TP2铜管坯水平连铸工艺及缺陷研究

1、 文章编号 :1005-2046(2009 03-0110-04TP2铜管坯水平连铸工艺及缺陷研究陈进方(江西理工大学材料与化学工程学院 , 江西 赣州 341000摘 要 :介绍了 TP2铜管坯水平连铸工艺 、设备及主要缺陷 。采用水平连铸工艺方式生产 TP2铜管坯具有流程短 、 能耗低 、 投资省和成本低等优点 , 然而由于工艺和操作等方面的原因 , 容易产生一些缺陷 , 针对缺陷产生的原因 , 可以通过改进工艺操作来防止或改善 。关键词 :TP2铜管 ; 水平连铸 ; 缺陷 中图分类号 :TG 291 文献标识码 :AH orizontal Continuous C asting of

2、TP2Copper Tube B lanks and Their DefectsCHEN Jin 2(School o f Material &, o fScience , , China Abstract :process for TP2copper tube blanks and the defects in the blanks are process features low energy consum ption and low cost. But s ome defects are found in the blanks , which should be rem oved

3、 through the optimizing of the process. K ey w ords :TP2tube blank ; horizontal continuous casting ; defect收稿日期 :2009202226chejin fan sohu. com 。0 前 言金属铜具有优良的导电性和导热性 , 良好的 延展性 , 易于加工成型 , 广泛应用于生产 、 生活 及国民经济的各个部门 。 铜管材是重要的铜加工 产品之一 , 主要用于空调 、制冷 、发电 、建筑 、输油 、 输水和输气管道等 1。 随着国民经济的发 展 , 其应用领域在逐步扩大 , 消费量也逐年

4、增 加 。 在铜管材的生产与消费中 , TP2铜管始终占 相当大的比重 。 TP2铜管以其良好的导电导热 性 、 抗磁性和抗大气腐蚀性 , 被广泛应用于空调 和冰箱用制冷管 、 水管 、 冷凝器 、 蒸发器和热交 换器用管 、 蒸汽管 、 蒸馏装置管道用管等 。传统的铜管生产工艺 挤压法是由实心铸坯挤压成管坯 , 再经过拉拔加工成管材 。 这种生产铜管的方法周期长 、工艺复杂 、产品成本高 , 已不能满足铜管企业追求生产效率 、 降低加工成本的需求 2。 20世纪 90年代 , 铸轧法开始应用 于铜管加工 , 它是由水平连铸制成空心管坯 , 经 三辊行星轧制 , 再通过盘拉加工成管材 。 铸轧

5、法 生产的铜管材因生产流程短 、 加工成材率高和制 造成本低而获得了较快的发展 。1 工 艺111 水平连铸的发展及特点 11111 水平连铸的发展水平连铸是常用的一种连铸工艺 , 因其铸坯 的牵引方向与地平面平行 , 故称之为水平连铸 。第 30卷 第 3期上 海 有 色 金 属V ol 130 N o 132009年 9月SH ANG H AI NONFERROUS MET A LSSept.2009关于水平连铸最早的发明者 , 要追溯到 1843年 Laing 申请的美国专利 3023管子水平连铸设备 。 从 1930年起 , 水平连铸法一直用于连铸有色金 属和合金 。 直到 20世纪

6、50年代 , 水平连铸工艺 与设备才达到实用阶段 。 现在水平连铸技术已向 着更大直径 、更多流数以及多场耦合的方向发 展 3。 我国水平连铸的研究试验 , 早在 20世纪 60年代初期就开始了 。 1975年以来 , 山西冶金 研究所 、 首钢钢研所 、 上海钢铁工艺研究所和北 京钢铁研究总院相继开始水平连铸的研究实验工 作 。 采用水平连铸 2行星轧管法生产紫铜 (包括 TP2磷脱氧铜 盘管的专利技术 , 最早是由芬兰 奥托肯普公司研制开发 , 并在国内得到了完善和 提高 , 在空调制冷管 、中小水气管等的生产中 , 得到了极大的发展 , 并成为主要的生产工艺 。 目 前 , 我国与国外先

