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文档简介
铜和铜合金棒材生产工艺技术发展动向 铜和铜合金棒材生产工艺技术发展动向 沈旦华 概 述 中国在上一世纪年代一年代,上海的一些小型铜加工作坊采用糠模铸锭铸造余热轧制棒坯工艺来生产黄铜棒。由于该工艺在节省能源、降低生产成本、提高经济效益等方面具有其它生产方式无可比拟的优势,一直保留到现在。在一些大型企业甚至日本、西欧等工业比较发达的国家仍在采用此项工艺。不过话要说回来,到了世纪,中国的铜加工业无论在生产、品种、质量、工艺技术、生产装备、国际贸易、甚至基础理论等方面,都有了惊世的长足发展,糠模铸锭工艺注定会在行业中悄悄谢幕。发达的市场要求铜加工工业向作大、强、专、精、节能、环保,在科学发展观的指引下,建立管理精细,创新型的铜加工工业。在全球性金融危机浪潮中,棒材同其它铜加工材料一起,不断通过技术创新,发展短流程和节能、节材、减排、自动化连续化等生产工艺,努力开发展适应市场要求的新产品、新设备,大力促进循环经济。棒材工艺流程 现代工业企业为提高经济效益,将棒材生产工艺逐渐推向连续化作业。正像板材生产采用卷带工艺一样,棒材生产在向盘卷化方向发展。为了维持连续性就必须最大限度增加坯料单重。在钢铁生产方面,日本在年就有了,的卷材,单重为;年生产出了,的卷材,单重已达。德国发展更快,已出现,的卷材,单重达。铜材方面,很多工业发达国家可供?的卷材,但单重仅。少数国家已采用甚至吨级的挤压机,卷材直径可达午左右,单重。 为使坯料单重增加,人们近年来在研制新设备或将传统工艺设备巧妙组合方面花了大量精力,取得了很大成就。就铜材而言,这方面的工作归纳如下: ()横列式轧机配套:如果轧机与轧机配套,锭重可从原来提高到。轧机除用作粗轧开坯外,只要合理设计孔型系统,大胆采用平轧轧制工艺,还可生产各档规格尺寸的棒材和数以百计的异型材。 ()行星轧机一轧机配套:一台行星轧机单道次的延伸系数可达,能代替多架轧机。轧件重量可达一。因行星轧机速度较慢,对轧制线坯不甚适用,只有与多列中、精轧机串联轧制才能发挥它的作用。 年中国铜加工产业发展论坛 ()大小行星轧机配套:投资节省,占用场地更少。但由于轧速太慢,坯料在进入第台小的行星轧机前要进行二次加热,轧件单重可达一。由于是一项新开发工艺在国内还有待改进完善。 ()连铸线坯:坯径一,卷重可任意设定。因坯料为铸造组织,需经反复冷轧或拉伸、退火,对加工塑性较差的合金不太适宜。少数生产厂用来制取 线坯,由于塑性差,每次少量变形就需退火处理,成品耗电每吨,以上,在经济上得不偿失。然而,中小规格的锡青铜、硅青铜棒,原生产工艺为挤压一拉伸,由于其热加工性能差,挤压操作不顺利,成品率低,现已推荐铸拉工艺,由于其冷加工性能较好,可反复拉伸开坯,不但质量有保证,经济上也合算。 ()轧机型轧机配套:一般用来轧制线坯,适用于生产以下的小棒和线材,单重为。 ()连铸连轧:目前仅用于生产紫铜和铝的盘条,单重可任意设定,最大坯料已达。黄铜,特别是铅黄铜以及其它铜合金,因它们的规格繁多、批量小,极少采用连铸连轧工艺。连续冷轧现有两种方式:美国斯科维尔制造公司在型轧机上经过一道次轧制连铸坯轧成邸一的棒线坯;法国塞西姆公司和国内西安造纸网厂则通过串联式平立辊轧机将连铸坯轧至半成品坯料。 ()挤压:能适应加工各种金属和合金材料,坯料单重在不断提高挤压机吨位和完善收线装置的条件下,最大可达。 挤压金属用卧式挤压机吨位最大已达,据说美国还在研制吨级的。挤压机生产效率已由一次,、时增加到次,时。铜合金反向挤压机发展较快,其它挤压方法(如静压挤压、冷挤压等温挤压等)也已在工业中应用。 ()连续挤压():本法在年申请专利,由英国原子能管理局发明,至今已由单纯的铝材挤压发展到能连续生产、,黄铜、黄铜。成品规格在啦砌一甲(异型材截面击矗)。专家确信,连续挤压机将会与连铸机直接连接在一条生产线上,经一道工序把金属液直接制成无限长的挤压制品。卷重可根据下道工序加工设备能力任意选定。 ()连铸锻轧机组:在四锤纵锻机的基础上,从六锤又发展到八锤纵锻机。到年代,人们又将连轧机组与连续轧机组结合起来,实现了连续锻轧新工艺,其坯重可达一,而其投资不到一台挤压机的三分之一。 ()紫铜小棒,线坯上引连铸一冷轧制坯:出自芬兰奥托昆布的紫铜线坯上引法,在国内几乎已遍地开花,并且生产品种已扩充到黄铜和白铜、青铜。铸杆直径面到,还可铸卿 的管坯和相应截面积的型材,每套机组年产能力从。料坯单重也可根据下道工序的加工设备能力任意设定。 铜和铜合金棒材生产工艺技术发展动向棒材工艺设备的革新亮点熔铸 年以来,我国在铜合金的熔铸方面有了长足的发展,棒材的以铅黄铜起步,从地坑式熔炼,逐步改为容量为工频感应炉,用砂模、糠模、铁模、水冷模浇铸。一直到近年研发的工频感应炉熔炼面流(每流头共头)水平连铸棒坯;半连铸生产棒坯,从卿姗规格发展到弘一挤压坯锭,紫铜已可用上引连铸供坯生产铜棒、铜型材、铜管、铜排。最新发展使用潜流式工频熔炼炉,将紫铜的含氧量控制在以下。黄铜则能减少锌的挥发,既使熔损减少到最低限度,又极大改善车间的环境污染。 以上所讲已是众所周知的铜加工熔铸最新技术,不再赘述,以下介绍另外几种高效的熔铸技术:铜和铜合金所用废杂铜原料的精炼工艺 从有效利用资源的角度考虑,应使来自使用和机械加生单位产生的杂铜废屑予以再循环重复使用。但夹杂大量外来金属、焊锡、镀层的杂铜废屑和散件却阻止其再循环用到牌号铜材中去。从铜屑或散件中清除杂质的通常方法是在熔炼前用手工分拣和随后的磁选。手工分拣受到数量效率的限制,而磁选对于那些以焊锡、镀层或者异类组份(如:、和等)是不会奏效的。为了解决这种难题,笔者推荐美国一种有效的精炼工艺,举例说明如下: ()为精炼铜和铜合金的原料而制定的工艺,其原料中含有、及等诸元素中至少一种到所列杂质元素都有,其工艺由连续几个步骤组成: 投用原料。 在熔液内通入氧气,并加入()和()中至少一种组份,从而使上述的、及中至少一种组份元素在熔液中变成以铁和或锰的化合物形式的炉渣。 除去在熔液中已形成的炉渣。 熔液还原。 ()含有、及等诸元素中至少一种组份元素到所列杂质元素都有,在和、和压等元素共存时的铜和铜合金的精炼工艺之步骤: 投用原料。 在熔液内通入氧气,从而使上述、和盈等元素的氧化物进入炉渣。 在溶液内加入(吃)和()中至少一种组份,以使、及等元素在熔体中变成以和的化合物形式的炉渣。 除去在熔液中已形成的炉渣。 年中国铜加工产业发展论坛 熔体还原。 说明:在()或()中规定的精炼工艺,通人的氧气含量必须不少于。