銅粉對連鑄連軋銅桿性能影響淺析

何坤鸝

(中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031)

1 引言

銅線材的廣泛應用，加之國內城市電網改造進度加快，高速鐵路快速增長以及國內家電、汽車、房地產等行業迅速發展使得在中國銅材消費結構中，線材所占比例較高[1]。截止2012年，銅線材產品產量占全年銅加工材總產量的39.4%[2]，是所占比例最高的銅加工產品，這種增速雖然略有緩解，但是并沒有動搖銅線桿消費的主導地位。從2008年至2013年，國內新增引進連鑄連軋[3]銅桿生產線26條，其中引進美國南線SCR連鑄連軋銅桿生產線16條，引進德國西馬克CONTIROD連鑄連軋銅桿生產線10條。截止2013年，國內引進連鑄連軋銅桿線新增生產能力將超過600萬t。國內銅桿消費企業主要集中于電線電纜企業，其次是漆包線企業。電線電纜企業對銅桿產品質量的要求相對較低，漆包線企業對銅桿的表面質量和拉伸性能有較高要求。銅線桿產品質量是影響市場定位的主要指標。

2 銅粉在銅桿后續拉伸加工中的影響

銅桿中銅粉量多將影響后續拉伸深加工中模具的潤滑[4]。一是在拉絲機拉絲過程中影響工作效率，表面質量受影響。銅桿進入拉絲模具經過錐形壓縮區擠壓變形后拉伸為銅線。銅桿組織中的氧化物顆粒在拉拔力和模具摩擦力的作用下，從銅線表面剝離形成銅粉，銅粉顆粒在銅線表面受到徑向壓力，在模具的定徑區 (圖1)入口形成堆積。壓縮區是銅桿在模具內產生主要變形量的區域，如果潤滑不良，堆積的銅粉顆粒在摩擦力作用下，在銅線表面留下摩擦痕跡，形成銅線表面擦傷，進而影響銅線的表面質量[5]。圖2、圖3為銅線表面放大圖，可以明顯看到擦傷的銅線表面形成了不規則的凹坑。二是在反作用力的作用下，模具本身也受到銅粉顆粒的摩擦，模具表面也出現擦傷甚至磨損，降低模具使用壽命，增加拉絲潤滑液的過濾負擔。

圖1 拉絲模具結構圖

圖2 銅線表面20X放大圖

圖3 銅線表面50X放大圖

圖4 拉絲機成品模具剝離銅粉

銅桿中銅粉量將影響漆包線產品質量。由于銅粉造成表面擦傷的銅線進入到漆包線加工中，在擦傷處可能形成小凹坑，涂漆后，在凹坑部位會產生汽包粒子，影響漆膜均勻性，在高電壓的作用下，漆膜上的汽泡粒子處容易被破壞，造成電壓擊穿，降低漆包線的電性能[6]。

3 銅粉產生的原因

銅桿的銅粉量出現在兩個方面:一是通過銅桿銅粉測量得到檢測銅粉量(如圖5是扭轉檢測后銅桿表面剝離的銅粉顆粒);二是銅桿在后續拉伸過程中產生的銅粉量(如圖4是拉絲機中產生的銅粉顆粒)。實際生產中，銅桿生產企業常以檢測銅粉量作為衡量銅桿銅粉量多少的依據。

銅桿檢測的銅粉含量是指，取長350～400mm的銅桿試樣在扭轉速度為30r/min的扭轉機上經過正負10轉扭轉以后，表面脫離的銅粉含量(見圖5)。根據國標《GB/T3952－2008電工用銅線坯》[7]規定，衡量銅桿產品質量的主要指標有:拉伸性能、扭轉性能、含氧量、表面質量、銅粉量等。此版本國標新增了銅線坯銅粉量的測定方法為桿刷法[7]，并規定了φ8mm連鑄連軋法生產的低氧光亮銅線坯銅粉含量指標，詳見表1。