7、进水平的差距 , 主要表现在结 晶器技术 、 拉坯驱动技术 、 中间包保温加热技术 和电磁搅拌技术等 4。11112 水平连铸的特点5%, , 安装维修方 便 ; (2 , 避免了 二次氧化 , 铸坯的纯洁度较高 ; (3 与弧形连铸 相比 , 水平连铸结晶器的静压力较高 , 凝固坯壳 与结晶器表面接触好 , 结晶器的冷却强度大 , 且 不易产生铸坯鼓肚 , 铸坯成分偏析小 ; (4 铸坯 是按水平方向拉出的 , 无需矫直机构 , 因此适宜 浇铸难于变形的高合金铸坯 ; (5 特别适用于生 产优质小断面铸坯 。112 工艺流程TP2铜管坯水平连铸的工艺流程是首先把电 解铜板加入到熔化炉中 ,

8、待铜板充分熔化之后 , 倾倒熔化炉使熔融的铜液经过流槽流入到保温炉 内 。 铜液在静压力的作用下流入结晶器中 , 遇到 一次冷却水强冷的结晶器内壁而开始结晶凝固成 具有一定强度的坯壳 。然后由牵引机牵出结晶 器 , 同时管坯外表面受到二次冷却水直接喷射冷 却 , 待管坯长度满足要求时剪切 , 然后进入下一 道工序 。 在连续牵引过程中 , 由于铜液受到静压 力的作用而不断地补充到结晶器里 , 不断地结晶 凝固成坯壳被牵引出来 , 这就形成了水平连铸的 整个过程 。113 主要设备TP2铜管坯水平连铸的主要设备有 :熔化 炉 、 保温炉 、 流槽 、 熔铸设备 、 牵引装置和剪切 机等 。113

9、11 熔化炉和保温炉感应电炉熔炼金属过程中 , 金属的氧化损失 较少 , 熔炼出的金属及合金的质量较高 , 感应电 炉的工作条件比反射炉好很多 , 因此在铜及铜合 金的生产中 , 用感应电炉替代反射炉 627。 为提高生产效率 , 或保证连续生产 , 一般大 型炉组都配有保温炉 。 由熔炼炉熔化原料 , 调整 化学成分合格后 , 转炉进入保温炉 。 保温炉功率 低于熔炼炉 。 保温炉的主要作用是对熔体进行精 准的温度调节 , 使熔体温度一直保持在铸造温度 范围内 ,行 , 这是因为它客 。 根据生产的 ,11312 流槽流槽是一个连接熔化炉和保温炉的通道 。 熔 化炉中熔融的铜液通过它流入到保

10、温炉内 。 流槽 内部用碳化硅耐高温材料 , 铜液经过时 , 要在保 护性气体下进行 , 而且要密封良好 , 防止铜液的 氧化和泄漏 , 可以采用氮气或者一氧化碳气体保 护 。11313 牵引装置水平连铸的牵引装置包括引锭头 、 引锭杆和 牵引机等 。 牵引装置控制铸坯的牵引速度 , 牵引 速度的大小直接影响产品的生产效率和产品的质 量 。11314 剪切机水平连铸 TP2铜管坯需要根据后续生产的需 要剪切成定长 。 由于连铸连续生产的特点 , 剪切 机不能固定在同一位置上进行剪切 , 剪切机必须 要与管坯同步运动 。 如采用手工操作 , 不仅增加 工人的劳动强度 , 而且不易正确控制定长 ,

11、 影响 生产效率 。 目前主要采用自动定长剪切 , 采用牵 引辊的传动装置来控制剪切机 , 这样不但能使剪 切机始终与管坯同步运动 , 而且剪切质量也得到 了较好的保证 。111第 3期 陈进方 :TP2铜管坯水平连铸工艺及缺陷研究 2 缺陷研究TP2铜管坯水平连铸生产是一个多工艺过程 的连续组合 , 涉及熔炼 、转炉保温和水平铸造 等 。 水平铸造又涉及拉铸速度及节奏 、一次冷 却 、 二次冷却等多个过程 , 涉及多个工艺参数的 匹配 , 每一个环节的变化都会影响最终铸锭的质 量 。 因此 , 在实际生产中容易产生多种影响管坯 后续加工的缺陷 。 水平连铸铜管坯的缺陷 , 一般 可以分为表面

