【轧制知识】连铸连轧生产线的铜金属结构变化(一)

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【轧制知识】连铸连轧生产线的铜金属结构变化(一)

电工用铜线坯作为原材料被广泛应用于电缆、汽车线、漆包线等行业。随着铜连铸连轧生产线的工艺技术的发展，对于产品品质提升的方向也被发掘的越来越多。很多外在因素的影响已被各种试验和验证，如乳化液的使用、蜡液的保护作用等。为了进一步提高产品质量，可以在铜材内在因素进行分析，对物质结构进行更详细的研究，希望能够找到提高产品质量的新思路。

生产过程中铜的物象变化

SCR4500 连铸连轧生产线的原材料为阴极电解铜板，在竖炉中经1180℃熔化后由固相转变为液相。在铸造过程中通过冷却水的冷却，将铜液由液相凝固转变为固相，之后再经过11 道次轧机的轧制挤压成型过程，将截面积5430mm2 的铸坯轧制成Φ8.0mm（截面积50.24mm2）的电工用铜线坯。最后通过清洗线的冷却退火过程形成最终的产品。因此，在 SCR 生产线上铜有以下变化 ：阴极电解铜板（固态）——竖炉熔化（液态）——铸造成型（固态）——轧制（固态—动态再结晶）——清洗线（固态—退火）。

铸机铸造过程

铸造过程使用的是五轮式连铸机，使用钢带和铸轮形成一个梯形模腔，将铜液不断注入到模腔内，通过冷却水的冷却得到截面为梯形的铜铸坯。在铸造过程中，影响金属结晶的主要有三个因素 ：铜液的浇铸温度、冷却水的压力流量、炭灰涂层的厚度和均匀性。

铜液的浇铸温度 ：由于纯铜的导热能力强，铜液的冷却速度很快，因此浇铸温度对铸造成型过程有很大影响。浇铸温度越高，则对流越强，铜液结晶时的能量更多，晶粒长大速度更快， 导致结晶时柱状晶增长过快，形成的晶粒尺寸更大。但是高氧的共晶区、杂质和Cu2O 颗粒等会聚集于枝晶之间，这种杂质和

脆相物质的偏析，也会增加轧制时铸坯的开裂几率。浇铸温度越低，铜液流动性差、粘度高，铜液结晶时的能量不足，导致结晶时晶粒不易增长，只形成晶粒尺寸较小的等轴晶。可见浇铸温度是对铸造过程中物相结构影响的因素之一。

冷却水的压力流量 ：在铸造过程中，铸轮和钢带都分为 3 段式冷却，第一段冷却水压力流量相对要低一些，以防止激冷造成结晶状况不良。第二、三段冷却水相对要高一些，以确保铜液到达在铸轮6 点钟方向时已经完全凝固。这样可以防止铸坯中空现象的发生。为保证稳定均匀的冷却强度，铸轮和钢带处的冷却水喷嘴应定期更换，防止过多的磨损导致冷却水的压力流量不稳定。

炭灰涂层的厚度和均匀性 ：金属都有属于自己的理论结晶温度，但是在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度。过冷度的大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大 ；反之冷却速度越慢，过冷度就越小，实际结晶温度就更接近理论结晶温度。炭灰涂层可以起到利于铸坯脱模的作用，由于其热传导系数低，因此也会起到降低热传导的作用。炭灰涂层越厚，热传导阻隔就越大，降低冷却水的冷却效率。铜结晶时的能量降低，晶粒长大缓慢。炭灰涂层越薄，热传导阻隔就越小，增加冷却水的冷却效率。过冷度也会增加，在具有较大的过冷度的情况下，形核率的增加比晶核长大的速度更快从而形成更细晶粒。所以过厚或过薄的炭灰涂层会导致实际生产过程中的冷却条件有很大变化，也对铜的结晶过程有很大影响。因此在保证冷却水流量与压力不变的情况下，我们可以通过调整乙炔和氧气流量，来改变喷涂在铸轮和钢带上炭灰涂层的厚度，已达到我们所需要的冷却效果。如果不做任何处理，涂覆在铸轮内腔和钢带上的炭灰涂层会越来越厚，会严重影响冷却效果，也会影响脱模之后的铜铸坯的温度。这时我们可以在铸坯出模处设置高压泵，用高压水来冲洗掉炭灰涂层，并在后续位置上放置火焰来干燥铸轮和钢带以便于炭灰的再次附着。随着生产时间的持续，炭灰涂层会变得不均匀，我们也可以采取打磨铸轮的方式来使铸轮内腔的炭灰涂层重新排布。这样就可以既保证了结晶时的晶粒状况，也稳定了铜铸坯的出模温度。

对于美国南线公司的SCR4500 连铸连轧生产线来说，铸造时的铸坯结晶状况应是铸坯对角结晶线应对称分布，结晶中心线稍微靠近铸轮一侧。铸轮侧的晶粒应为尺寸均匀的柱状晶，而钢带一侧应存在一些等轴晶。这就需要控制好冷却水的流量压力、炭灰涂层的厚度及均匀性和铜液浇铸时的温度。因此浇铸温度应维持在1115℃～ 1125℃，这样既可以得到良好的结晶状况，也可以保证出铜铸坯出铸造模腔的温度。铸造时，由于铸轮的形状是环形的，在出坯时铸坯会有较大的变形角度，使铸坯底部（铸轮一侧）承受较大的应力。出坯的温度越高，铸坯的强度越低，造成开裂、产生裂纹的几率就会增加，而温度过低将无法保证进入轧机时的轧制温度。因此出坯温度范围需要控制在950℃～ 970℃。