TP2管坯水平連鑄及其拉鑄系統程序設計

毛健文

(江西銅業加工事業部，江西南昌 330096)

TP2管坯水平連鑄及其拉鑄系統程序設計

毛健文

(江西銅業加工事業部，江西南昌 330096)

水平連鑄TP2紫銅管是鑄軋法生產優質空調管坯的第一步工藝。依據對鑄造理論的鑄造溫度、鑄造速度和冷卻強度三要素工藝研究，結合科爾摩根伺服系統特性，優化設計出水平連鑄TP2銅管坯新拉鑄工藝程序。

TP2銅管;水平連鑄工藝;伺服系統;鑄造理論;新拉鑄工藝程序

1 引言

TP2管坯水平連鑄技術是20世紀70年代開發的新技術，80年代初進入工業生產階段，國內于20世紀90年代首次引進鑄軋法工藝，并開始研究、改進和優化工藝。最初引進鑄軋法生產TP2銅管時，僅為一臺熔化爐供應一臺保溫爐的連續生產，生產的鑄坯為?80×20mm，牽引速度也比較低，不大于400 mm/min。后來經過科研工作者和企業工程師的聯合研究，改善了設備的生產能力，實現了兩臺熔化爐供應一臺保溫爐，鑄坯尺寸增大到?90× 25mm，牽引速度提高到400 mm/min，且牽引的單根鑄坯重量增加到1000kg。但是，由于國內?100× 25mm空心管坯水平連鑄工藝研究起步比較晚，與國外的技術相比還有一定差距，許多關鍵技術還不夠成熟，處于摸索階段。而且影響TP2管坯水平連鑄工藝的因素(如鑄造溫度，結晶器以及牽引速度等)比較多，因此生產過程中會出現裂紋，粗糙溝槽，氣孔，縮孔，夾渣等缺陷嚴重影響著管坯的質量，降低生產效率與成品率，增加成本，制約后續工序的加工［1］。因此水平連鑄TP2管坯的質量決定整個鑄軋法銅管的質量，對改善管坯質量，提高成材率，降低成本等具有很重要的意義。

所以研究設計和開發?100×25mm，最大牽引速度達到500 mm/min，單根鑄坯重量1100kg水平連鑄TP2管坯工藝程序就顯得非常重要。

2 水平連鑄工藝及其生產過程分析

工藝過程包括:熔煉、結晶和牽引三道主要工序。熔煉是能否正常生產的前提，合理的熔煉工藝才能生產出優質潔凈的銅液;優質的銅液是獲得良好結晶組織的基礎，組織良好的管坯是正常牽引的保障，牽引程序和速度又反過來影響管坯的結晶凝固過程，也決定最終水平連鑄管坯的質量。為了獲得優質的管坯，必須制定合理的熔煉工藝參數，設計出良好的結晶器模具和循環冷卻水系統，選擇合適的牽引程序，需要重點研究。

TP2銅管坯水平連鑄不同于其他斷面鑄坯水平連鑄，其結晶器采用石墨內襯，外面為銅水冷套，內部有石墨芯［2］。結晶器伸入保溫爐內部，沒有分離環。如圖1所示。金屬液經由結晶器外壁上的進液口進入管腔。

圖1 空心管坯水平連鑄示意圖

2.1 工藝研究分析

正確選擇連鑄參數是水平連鑄工藝的核心內容。水平連鑄的典型生產工藝包括澆鑄溫度、起鑄、拉坯制度和牽引速度、冷卻強度。

2.1.1 澆鑄溫度

紫銅熔點1083℃。紫銅生產多采用40～80℃的過熱度或取液相點1.05～1.1倍作為澆鑄溫度。紫銅水平連鑄的鑄造溫度應選擇1150～1175℃之間，鑄造開始時將溫度升高到上限有利于銅液粘結在引錠頭上不會拉漏。當引錠頭離開結晶器后打開二次冷卻水，立即加料降溫，將澆鑄溫度控制在1150℃為宜，并保持連續鑄造過程溫度穩定［3］。

2.1.2 起鑄

起鑄是整個拉坯工藝的關鍵，起鑄過程有以下幾個要點:

(1)三重點溫度檢測。開澆后結晶器里是否進入金屬液主要是通過三重點溫度的上升情況加以判斷。

(2)起鑄等待時間。金屬液進入結晶器后，等待適當時間，讓金屬液與引錠杯凝固焊合。不然會在冷卻杯外延形成許多凝固毛刺，損壞結晶器，使拉坯阻力增大。等待時間過長，則會使水口中的金屬液凝固，產生凍死事故。

