錫磷青銅板坯橫向溫差影響因素分析與討論

劉兆洋，關(guān)騰飛，程興達(dá)

(凱美龍精密銅板帶(河南)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

錫磷青銅合金具有良好的彈性、耐蝕性、耐磨性、抗磁性和沖擊時無電火花效應(yīng)等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于無線電、電子和通信工業(yè)中的彈性零件，彈簧接觸片和其他彈簧，精密儀器中的耐磨零件和抗磁元件[1，2]。錫磷青銅由于鑄造結(jié)晶溫度范圍寬，枝晶偏析嚴(yán)重及容易產(chǎn)生反偏析，鑄錠熱軋時容易產(chǎn)生熱裂紋導(dǎo)致加工困難，一般不適用于熱加工[3]，通常采用水平連鑄工藝進(jìn)行生產(chǎn)[4]。在水平連鑄生產(chǎn)過程中，隨著帶坯寬厚比增大，板坯寬度方向的冷卻強(qiáng)度均勻性控制難度增大[5]，板坯橫向溫差增加，板坯內(nèi)部組織均勻性難以控制。

1 試驗方法

采用水平連鑄設(shè)備進(jìn)行試驗，熔煉設(shè)備采用工頻有芯感應(yīng)電爐，結(jié)晶器控制方式為四進(jìn)八出分區(qū)冷卻，石墨模具材質(zhì)為東洋碳素IG43材料，試驗合金為錫磷青銅，合金牌號為C51100、C51900和C52100，板坯規(guī)格為720mm×18mm×100m。生產(chǎn)過程采用連續(xù)牽引方式，保溫爐中銅液經(jīng)結(jié)晶器冷卻成型形成板坯，板坯經(jīng)牽引機(jī)牽引，收卷機(jī)在線收卷，卷坯到達(dá)規(guī)定長度后鋸切下料，完成卷坯鑄造過程。鑄造期間，每小時測量一次板坯溫度，測溫設(shè)備為手持接觸式數(shù)顯測溫儀，每次測量11個測溫點，每個相鄰測溫點距離為60mm，具體測溫點位置見圖1。

圖1 板坯測溫點位置示意圖Fig.1 Position diagram of slab temperature measuring point

2 試驗過程

2.1 板坯橫向溫差影響因素分析

在實際生產(chǎn)過程中，受爐體、牽引機(jī)、鋸切機(jī)和收卷機(jī)等在線設(shè)備對中性，模具安裝精度，結(jié)晶器跟爐體對接精度，石墨模具材料性能均勻性，冷卻參數(shù)，爐口安裝法蘭等影響，板坯橫向溫差形成原因較為復(fù)雜，一般由多種因素綜合造成而非單個因素造成。板坯橫向溫差一旦形成，單靠調(diào)整相應(yīng)冷卻區(qū)域冷卻強(qiáng)度去降低溫差是難以實現(xiàn)的。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，本文主要從結(jié)晶器冷卻銅模、石墨模具材料、鑄造參數(shù)、生產(chǎn)合金牌號和結(jié)晶器安裝精度方面分析了產(chǎn)生板坯橫向溫差原因。

具體分析影響因素及原因分析為：(1)合金牌號不同。銅液結(jié)晶區(qū)間及流動性不同，寬度方向結(jié)晶速度不同。(2)工藝參數(shù)差異。銅液在模具中結(jié)晶區(qū)域位置不同，板坯冷卻不同。(3)冷卻銅模表面平整度差。與石墨模具表面對接不緊密，板坯冷卻不均勻。(4)冷卻銅模冷卻腔結(jié)垢。影響冷卻效果，板坯冷卻不均勻。(5)石墨模具材料均勻性差。石墨模具各區(qū)域?qū)岵痪?，板坯冷卻不均勻。(6)石墨模具安裝精度低。石墨模具與冷卻銅模對接不緊密，板坯冷卻不均勻。(7)法蘭與結(jié)晶器對接面處理不當(dāng)。法蘭與結(jié)晶器對接不嚴(yán)密，模具入口處銅液溫度不均。(8)爐口法蘭變形。法蘭變形，法蘭與爐口對接處不緊密，銅液散熱不均。