加入的( )和()重量为熔液重量的。 步骤中除渣操作,要加入一熔剂,使之吸附炉渣而容易除渣。熔剂配制比例:鸽,加入量为熔液重量的。 步骤:还原是将还原剂加入熔液后,要及时通入氮气,使还原剂均布于熔液各处。 精炼实验举例: 原料:商业废杂铜(标准等同于日本废铜线) 原料的预处理:无 精炼过程: 步骤:熔炼 熔炉:燃油反射炉 投料: 熔炼温度, 熔炼气氛:大气 步骤:氧化 氧化方法:将空气通入熔液,氧的浓度 步骤:生成氧化化合物 加入附加剂:,加入量为熔液重量的 氮气加入:无 步骤:造渣 熔剂:无 步骤:还原:通过木炭在熔液表面的散布,还用两个氧化铝制作的多孑喷头, 以的速度,用分钟将氩气吹人熔液内。 实验结果 熔液质量: 杂质金属含量(、):分别小于 氧含量: 铜损耗: 等级:良好 精炼实验举例: 原料:商业废。杂铜(标准等同于日本废铜线) 原料的预处理:无 铜和铜合金棒材生产工艺技术发展动向精炼过程:步骤:熔炼 熔炉:燃油反射炉 投料: 熔炼温度: 熔炼气氛:大气步骤: :氧化 氧化方法:将空气通人熔液,氧的浓度 :生成氧化化合物 加入附加剂:,加人量为熔液重量的 氮气加入:无步骤:造渣 附加剂加入:业,熔液重量的步骤:还原:通过木炭在熔液表面的散布,还用两个氧化铝制作的多孔喷头, 以的速度,用分钟将氩气吹入熔液内。实验结果:熔液质量:杂质金属含量(、):分别小于氧含量:铜损耗:等级:良好精炼实验举例:原料:商业废杂铜(标准等同于日本:废铜线)原料的预处理:无精炼过程:步骤:熔炼 熔炉:熔沟式感应熔炼炉 投料: 熔炼温度: 熔炼气氛:大气步骤: 氧化 年中国铜加工产业发展论坛 氧化方法:向熔液内和表面通人氧气,氧的浓度猢步骤:生成氧化化合物 加入附加剂:,加人量为熔液重量的 氮气加入:无步骤:造渣 熔剂:无步骤:还原:通过木炭在熔液表面的散布,还用两个氧化铝制作的多孔喷头, 以的速度,用分钟将氩气吹人熔液内。实验结果:熔液质量:杂质金属(、):分别小于氧含量:铜损耗:等级:良好精炼实验例:原料:商业废杂铜(标准等同于日本撑废铜线)原料的预处理:无精炼过程:步骤:熔炼 熔炉:熔沟式感应熔炼炉 投料: 熔炼温度: 熔炼气氛:大气步骤: :氧化 氧化方法:向熔体内通人氧气,氧的浓度 :生成氧化化合物 附加剂:(工业级),加入量为熔液重量的 氮气加入:通过直径讲啪,喷速的喷头,用时分钟将氩气吹人。步骤:造渣 附加剂加入:鸽,熔液重量的步骤:还原:通过木炭在熔液表面的散布,还用两个氧化铝制作的多孔喷头, 以的速度,用分钟将氩气吹人熔液内。实验结果: 铜和铜台金棒材生产工艺技术发展动向 熔涟质量: 杂质金属(、):分别小于 氧含量: 铜损耗: 等 级:良好 实验共做了例,现摘取典型的个案例介绍。还有具体指导生产实际操作的工艺曲线图张,专利未予披露,估计要在商务谈判后出让。经精炼处理后,熔液的化学成份可达到我国国家标准电工用铜线锭的化学成份的规定。 扩大引法连铸驴组的生产品种 卜引法连铸工艺起始用于连铸无氧化的紫铜杆后来经广东金百等单位努力开发,成功连铸出等牌导的黄铜杆,引杆直径减小到面,缩短了随后的拉伸过程。本世纪初获知在辽宁某一家铜加工厂利用上引法已顺利连铸出白铜、青铜杆。 由于上引法连铸过程中,一边连铸引出,一边要陆续投入炉料,黄铜的炉料为铜和锌以及工艺回料。