(3)起鑄拉坯速度。初期坯殼較厚，應采用低速平穩拉坯方式。但速度不能太低，以防止水口金屬液凍死。

(4)起鑄時的冷卻水量。金屬液一進入中間包，就將結晶器里的熱水換成冷水。流量要小于正常水量，以免冷卻過強，鑄坯凝殼厚，水口金屬液凍死。

2.1.3 拉坯制度和牽引速度

2.1.3.1 拉坯制度

拉坯制度是拉坯曲線和拉坯模式及其參數優化的組合。

(1)拉坯曲線。

拉坯曲線是指在“拉坯過程”中的時間-速度關系。目前使用較多的有正弦曲線與雙折梯形曲線兩種，前者波形產生容易，但啟鑄加速度為最大值，鑄坯凝固前沿坯殼易被拉裂;后者啟鑄加速度小，動載荷小，拉坯工作更可靠，但控制信號波形電路較復雜些。TP2銅管坯水平連鑄采用雙折梯形曲線如圖2所示。

圖2 拉坯曲線圖

(2)拉坯模式。

水平連鑄不同于弧形連鑄和立式連鑄，水平連鑄結晶器和保溫爐連在一起，因此其結晶器不能振動，拉坯機不能連續拉坯，若連續拉坯，則拉坯速度必須很小，才能保證鑄坯不被拉斷;而采用非連續的、周期性拉坯方式，拉坯速度可以提高很多，能顯著提高生產效率。常用的水平連鑄拉坯模式有三種:單反推式拉坯模式即“拉一停一推一停”方式，振蕩式拉坯模式即“拉一推一拉一推”方式和雙反推式拉坯模式即“拉一推一停一推”方式。而?100mm水平連鑄TP2銅管坯采用的拉坯模式是“拉-停-推-停-推-停”的新式雙反推拉坯方式，這種拉坯模式的特點是:

①先牽引鑄坯一段距離，然后停止牽引一段時間，使鑄坯凝固殼得到補縮并加厚。

②反推能及時補償初生鑄坯沿軸向的收縮量，減少鑄坯裂紋、縮孔與縮松等缺陷，同時可使初生坯殼松動，降低拉坯阻力。反推還能對鑄坯內部起一定的振蕩攪伴作用，同時還可將坯殼壓脹，減小坯坯與結晶器壁間的氣隙，提高結晶器的導熱能力。

③反推之后再次停止牽引一段時間，這樣使鑄坯凝固殼有充分的時間凝固加厚，使之具有足夠的強度而不致被拉裂。

(3)拉坯工藝參數。

在一個拉坯周期中，最基本的拉坯工藝參數是:拉坯距離、拉坯速度、反推距離、反推速度和三次停止時間。?100mm水平連鑄TP2銅管坯所用的牽引程序由程序1、程序2、程序3、程序5和程序8共同組成。

程序1和2牽引過程一樣，只有一次牽引和一次停止，程序1牽引管坯所用時間長，牽引之后停止的時間也最長，因此它的平均拉坯速度最小，所以程序1適用于連鑄剛開始起鑄階段。用程序1牽引鑄坯一定長度后改用程序2、程序3慢慢增大牽引速度，然后更換程序5牽引鑄坯，牽引的鑄坯質量比較好時，用程序8正常牽引，提高生產效率。剛開始用程序1牽引時，一次冷卻水流量要小一點，隨著牽引速度的提高，一次冷卻水流量慢慢增大。

2.1.3.2 牽引速度

牽引速度不能太快，因為高溫時，剛凝固的管坯抗拉強度很低，當拉應力大于抗拉強度時將產生裂紋;且牽引速度過快會出現充不滿和縮孔等缺陷，嚴重時甚至會出現拉漏。牽引速度太慢影響產品生產效率，使設備的生產能力得不到充分發揮。