2.2 試驗驗證

2.2.1 合金牌號影響因素驗證

采用同一套結(jié)晶器和模具生產(chǎn)不同合金牌號的方式，來驗證不同合金牌號對板坯橫向溫差的影響。驗證合金有C51100、C51900和C52100，每卷驗證卷坯長度為100m，試驗卷坯生產(chǎn)期間，每小時檢測一次板坯溫度。本試驗進(jìn)行了多批次生產(chǎn)驗證，隨機(jī)選取兩套模具卷坯的試驗結(jié)果見表1(表中試驗卷坯指同一套模具生產(chǎn)的試驗卷坯數(shù)量，橫向溫差指板坯11個測溫點的最高溫度減去最低溫度差值，溫度單位為℃)。因每卷生產(chǎn)時間較長，測溫數(shù)據(jù)較多，表中僅列出部分測溫點數(shù)據(jù)，各測溫點位置見圖1。表中每卷測溫點溫度數(shù)據(jù)為各測溫點數(shù)據(jù)平均值。

表1 合金牌號對板坯橫向溫差影響的試驗結(jié)果(單位：℃)

由表1可知，模具M(jìn)1生產(chǎn)的卷坯，點10為高溫點位置，點2為低溫點位置，板坯橫向溫差均在85℃左右；模具M(jìn)2生產(chǎn)的卷坯，點2為高溫點位置，點6為低溫點位置，板坯橫向溫差均在70℃左右。生產(chǎn)過程中同一套模具生產(chǎn)的卷坯高低溫位置固定不變，橫向溫差差異較小，不隨生產(chǎn)合金牌號的變化而變化。同一套結(jié)晶器安裝不同石墨板生產(chǎn)的卷坯高低溫點位置不同，其原因可能為結(jié)晶器使用前兩套石墨板個別固定螺栓出現(xiàn)松動現(xiàn)象，石墨板各位置冷卻強(qiáng)度不同。

2.2.2 工藝參數(shù)影響因素驗證

在同一套模具生產(chǎn)的不同卷坯中，采用不同的鑄造參數(shù)進(jìn)行試驗，來驗證鑄造速度和冷卻水流量對板坯橫向溫差的影響。本試驗驗證合金類別、卷坯長度、測溫頻率同2.2.1試驗條件相同。本試驗進(jìn)行了多批次生產(chǎn)驗證，隨機(jī)選取兩套模具卷坯的試驗結(jié)果見表2(表中鑄造速度單位為mm/min，回水流量單位為L/min，表中第一行其他標(biāo)題含義與表1中第一行標(biāo)題含義相同)。

表2 工藝參數(shù)對板坯橫向溫差影響的試驗結(jié)果

由表2可知，鑄造速度不同的模具M(jìn)3生產(chǎn)的卷坯，點8為高溫點位置，點4為低溫點位置，板坯橫向溫差均在73℃左右；水流量不同的模具M(jìn)4生產(chǎn)的卷坯，點10為高溫點位置，點4為低溫點位置，板坯橫向溫差均在83℃左右。生產(chǎn)過程中同一套模具生產(chǎn)的卷坯溫度隨鑄造速度增大而增大，隨著回水流量的增加而降低，板坯高低溫位置固定不變，橫向溫差差異較小，不隨工藝參數(shù)的變化而變化。

2.2.3 冷卻銅模表面平整度影響因素驗證

將同一結(jié)晶器冷卻銅模表面處理成兩個平整度精度，使用不同平整度的銅模進(jìn)行生產(chǎn)，來驗證冷卻銅模表面平整度對板坯橫向溫差的影響。本試驗驗證合金類別、卷坯長度、測溫頻率同2.2.1試驗條件相同。本試驗進(jìn)行了多批次生產(chǎn)驗證，隨機(jī)選取一套銅模卷坯的試驗結(jié)果見表3(表中第一行標(biāo)題含義與表1中第一行標(biāo)題含義意義相同)。

表3 冷卻銅模平整度對板坯橫向溫差影響的試驗結(jié)果(單位：℃)

由表3可知，表面平整度為0.15的S2銅模生產(chǎn)的卷坯，點2為高溫點位置，點6為低溫點位置，板坯橫向溫差均在63℃左右；表面平整度為0.05的S2銅模生產(chǎn)的卷坯，點10為高溫點位置，點2為低溫點位置，板坯橫向溫差均在65℃左右。隨著冷卻銅模表面平整度精度提高，板坯橫向溫差無明顯減小。

2.2.4 冷卻銅模結(jié)垢影響因素驗證

將冷卻銅模拆開對冷卻腔進(jìn)行徹底清理，清理后安裝模具進(jìn)行生產(chǎn)，來驗證冷卻銅模結(jié)垢對板坯橫向溫差的影響。本試驗驗證合金類別、卷坯長度、測溫頻率同2.2.1試驗條件相同。本試驗進(jìn)行了多批次生產(chǎn)驗證，隨機(jī)選取兩套銅模清理后首次使用生產(chǎn)卷坯的試驗結(jié)果見表4(表中銅模使用次數(shù)指銅模徹底清洗后第幾次使用，表中第一行其他標(biāo)題含義與表1中第一行標(biāo)題含義意義相同)。