12、缺陷和内部缺陷 。 表面缺陷有表面 裂纹 、 间断性液穴小坑 、 波浪状重叠和内壁氧化 等 ; 内部缺陷有气孔 、 缩孔及疏松 、 夹渣和内部 裂纹等 。本文重点探讨连铸的缩孔和疏松 、气 孔 、 间断性液穴小坑 、 裂纹和夹渣等铸造缺陷的 形成原因及防止方法 。211 缩孔和疏松的形成及防止21111 缩孔铜管坯中缩孔的形成主要是铜液得不到补 缩 。 铜中溶解的气体过多 ,碍了铜液的补缩 ,孔 ;小 ; , 从 , 铜液得不 到及时的补缩 , 管坯就被牵引出来了 , 因此出现 缩孔 。防止铜管坯中缩孔的发生 , 可从除气和增加 铜液的补缩两方面考虑 , 采取以下措施 :(1 熔 化炉和保温炉

13、中的铜液面要覆盖好 , 流槽密封 好 , 在熔炼的过程中适当增加磷铜合金的投入 量 ; (2 减小牵引速度 , 适当增大反推量 , 在设 计结晶器模具时 , 增大进液孔的尺寸 。21112 疏松疏松大多分散分布在晶粒之间 。 在铜冷却凝 固过程中 , 一些难熔成分分散于铜液中 , 形成树 枝状结晶骨架 。 铜液可在各树枝晶间流动 , 当树 枝状结晶骨彼此搭接起来 , 形成封闭的空间 , 枝 晶间的剩余熔体便被分割开 。 最后当枝晶间的剩 余铜液结晶且发生凝固收缩时 , 由于得不到外界 铜液的补充便会在最后凝固的地方形成微小的缩 孔 。防止疏松可以采取提高铸造时的温度 , 减小 铸造速度 , 加

14、强铜液净化等措施 。 212 气孔的形成及防止气孔一般是圆形的 , 表面较光滑 , 加工时气 孔可被压缩 , 但难以焊合 , 常常在热加工和热处 理过程中产生起皮起泡现象 。能溶解于铜中的气体主要是氢和氧 , 两者都 可能降低 TP2铜管坯的性能 , 并导致 “氢气病” 的产生 。 溶解于铜液中的氢气 , 其溶解度一般随 温度的降低而减小 。 当结晶器中的铜液从液态冷 却至凝固温度时 , 氢在铜中的溶解度陡然降低 , 析出的氢气或是通过扩散达到金属液表面而逸 出 , 或是形成气泡后上浮而逸出 。 但由于液面有 氧化膜的阻碍 , 且凝固较快 , 氢气自铜液内部扩 散逸出的数量极为有限 , 故多以

15、气泡的形式上浮 逸出 。 在凝固速度大或有枝晶阻拦时 , 形成的气 泡来不及上浮逸出 , 便留在铸锭内成为气孔 9。 , 要尽量减少溶 : ( , 炉料 、木 , 去锈和去油污 , 多重熔 ; (2 加强脱氧除气 , 装料后必须及时关闭炉门 ; (3 引锭座要烘干 、 预热 , 拉坯速度不宜过快 。213 间断性液穴小坑的形成及防止当管坯凝固收缩 , 由于重力效应 , 管坯下沉 并使下侧表面贴紧石墨工作表面 , 导致引拉下侧 阻力大于上侧阻力 , 结果管坯的下表面可能产生 裂口 。 由于水平连铸采用停歇的铸造程序 , 裂口 可能为停歇跟进的铜液所充填 , 并与留在模壁上 的凝壳残余或凝结渣连接