牽引速度與銅液流入結晶器中的速度要相適應，是連鑄過程正常進行的重要條件之一。金屬銅凝固時間其斷面存在3個區域:固相區、凝固區、液相區，許多缺陷都是在凝固區內形成，所以凝固區的寬度對管坯的質量影響很大，由于不同的拉鑄速度會改變鑄錠斷面的溫度梯度大小，這是澆鑄速度作為水平連鑄的一個重要工藝制度的主要原因。由于不同拉速，其產生的液穴也不相同，管坯的液穴深度與鑄造速度成正比，隨著鑄造速度的增加，液穴深度加大，當液穴深度過大時，管坯內部處于液態。外表面管坯已進入一次冷卻區域，大的冷卻強度使管坯處于強烈的線收縮狀態。根據鑄造強度理論，紫銅在線收縮開始溫度到平衡固相點之間的有效結晶溫度范圍內，強度與塑性最低，在鑄造應力作用下產生裂紋，這就解釋了在高鑄造速度下容易產生管坯裂紋。水平連鑄TP2紫銅管坯在澆鑄過程采用“拉-停-推-停-推-停”高頻低幅循環拉坯工藝方式設計程序，其作用類似于振動作用在于使銅液與石墨模具間產生周期性的相對運動，加速晶體的游離，由于澆鑄工藝中加入反推加強了銅液充填枝晶間隙的補縮作用，提高管坯的致密度。拉錠時間越短，石墨套使用壽命越長，一般在不拉漏不拉裂的前提下盡量快拉。另外通過反推可有效防止氧化渣及凝固金屬粘附在石墨結晶器內襯上，減少摩擦力降低裂紋傾向。

2.1.4 冷卻強度

冷卻強度指管坯周圍的介質(冷卻水)在單位時間內導出的熱量(傳熱速度)。冷卻強度越大，管坯斷面的溫度梯度越大，管坯的凝固速度越快，水平連鑄管坯的冷卻強度主要取決于冷卻水的用量與水壓［4］。由于管坯在結晶器內的一次冷卻導出總熱量的15%～20%，其余熱量由二次冷卻導出，一次冷卻作用使管坯成型并有足夠厚度的凝殼能抵抗銅液的靜壓力、鑄錠與結晶器間的摩擦力和凝固的收縮力，使鑄造管坯不會變形與開裂。二次冷卻主要保證其余熱量的導出，促進軸向凝固使液穴淺平。當其它條件不變時增大一次冷卻散熱強度，一次冷卻水壓高，液穴深度隨之增大，凝固過渡段向爐口方向移動有拉裂管坯的傾向，不利于提高鑄造管坯質量;一次冷卻水壓過小，過渡區向遠離爐口方向移動容易拉漏。正常生產時，一次冷卻水流量2.5～4.5m3/ h。當其它條件不變時，增大二次冷卻強度可使液穴淺平，保證凝固過渡段向遠離爐口方向移動。因此在水平連鑄生產中，二次冷卻水流量5～7 m3/h，二次冷卻強度越大對管坯冷卻有利。采用小水量大溫差工藝，出水與進水的溫差一般為5～6℃，可以獲得大的冷卻強度，使石墨套壁溫度升高，減少鑄坯表面的熱應力，從而減少縱裂紋的產生。同時采用增加反推量的方法，還可以進一步減少或消除縱裂，因為反推可以減小拉坯阻力，壓脹鑄殼，減小氣隙并焊合熱裂紋［5］。

2.1.5 新拉坯工藝特點

(1)拉完之后緊推，可以及時補償初期坯殼的冷縮量，為熱點焊合制造更好的條件，減小鑄坯表面的冷隔熱隔等缺陷。

(2)推之后有較長的中停時間，使熱點有充分的冷卻時間從而使熱點加厚，使之具有足夠的強度而不被拉裂。

(3)中停之后有兩次反推，可以再一次補償中停時間冶金長度全長鑄殼的冷縮，并將鑄殼推松，降低拉坯阻力。

(4)在拉坯過程中有兩次鑄殼壓脹，更有利于減少結晶器內的氣隙，提高結晶器導熱能力。在一個拉坯周期中，最基本的幾個參數是拉程、推程、拉速、推速和中停時間。在拉坯過程中，預先確定拉坯周期中的中停時間(包括反推時間)與拉坯時間的關系，根據拉坯情況，適時地改變拉速、推速和周期。改變拉速能直接改變行程大小，改變推速能直接改變推程即反推力的大小。

2.2 水平連鑄工藝研究分析小結

本章節研究了水平連鑄過程中各個工藝參數對管坯質量的影響，重點分析了熔煉溫度，結晶器和牽引速度對管坯質量的作用，得到主要結論:

(1)TP2銅管水平連鑄的熔化爐溫度設定在1180～1200℃，熔化爐內銅液用鍛燒木炭覆蓋，覆蓋層厚度100～150mm。

(2)TP2銅管水平連鑄的鑄造爐溫度設定在1150～1175℃，鑄造爐內銅液采用鱗片石墨保護，覆蓋層厚度30～50mm。

(3)冷卻水的進水溫度不超過40℃為宜，出水與進水的溫差一般為5～6℃。正常生產時，一次冷卻水流量:2.5～4.5m3/h;二次冷卻水流量:5～7 m3/h。

(4)?100mm水平連鑄TP2銅管坯“拉-停-推-停-推-停”的高頻低幅循環雙反推新式拉坯工藝模式。

3 ?100mmTP2銅管坯水平連鑄工藝控制系統程序設計

3.1 伺服驅動系統基本結構和原理

全數字伺服系統一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三環結構。系統由美國科爾摩根M-807A-B伺服電機、BJP-11001位置編程、S640-0000伺服驅動器組成閉環步進式伺服系統，輸入的進給脈沖的數量、頻率、方向，經驅動控制線路和步進電機，轉換為銅管鑄坯的位移量、進給速度和進給方向，從而實現對位移的控制。

其工作原理簡單的說就是在開環控制的交直流電機的基礎上將速度和位置信號通過旋轉編碼器、旋轉變壓器等反饋給驅動器做閉環負反饋的PID調節控制。再加上驅動器內部的電流閉環，通過這3個閉環調節，使電機的輸出對設定值追隨的準確性和時間響應特性都提高很多。伺服系統是個動態的隨動系統，達到的穩態平衡也是動態的平衡［6］。

3.2 主要技術參數

牽引銅坯規格:3×?102/25mm

最大行程長度，前進或后退:0.2 to 100 mm(理論上沒有上限)

最小行程長度:0.2mm

牽引方向上的最大推動力:61000N

反牽引方向上的最大推動力:61000N

牽引速度范圍:0～500 mm/min

伺服電機:M805-A-B 78.7NM科爾摩根

位置編程器:BJP-11001

伺服驅動器:S640-00000

減速機:2S-1000;減速比51;輸出扭矩5800Nm

液壓缸:ZQ50/36X40 F1六套

3.3 水平連鑄牽引工藝主程序流程圖及編程

依據前研究?100mm水平連鑄TP2銅管坯澆鑄溫度、起鑄、拉坯制度和牽引速度、冷卻強度工藝特點。采用“拉-停-推-停-推-停”的高頻低幅循環雙反推新式拉坯工藝模式進行水平連鑄工藝控制系統程序設計編程(如圖3)。

圖3 水平連鑄牽引主程序流程圖

4 結語

提高水平連鑄產品質量是企業的迫切愿望，而影響鑄造管坯質量的因素是多方面的。筆者針對水平連鑄工藝研究和伺服系統特性，通過試驗研究和生產實踐，綜合多學科知識，研究設計了此精密銅管水平連鑄工藝過程電氣自動化控制系統程序。通過生產實踐，該系統優點:控制參數的整定和經驗數據的調整更加方便，并且可以在線修改，縮短了控制策略的實施周期，達到最佳的實用價值。同時，可提高管坯的致密度，降低管裂紋和氣孔問題，穩定質量，加快澆鑄速度，提高產品產量。

［1］王樂俊.銅管生產的工藝及其特點.上海有色金屬，1999，20 (1):22-25.

［2］鐘衛佳.銅加工技術實用手冊［M］.北京:冶金工業出版社，2007:408-409.

［3］周俊芳，王云龍.紫銅管坯水平連鑄的生產實踐.有色金屬加工，2009(5):14-15.

［4］鐘秋生，劉再勇.水平連鑄引拉紫銅鑄坯工藝初探［J］.有色金屬加工，2004(1):26.

［5］陳進方.TP2銅管坯水平連鑄工藝及缺陷研究.上海有色金屬，2009(3):112-113.

［6］張莉松，胡祐德，徐立新.伺服系統原理與設計(第3版)［M］，1999.9:30-31.

Horizontal Continuous Casting and Casting System Program Design of TP2 Tube Billets

MAO Jian-wen

(JCC Processing Business Division，Nanchang，Jiangxi 330096，China)

The horizontal continuous casting of TP2 copper tube is the first craft of producing high quality air-conditioner tube blanks with roll-casting process.Based on the process research of the three essential factors of casting theory，which including the casting temperature，casting speed and cooling intensity，combined with the characteristics of the Kollmorgen servo system，this article optimally designs the new cast-drawing process program for the horizontal continuous casting of TP2 copper tube.

TP2 copper tube;horizontal continuous casting;servo system;casting theory;new cast-drawing process program.

TG21

A

1009-3842(2012)02-0008-04

2012-02-08

毛健文(1970-)，男，江西上饒人，工程師，主要從事銅加工工藝設備電氣自動化研究及維修。E-mail:mjw0520@163.com