由表4可知，銅模S3清洗后首次使用生產(chǎn)的卷坯，點10為高溫點位置，點4為低溫點位置，板坯橫向溫差均在82℃左右；銅模S4清洗后首次使用生產(chǎn)的卷坯，點10為高溫點位置，點6為低溫點位置，板坯橫向溫差均在77℃左右。冷卻銅模徹底清洗后首次使用時，板坯橫向溫差無明顯減小。

2.2.5 石墨模具材質(zhì)均勻性影響因素驗證

對比同一套模具第一次使用及返修后第二次使用生產(chǎn)卷坯的橫向溫差及高低溫點是否固定，來驗證石墨模具材質(zhì)均勻性對板坯橫向溫差的影響。本試驗驗證合金類別、卷坯長度、測溫頻率同2.2.1試驗條件相同。本試驗進(jìn)行了多批次生產(chǎn)驗證，隨機(jī)選取一套模具新舊狀態(tài)下生產(chǎn)卷坯的試驗結(jié)果見表5(表中模具使用次數(shù)中“1”指新模具第一次使用，“2”指模具第二次使用，表中第一行其他標(biāo)題含義與表1中第一行標(biāo)題含義意義相同)。

表4 冷卻銅模結(jié)垢對板坯橫向溫差影響的試驗結(jié)果(單位：℃)

表5 石墨模具材質(zhì)對板坯橫向溫差影響的試驗結(jié)果(單位：℃)

由表5可知，模具M(jìn)9第一次使用生產(chǎn)的卷坯，點10為高溫點位置，點2為低溫點位置，板坯橫向溫差均在79℃左右；模具M(jìn)9第二次使用生產(chǎn)的卷坯，點2為高溫點位置，點6為低溫點位置，板坯橫向溫差均在71℃左右。通常情況下如果模具材料均勻性差，模具首次使用和第二次使用時，板坯高低溫點位置及橫向溫差應(yīng)固定或差異不大。試驗結(jié)果顯示，板坯高低溫點及橫向溫差不固定且差異較大，模具材料均勻性非直接導(dǎo)致板坯橫向溫差影響因素。同一套模具在兩次使用過程中生產(chǎn)的板坯高低溫位置點不同，其原因可能為安裝石墨板的結(jié)晶器與爐體對接面平整度較差且最大間隙位置不固定，對接后模具入口處銅液各位置溫度損失不同。

2.2.6 結(jié)晶器安裝精度影響因素驗證

結(jié)晶器安裝精度主要指石墨模具安裝精度和結(jié)晶器與保溫爐爐口法蘭對接精度。石墨模具由兩塊相同石墨板組成，模具板通過固定螺栓固定在結(jié)晶器銅模上，每個模具板上有14個固定螺栓，每根固定螺栓使用專用扭力扳手以相同扭力進(jìn)行固定安裝。石墨板安裝是結(jié)晶器組裝過程中的關(guān)鍵步驟之一，在長期模具安裝過程中發(fā)現(xiàn)，石墨板固定螺栓首次固定后，在后續(xù)完成結(jié)晶器整體組裝后，使用相同扭力檢查固定螺桿時，個別固定螺栓有松動現(xiàn)象發(fā)生，分析原因可能是結(jié)晶器組裝過程中石墨板輕微擠壓，振動造成。結(jié)晶器在烘烤后，個別固定螺栓也有松動現(xiàn)象發(fā)生，分析原因可能是石墨板受熱輕微變形造成。結(jié)晶器與保溫爐通過爐口法蘭進(jìn)行對接，法蘭面和結(jié)晶器對接面水平度、平整度差是影響結(jié)晶器與保溫爐對接精度的兩個主要因素。對接面坑洼處修補(bǔ)料凸起，各面厚度不均，耐火材料受熱兩側(cè)翹起等都會造成對接面水平度和平整度差。結(jié)合以上分析，對石墨板固定螺栓安裝及保溫爐與結(jié)晶器對接面處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)前工藝為，固定螺栓安裝→結(jié)晶器組裝→結(jié)晶器烘烤→保溫爐口法蘭面處理，結(jié)晶器面處理→結(jié)晶器與爐體對接。改進(jìn)后工藝為，固定螺栓安裝→結(jié)晶器組裝→固定螺栓松動復(fù)檢→結(jié)晶器烘烤→固定螺栓松動復(fù)檢→保溫爐口法蘭面處理，結(jié)晶器面處理→對接面水平度，平整度檢測→對接面處理→結(jié)晶器與爐體對接。改進(jìn)前后工藝相比，增加結(jié)晶器組裝完成和烘烤后石墨板固定螺栓復(fù)檢步驟，避免固定螺栓松動現(xiàn)象發(fā)生，提高模具冷卻均勻性。增加保溫爐與結(jié)晶器對接面水平度，平整度檢測和對接面二次處理，提高結(jié)晶器對接精度，確保模具入口銅液溫度損失均勻性。其中螺栓復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)為用扭力扳手使用同螺栓首次安裝時相同扭力進(jìn)行檢查和緊固，具體扭力數(shù)值及對接面水平度、平整度數(shù)值。本試驗主要從石墨模具安裝，結(jié)晶器與保溫爐口法蘭對接面處理兩方面來驗證結(jié)晶器安裝精度對板坯橫向溫差的影響。本試驗驗證合金類別、卷坯長度、測溫頻率同2.2.1試驗條件相同。本試驗進(jìn)行了多批次生產(chǎn)驗證，隨機(jī)選取兩次改進(jìn)后工藝生產(chǎn)卷坯的試驗結(jié)果見表6。