三者的熔点不同,投料操作难度高;铅黄铜、锌白铜、青铜的元素至少在个以上,加上回料后的不同熔化温度,在炉料投人熔化区再转运到保温区的操作比两元黄铜更为棘手。因为低熔点的炉料会先熔化,然后先流人保温区,影响出杆的成份波动,铸造温度也会时高时低。在生产现场,有的厂家将配料分割成若干份,具体每一份配料莺量视保温区中熔液随单位时间减少多少而定。投料时,先加入熔点最高的配料,根据摸索到的实际经验,恰到好处地陆续加人次高熔点和最低熔点的配料。这样处理的结果能使保温区中的熔液成份的波动范围在个百分点的范围以内:也有的厂家专门定点收集与熔炼牌号相同的废料,加一点像锌金属之类易损的配料,也能保证成品的化学成份基本稳定。 笔者认为,无论采用哪一种措施,总难以万全保证产品质量。一旦成份超出标准范围损失会是不小的。最好在熔化和保温两区间设一道闸门,等熔化区内的熔液成份和温度被调整到与保温区的工艺参数差不多一致时,打开闸门让熔液流人保温。好在闸门的结构形式已有厂家成功推出,在实用中操作简便,经济实用。图所示结构适用于上引法连铸机组;图所币为在用水平连续铸造机组。 逦 囤瞎化和保温两区间的闸棒控流装王 謦 国空属泣闻配王部位 年中国铜加工产业发展论坛 金属液阀门的两端分别与熔化炉和保温炉的底部进出相连。闸门的输送管道上绕有感应线圈(矩形铜管)可接通自来水管。当熔化炉中铜液的成份和温度已达到工艺规定后,感应线圈接通电源,输送管道内冻结的铜液化通后,合格的铜液徐徐被流人保温炉中。熔化炉炉底出口位置高于保温炉炉底的人位置,当熔液放流到事先设置的保证底铜液的高度后即可停止对感应线圈供电,输送管道内的熔液即慢慢冻结,熔化炉即可进行新一轮投料。无铅无铁易切削黄铜棒的精炼工艺 铅黄铜棒是所有铜合金棒中需要量最大的品种,在国内每年要消费万吨以上。但在国际市场上,尤其是欧洲国家特别重视环境保护和生命健康。我国传统的铅黄铜棒出口量逐年减少,技术上的主要原因他们已拒绝采用含铅黄铜。我国近几年来不少厂家用铋、锑或碲等元素代铅,在技术上大都已过关,但就是含铅量难以降低到订货要求。 国外对无铅无铁易切削黄铜棒的要求如下: 。,其它元素含量要求与原牌号基本类似。问题是厂家用电解铜、电解锌和精铋(碲、锑)也难以达到用户要求。本文第三节有关熔铸革新中的第一条:“铜和铜合金所用废杂铜原料的精炼工艺”中介绍的精炼工艺可以参考试用,而且还可采用废杂铜代替电解原料。在本节“棒材工艺设备的革新亮点”的节熔铸“扩大上引法连铸炉组的生产品种”一段中提到熔炼和保温两区要有控流装置,本工艺也确实需要该装置来保证保温区的熔液质量。 无铅无铁的易切削黄铜棒主要用在防铅毒或抗磁的食品容器、阀门、轻工用品及医疗器具、航空航海仪器仪表中制造零部件。铅黄铜回料(碎屑)烧结压块 近年来不少铜加工厂利用紫铜线(丝)、黄铜块、带材边角料,采用加压成砖块状的办法,使旧料的外形体积大大压缩,提高了装运和熔化效率,取得一定的经济效益。但?庵址椒衅洳蛔阒?()冲压冲下来的细散粒状的碎屑不能压成团块,铅黄铜的碎屑可塑性差,压块就不会成形; ()回收的旧料中含有铁质夹杂和油水混合物难以除去 公司是日本著名的黄铜棒和线材厂商,发明了一种独特的从黄铜屑中除去切削油和水并进而压块、烧结的工艺方法,该公司将这种处理方法称作工艺。