16、起来 , 凝固成新的较厚 的凝壳 , 并在下一次引拉时被拉出 。 如果每次裂 口只能部分地被结晶前沿熔体所充填 , 管坯表面 将在那里留下小坑 , 称为间断性液穴小坑 10通过适当的工艺调整 , 可以消除间断性液穴 小坑 , 采取的措施如下 :(1 适当提高铸造温 度 , 以保证铜液能够将微小的裂口“ 焊合” ; (2 适当调整引拉程序 , 以保证得到足够强度的凝壳 而不被拉裂 ; (3 熔融金属通过结晶器时 , 设置 在石墨内套中的水冷铜塞伸入的深度 。214 裂纹的形成及防止水平连铸过程是金属液的动态凝固过程。 在 这个过程中 , 铸坯承受着各种应力 , 应力使铸坯 产生热应变 、 拉伸应

17、变和相变应变等 。 当铸坯不211 上 海 有 色 金 属 第 30卷 能承受应力应变时 , 就会产生裂纹 。 铸坯裂纹是 提高铸坯质量的重要障碍 , 根据铸坯裂纹产生的 位置和形态 , 分为表面裂纹和内部裂纹 。 表面裂 纹有纵向裂纹与横向裂纹 。铸坯出现轻的裂纹 , 需要表面铣削处理 , 铣去表面裂纹 ; 严重的会造 成废品 。 在生产过程中 , 严重的裂纹还会造成拉 漏事故的发生 。在连铸过程中 , 管坯外表面与结晶器石墨型 内壁 、 管坯内表面与石墨芯之间产生相对运动 , 管坯同时受到摩擦阻力及拉铸牵引力的合力作 用 。 由于水平连铸处于连续凝固状态 , 当合力大 于管坯凝固层的强度时

18、 , 便会将管坯表面拉裂 , 这是造成横向裂纹的基本原因 。 紫铜管坯横向裂 纹主要产生于上表面 , 这与水平连铸中由于重力 的作用 , 管坯表面的冷却不均匀 , 下半部的冷却 强度比上半部要好 , 所以下半部凝固层比上半部 要厚 , 不容易拉裂 , 这就导致表面横向裂纹主要 分布在管坯的上半部 。坯出结晶器时 ,度较高处 ,时 , 。 本来 , 但由于铸坯与结晶器之间有相对运动 , 所以裂纹 能在铸坯移动的方向上延伸 , 即为纵向分布的裂 纹 。避免管坯表面产生裂纹可以采取如下措施 : (1 加强管坯与结晶器之间的润滑 , 在石墨结晶 器内壁覆盖涂层 , 清理结晶器铜套表面的水垢 ; (2

19、调节一次冷却水流量 , 使管坯表面冷却均 匀 ; (3 适当降低拉坯速度和铸造速度 。 215 夹渣的形成及防止管坯中的氧化物、硫化物 、氢化物和硅酸 盐 、 熔剂 、 炉衬剥落 、 涂料或润滑剂残焦等夹杂 物 , 通称为夹渣 。夹杂物从液相中析出 , 并在液相包围下通过 互相碰撞 、 吸附而长大 , 其形成过程类似于偏晶 的结晶过程 。 由于夹杂物在金属液内的运动速度 不同 , 因而有可能相互碰撞 , 夹杂物碰撞在一起 产生粗化 。 夹杂物粗化后运动速度会加快 , 再与 其他夹杂物碰撞 , 使细小的夹杂物附集其上而进 一步长大 , 其组成和形状也愈来愈复杂 。 尺寸较 大者可上浮至铸锭表面形成宏观夹杂物 , 细微者 可能来不及聚集长大和上浮 , 在凝固时嵌入晶内 或偏聚于晶界而形成显微夹杂物 11。夹渣对管坯及其制品的力学性能影响很大 , TP2管坯水平连铸必须降低夹渣 。根据夹渣产生 的原因要以采取以下措施 :(1 彻底捞渣 , 熔化 炉中的渣块 、 浮渣要及时清理 ; (2 覆盖剂木炭 和鳞片石墨要清理干净 ; (3 适当降低铸造速度 等 。3 结 论(1 近年来发展起来的 TP2铜管坯水平连铸 技术已日趋完善和成熟 , 水平连铸技术能够显著 提高生产效率 , 扩大产量 。(2 受工艺条件以及实际操作等多方面因素 的影响 , , 会反复 :气孔 、 间断性液, 可以 。