高效連鑄結晶器銅管制造與修復工藝淺析

劉建忠，張 毅

（中冶東方工程技術有限公司，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

連鑄機實現高效連鑄的核心目的就是在保證鑄坯質量的前提下通過提高拉坯速度，進而實現提高產能，多錐度結晶器銅管這一部件則是連鑄機的心臟，擔負著將液態鋼水凝固成所需坯型的主要任務，而這種結晶器銅管又存在著剛度較大、不易變形，制造成本較高、難于修理等優缺點并存的問題。

如何保證結晶器銅管的制造方法能適應現代高效連鑄的需求，并具備制作簡單降低成本、修復廉價便于拆卸等優點，則是現代結晶器銅管成型技術的重要研究課題。

1 國內現行結晶器銅管制造工藝

國內現行結晶器銅管制造方法主要有：機械切削擠壓成型和爆炸成型兩種工藝。

1.1 結晶器銅管簡介

結晶器銅管是結晶器的核心，主要由純銅錠或銅合金（如含銀0.08～0.12%的銀銅合金）材料制作，內層為高性能金屬鍍層 （0.08～0.1 硬鉻或鍍鎳合金），長度約為700～1000mm （一般控制在850mm 和900mm 之間），壁厚一般控制在坯體規格的8～10%，一般按照下限選擇較為合理，內圓角半徑一般控制在6～8mm，內腔多為單錐度、雙錐度及多錐度等幾種，因高速拉伸連鑄機鑄坯在結晶器銅管中的凝固收縮規律與多錐度結晶器銅管內腔形狀非常接近，因此現行設計多采用多錐度結晶器銅管以提高連鑄機拉速，尤其在多鋼種澆鑄中更具有優勢，能有效提高連鑄拉坯生產效率。

結晶器銅管作為連鑄機的重要部件，應具備以下特性：①具有良好的導熱性能且內表面耐磨損、多錐度幾何形狀；②具有較好的結構鋼性：高強度、高硬度、散熱好；③有較好的耐高溫、耐腐蝕和抵抗熱應力的性能；④質量要相對較輕，便于拆卸和調整，易于加工制造。

1.2 機械切削擠壓成型基本原理

機械切削擠壓成型主要采用凸、凹模在臥式或立式壓力機（300 噸以上）擠壓成型，斷面尺寸較大的結晶器銅管，通常要求壓力機的壓力要達到至少800 噸，并且要多道次擠壓成型。工藝流程：原料銅錠→加熱→擠壓→冷拔→退火→矯形→成品。

結晶器銅管制作工藝的關鍵是銅管與模具的貼合性，即銅管的內腔尺寸要完全符合模具的制作精度。機械切削擠壓成型在加工過程中有幾個關鍵技術難點，主要因素有兩點：①壁厚變形量的選擇。若銅管在擠壓過程中變形量選擇小了，銅管內表面不能產生足夠的塑性變形，造成銅管不貼模；變形量選擇大了，擠壓阻力增大，易把成型后的管壁拉直，所以選擇合適的擠壓變形量是影響銅管內腔精度的關鍵；②銅管成型的應力變形控制。壁厚較大的銅管，在擠壓變形中，內外表面的變形量不一樣；外表面的金屬被拉的很長，而內表面變形較小甚至有的局部沒有變形，這就造成了銅管中存在著很大的內應力，在銅管的后續機加工時，這些應力會釋放出來而引起銅管變形，所以在銅管成型過程中要采取適當的工藝措施，消除內應力，得到合格產品。

1.3 爆炸成型基本原理

爆炸成型是指利用可控的化學爆炸能量使金屬加工成所需的形狀所進行的加工作業。爆炸成型可追溯到1876年，據今已有近140年歷史，最初就是利用火藥爆炸研究鐵板和鋼板承受沖擊壓力的行為研究，后又借助鏤花模板和鋼絲網模塊在金屬表面雕刻圖案等都是人類從事爆炸成型的早期案例。目前金屬爆炸成型的范圍主要包括成型、校形、脹形、翻邊、雕刻、壓絞、粉末壓制成型、焊接、表面硬化和切割等。