其工艺流程:带有油水和铁屑的铅黄铜碎屑由料斗喂人磁分离器,利用磁性吸铁原理将铁屑吸附在传送带上。在传送带转动到脱离磁性区时,铅黄铜碎屑已被送到模压机室,而铁屑则落人盛桶内。一定量的碎屑喂人压模后,以一定压力将其压成圆柱形团块。此时团块中的油水大部份已被压出,还留存左右。团块顺序又被送进一座专门设计的烧结炉中。用油或煤气烧嘴快速加热团块,铅黄铜团块的加热温度应在以上,此时残留的油水已被全部除去,团块的外形已能牢固压合而不致松散了。工艺设备的技术参数: 铜和铜合金棒材生产工艺技术发展动向 ()团块尺寸:午; ()生产能力:块、时。 瑞典发明一种不加热压块工艺,碎屑经离心脱油、水后,进入传送带磁选除铁屑,然后送入料斗喂入圆柱形模筒内,然后冲压成团块。该工艺不用加热而能使可塑性差的铅黄铜碎屑牢固压合的秘密在于冲压机加到团块上的单位压力不得小于矗 碎屑经压块后,降低了工人劳动强度,提高了熔化速度,最主要的收益是大幅度降低了金属烧损,因炉料的表面积数以几十倍地减少,单位体积重量大增,极易在熔液中?鲁粒蟠蠹跎倭巳忍掠肟掌哟幕帷常踩燃庸?要缩短棒材工艺行程,重要的一环是极大地增加铸造、热冷加工的锭、坯单重。中、小规格的棒材的开坯应尽量采用连续化的卷式生产工艺。在热加工阶段应大力推行拉伸毛坯的连铸连轧、连续挤压机(),连续锻机组等工艺设备。现分别叙述如下:连铸连轧铅(或铋、锑、碲等)黄铜棒、线坯 热轧在加工成本、生产效率、性能均匀性,产品的切削加工性能等方面均优于挤压工艺。随着联合拉拔机在我国的推广以及小规格棒材采用盘卷化操作,对盘卷单重要求逐步加大,迫切需要一种新工艺来满足企业提高经济效益和用户对产品质量愈来愈高的要求。这种新工艺只能是铅黄铜棒,线坯的连铸连轧才能予以满足。铅黄铜棒线坯的连铸连轧工艺推广不畅,究其原因,一是铸造速度较慢,难以适应多道次热轧(铅黄铜温降速度较快),轧制道次少了又不能达到改变组织结构的开坯目的;二是为了减少或消除冷拉道次的中间退火,一定要满足不同规格的成品需提供不同规格的毛坯这一要求,这在减少调换铸造结晶器和轧辊孔型以及调整轧制工艺上是有很大困难的;由于铸造速度慢,生产率就不高,厂商认为这种工艺改革弊大利小,因此多少年来就一直无人想动这块“奶酪”。 笔者积近年的铜棒线热轧生产经验,能以巧妙而又合理的孔型没计,在有限的几台型材轧机上轧出几十、几百种圆形、异形规格的拉伸毛坯,完全有信心实现铅黄铜棒线坯的连铸连轧生产工艺。 连铸连轧工艺设备见图所示。 图连铸连轧设备示意图 熔化炉铜水流槽保温炉结晶器牵引装置铸坯(流) 连轧机组收卷机组铸坯轧前加热区 年中国铜加工产业发展论坛 工艺计算等具体展开说明,请参阅有色金属加工杂志,年第期“连铸连轧黄铜棒线的拉伸毛坯”一文。 轧制后收卷单重可根据企业生产规模设定为,配合盘拉机一联合拉拔机组拉制。由于卷重上吨,将使人操作的机组能由人操作。组设备,极大地提高劳动生产率。连续挤压()工艺 连续挤压()工艺由英国原子能管理局发明,在年申请专利,至今已由单纯挤压铝材,产品规格甲铝棒(包括六角形等异型材料)和。铝管,发展到目前,经大连交通大学、江苏常州多年的
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