表6 改進(jìn)后結(jié)晶器安裝精度對板坯橫向溫差影響的試驗結(jié)果(單位：℃)

由表6可知，安裝工藝改進(jìn)后第一次生產(chǎn)的卷坯，點10為高溫點位置，點4為低溫點位置，板坯橫向溫差均在30℃左右；第二次生產(chǎn)的卷坯，點10為高溫點位置，點6為低溫點位置，板坯橫向溫差均在24℃左右。結(jié)晶器安裝工藝改進(jìn)后生產(chǎn)的卷坯橫向溫差平均小于40℃，較改進(jìn)前安裝工藝板坯橫向溫差平均90℃有明顯改善。

2.2.7 爐口法蘭變形影響因素驗證

根據(jù)生產(chǎn)實踐，爐口法蘭發(fā)生變形情況較少，通常在生產(chǎn)中法蘭對接處漏銅受熱，法蘭返修加工精度低時發(fā)生變形。法蘭變形后使用不同的石墨模具及結(jié)晶器進(jìn)行生產(chǎn)，板坯寬度方向高低溫位置點和橫向溫差值比較固定，不隨石墨模具和結(jié)晶器的更換而變化，本文不再羅列具體數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。

2.3 試驗結(jié)果分析與討論

根據(jù)錫磷青銅生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)板坯橫向溫差小于40℃時，板坯內(nèi)部晶粒大小及表層內(nèi)部組織偏析層深度差異較小，有利于提高板坯橫向內(nèi)部組織均勻性。結(jié)合2.2中試驗驗證，板坯寬度方向高低溫點位置和橫向溫差分固定和不固定兩種情況。

(1)情況一。板坯寬度方向高低溫點位置和橫向溫差比較固定。形成原因為爐口法蘭變形；保溫爐爐體與在線牽引、收卷等設(shè)備對中性差。解決措施為更換法蘭；保溫爐爐體與在線牽引、收卷等設(shè)備對中校準(zhǔn)調(diào)整。

(2)情況二。板坯寬度方向高低溫點位置和橫向溫差不固定。形成原因為結(jié)晶器安裝過程中和烘烤后石墨板固定螺栓松動；結(jié)晶器對接面、保溫爐爐口法蘭對接面處理后平整度、水平度差。解決措施為增加結(jié)晶器組裝完成和烘烤后石墨板固定螺栓復(fù)檢步驟，避免固定螺栓松動現(xiàn)象發(fā)生；增加保溫爐與結(jié)晶器對接面水平度，平整度檢測和對接面二次處理，提高結(jié)晶器對接精度；定期對冷卻銅模工作面進(jìn)行研磨及平整度檢查、定期清理冷卻腔結(jié)垢、選用合適的石墨材質(zhì)。

3 結(jié)論

(1)通過試驗得出，結(jié)晶器安裝和烘烤后增加模具石墨板固定螺栓松動復(fù)檢及結(jié)晶器與保溫爐爐口法蘭對接面處理后增加水平度、平整度復(fù)檢可有效降低板坯橫向溫差。

(2)板坯橫向溫差可降低至40℃以下。