在金屬爆炸成型領域應用中的爆炸是在限定的條件下受控的爆炸形式，其具有獨特的理論體系和工程條件。工藝流程：原料銅板→加熱→擠壓焊接→裝模→爆炸成型→脫模→成品。

采用爆炸成型技術加工連鑄結晶器銅管，就是利用敷設在毛坯材料表面炸藥爆轟所釋放出來的巨大能量，對結晶器銅管管坯進行加載，使管坯材料獲得足夠的能量向芯模表面高速碰擊，當管坯材料與芯模完全貼合時，管坯材料的高速運動停止，結晶器銅管管坯內腔則形成與芯模形狀完全一致的型腔。這種爆炸成型是一種使毛坯材料在三向壓應力狀態下發生塑性流動的爆炸壓縮成型。

2 國內現行結晶器銅管的修復工藝

結晶器銅管也有使用壽命，達到一定過鋼量后，結晶器銅管內層會造成銅管內腔鍍鉻層及銅管壁多錐度內表面磨損和劃傷、橫截面變形等缺陷，影響拉坯速度及質量效果，必須采用更換或修復的方式保證連鑄機過鋼速度和質量。

現行結晶器銅管修復技術方法主要依然是依靠 “機械切削擠壓修復成型” 和“爆炸修復成型”。

2.1 機械切削擠壓修復成型基本原理

工藝流程：選材→檢驗→酸洗退鉻→退火→擴孔→收口→擠壓→打磨→修整→電鍍→成型。在經過選材、酸洗退鉻、退火等工藝流程的基礎上，以液壓機裝芯模入銅管內，通過凹模減壁延伸擠壓、機加修整、電鍍成型。缺點是制作精度低、耗材大。

2.2 爆炸成型修復基本原理

工藝流程：選材→檢驗→酸洗退鉻→裝模→爆炸塑型→脫模→電鍍→成型。爆炸成型修復技術具有針對復雜內腔形狀連鑄結晶器銅管修復的理論依據和實踐經驗，所生產的結晶器銅管在修復后，無論是管坯的內腔精度還是銅管材質的硬度都會有一定程度的提高，有效增強管坯使用的壽命，與機加方法相比能更好的降低修復加工成本。

3 機械切削擠壓成型與爆炸成型方法綜合對比

經有關實驗資料查詢總結，爆炸成型及修復主要具備以下特點：

3.1 優點

（1）高能率、高性能：單位克炸藥爆炸所釋放的能量達幾千焦耳，而炸藥爆炸的時間多在微秒量級，因此在短時間內釋放出如此高的能量可形成一段有效的高能率過程，產生壓力十幾吉帕，溫度可實現高達數千度，形成高溫高壓的材料形成條件，進而對材料的物質形態和金屬晶體變化都造成影響，為材料的新工藝、新性能創造條件，爆炸成型可有效強化工件硬度，延長工件使用壽命。

表 機械切削擠壓成型與爆炸成型方法綜合對比

（2）高效益、高效率：由于爆炸產生的壓力高、時間短，因此材料成型速率快、效率高；爆炸成型一般不需要復雜的安裝設備，可以有效節省制作成本及修復成本。

3.2 不足

（1）爆炸成型受炸藥爆炸效果制約，涉及到藥量的控制、炸點的分布、周圍環境等因素的制約。

（2）爆炸成型要求銅管與芯模間保持真空狀態，因此需設置密封裝置、抽真空裝置及相應工序。

（3）爆炸成型的應用范圍：①形狀復雜的加工部件，特別是材料工件形狀、尺寸復雜、強度硬度高難以有效加工的零件及和所需承受的加工壓力大、車削工序繁瑣，對加工設備的能力要求特別高的高強度耐熱材料；②實現某些機械加工方法難以實現的加工手段并可保證嚴格的制造工差，獲得較好的表面光潔度；③通過調整工件表面的整體爆炸壓力分布，可充分發揮出金屬的延展伸縮性，節省機械成型所需中間退火、車削修正等工序，有效避免機械成型時可能產生的局部應力集中現象。

4 結論

采用爆炸成型技術生產和修復結晶器銅管具有高效、節能、成本低、精度高等特點，應用這一技術不再使用大型壓力設備和大型數控加工機床，僅在專用爆炸成型裝置上，以廉價的炸藥為能源，便可實現形狀復雜、尺寸精度和表面光潔度要求很高的結晶器銅管。

在新材料、新工藝發展的時代，爆炸成型有著傳統加工工藝無法取代的重要作用和巨大潛力；充分利用并發揮好爆炸成型所產生的高溫、高壓是實現爆炸成型的動力和條件，而材料在高溫、高壓下發生的不同變化是爆炸成型所產生的各種效果的直接體現，爆炸成型是一個多學科相互交叉、相互滲透的高科技技術產業，未來應有很廣闊的應用前景。

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