 嚴(yán)格把控銅原料采購(gòu)

上引連鑄過(guò)程中無(wú)精煉工序，因而電解銅質(zhì)量對(duì)無(wú)氧銅桿品質(zhì)的影響至關(guān)重要。除了與熔煉工藝有關(guān)外，上引連鑄無(wú)氧銅桿中的雜質(zhì)主要來(lái)源于電解銅。進(jìn)廠銅原料必須附有嚴(yán)格的化學(xué)成分分析報(bào)告，主要成分達(dá)不到要求和含雜超標(biāo)的，杜絕入庫(kù)。

3.2 優(yōu)化哈銅原料最佳配料比

先針對(duì)未添加哈銅原料上引連鑄無(wú)氧銅桿的機(jī)械性能和電性能及生產(chǎn)狀況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。按不同比例添加哈銅原料，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并做好跟蹤記錄和分析，同時(shí)，制訂合理的上引連鑄工藝，并進(jìn)行試生產(chǎn)試驗(yàn)。對(duì)于每一種比例試驗(yàn)時(shí)，早、中、晚三班都按同樣比例添加，以保持生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性和添加比例的準(zhǔn)確性。應(yīng)化驗(yàn)、分析哈銅原料成分情況，對(duì)雜質(zhì)含量的波動(dòng)范圍進(jìn)行把關(guān)，制定出雜質(zhì)成分分析表。從不同比例添加后生產(chǎn)出的銅桿中，取兩根試樣，分別檢測(cè)其伸長(zhǎng)率、抗拉強(qiáng)度和電阻率，與不添加哈銅生產(chǎn)的銅桿線進(jìn)行對(duì)比和分析，從而摸索出哈銅原料最佳配料比。

3.3 摸索最佳熔煉溫度和上引溫度

上引連鑄銅桿生產(chǎn)工藝中，為了保證銅桿質(zhì)量，往往對(duì)銅液工藝溫度的控制要求較高[6]，嚴(yán)格控制好熔煉溫度、上引溫度參數(shù)極為關(guān)鍵。熔煉或保溫溫度過(guò)長(zhǎng)，熔煉溫度高甚至過(guò)熱時(shí)，導(dǎo)致氧化、吸氣現(xiàn)象嚴(yán)重，易產(chǎn)生氣孔、組織疏松等缺陷；熔煉溫度低，金屬流動(dòng)性差，熔銅速率低，木炭易吸附還原性氣體氫，使銅液中含氫量陡增。

3.4 確定最佳連鑄速度和冷卻強(qiáng)度

連鑄無(wú)氧銅桿的結(jié)晶組織主要取決于連鑄速度，金屬凝固由外及里即鑄桿外表面向內(nèi)不斷擴(kuò)展。合理的連鑄速度需根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際而定。連鑄速度慢，生產(chǎn)效率低下，鑄桿表面易產(chǎn)生裂紋；連鑄速度快，會(huì)使鑄桿中心與邊緣之間的溫度梯度增大，液穴加深，鑄桿易產(chǎn)生結(jié)晶粗大、氣孔、組織疏松、裂紋等缺陷，降低壓力加工性能。

連鑄無(wú)氧銅桿的晶粒形狀、大小與冷卻強(qiáng)度不無(wú)關(guān)系。在其他條件一定的情況下，冷卻強(qiáng)度對(duì)桿坯結(jié)晶組織起著決定性的作用。冷卻強(qiáng)度越小，通常有利于粗等軸晶的生長(zhǎng)；冷卻強(qiáng)度越大，則會(huì)使無(wú)氧銅桿中心與邊緣之間的溫度梯度越小，有利于細(xì)柱狀晶的生長(zhǎng)，晶粒越細(xì)小，連鑄銅桿產(chǎn)品強(qiáng)度越高，塑性越好，則更有利于軋制、拉伸等深加工性能，不易開(kāi)裂。

3.5 改進(jìn)了木炭烘烤工藝

覆蓋劑常采用干凈、燒透的優(yōu)質(zhì)木炭，以杜絕銅液與空氣的直接接觸。應(yīng)改進(jìn)木炭烘烤工藝，木炭使用前需經(jīng)過(guò)60℃烘烤4h，木炭吸潮力極強(qiáng)，生產(chǎn)過(guò)程中若木炭潮濕，易造成氫和氧進(jìn)入銅液，使鑄桿產(chǎn)生氣孔和裂紋。應(yīng)延長(zhǎng)烘烤時(shí)間，保證使用的木炭干燥不帶入水份，木炭不得過(guò)生、過(guò)軟，否則起不到隔絕空氣的作用。木炭需覆蓋嚴(yán)密，銅液表面的灰渣阻礙了上層木炭進(jìn)一步脫氧，應(yīng)及時(shí)清除在爐內(nèi)生產(chǎn)的灰渣。

木炭中常伴有鐵釘出現(xiàn)，若木炭中鐵釘分揀不干凈混入銅液中，混入量少會(huì)使上引連鑄銅桿電阻率上升，混入量大則造成電阻率超標(biāo)。木炭使用前應(yīng)徹底清理鐵釘，先用肉眼檢查木炭?jī)?nèi)是否混有鐵釘并清理干凈，再用磁鐵徹底吸附盛裝在非鐵制托盤中的木炭，徹底清理釘入木炭中或木炭中夾裹的鐵釘，保證使用的木炭無(wú)鐵釘混入。

4 結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐表明，該公司利用哈銅原料上引連鑄無(wú)氧銅桿的研究是成功的。該公司已摸索出了一整套符合以哈銅原料上引連鑄無(wú)氧銅桿的生產(chǎn)工藝，能最大限度地利用哈銅原料上引連鑄無(wú)氧銅桿，鑄桿產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)中有升，可消除或減少污染，成本能耗低，有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。