表1 銅粉量指標及等級列表

了解銅粉在連鑄連軋銅桿中的分布情況，能夠幫助理解銅粉產生的原因。為此，設計一實驗，選用同一卷銅桿作為試樣，采用不同測量方法測量連鑄連軋銅桿的銅粉量(表2)。實驗結果表明銅粉是分布于銅桿表面及次表面的銅氧化物顆粒，兩種方法測量的銅粉量范圍越寬，說明銅粉分布的位置越靠近中心組織，越有可能在漆包線生產過程中影響到漆包線的質量。因而，此時產生銅粉的主要原因是:鑄造過程中鑄坯表面的氧化物或者軋制過程中的氧化物被重新軋制到銅桿的次表面(如圖6)，在后續加工過程中剝離形成銅粉。

表2 兩種銅粉測量方法結果對比

圖5 銅桿扭轉后銅粉剝離

圖6 氧化物重新軋入銅桿表面50X放大圖

氧化物重新軋進銅桿表面的原因:(1)軋機乳液沒有在軋輥表面形成有效的潤滑膜，增加摩擦和磨損。氧化物附著在軋輥表面，附著的氧化物在不斷的軋制中又重新進入到軋制料的內部。這種氧化物重新進入到軋制產品內部，存在于結晶組織間，和結晶組織的粘合性差，后續的加工過程中容易脫落，就形成了拉絲過程中產生的銅粉。 (2)乳液過濾系統不能充分過濾，乳液從軋輥沖刷下的氧化皮重新進入到軋機中循環，乳液中的氧化皮有可能重新軋制到銅桿表面。(3)清洗線溶液中的乙醇對去除氧化物起到一定作用，乙醇在銅的催化下氧化反應生成乙醛和水，將銅的氧化物還原成銅，適當控制乙醇濃度能減少銅桿表面的氧化物。

4 降低銅桿銅粉量的措施

根據銅粉產生的原因，采取針對性措施，有效減少銅粉含量。

(1)軋機軋輥的粗糙度是影響軋制中銅桿銅粉量的一個主要因素。軋輥是軋制過程與銅軋制坯料直接接觸的主要部件，軋輥表面影響銅桿表面質量。在軋機各道次使用噴砂或者噴丸軋輥，軋輥表面經過噴丸或者噴砂處理后，軋輥表面有一定粗糙度。相應軋制后銅桿表面也具有一定的粗糙程度，可增加銅桿表面積，乳液更能充分清洗軋件表面氧化物，有利于提高乳液冷卻清洗效果，可降低在軋制過程中產生的氧化物重新軋入銅桿幾率，從而達到降低后續深加工產生的銅粉量。有一定表面粗糙度的軋輥有利于銅桿表面氧化物的剝離。為了驗證這個理論，分別選擇表面粗糙程度不同的兩批軋輥，一批是表面光滑的軋輥，生產的1#銅桿表面(圖7)有少量凹陷但相對光滑，通過拉絲機后生產的1#銅線表面 (圖8)有小擦傷;一批是表面粗糙的軋輥，生產的2#銅桿表面 (圖9)有較密集凹陷，并相對粗糙，通過拉絲機后生產的2#銅線表面 (圖10)相對光滑，表面質量明顯更好(詳見表3)。經過實際生產證明:除最后兩道次軋輥使用光面軋輥外，其余各道次均使用噴丸噴砂軋輥，可明顯降低拉絲過程中產生的銅粉量，能夠滿足高速漆包線企業的生產要求，有效提高成品率。經過生產試驗和用戶驗證，在銅桿軋制過程中銅桿表面粗糙的銅桿比銅桿表面光滑的銅桿潤滑效果更好，由此工藝生產的銅桿在拉伸過程中產生更少的銅粉，尤其漆包線生產中表現出穿刺頻率明顯降低。

表3 在軋制過程中采用兩種不同粗糙度工藝生產的銅桿和對應生產銅線表面微觀對比

(2)保證乳液真空過濾器過濾效果，定期清理乳液池中的氧化皮，降低乳液中氧化皮的含量。

(3)控制清洗液中乙醇濃度，適當控制清洗液的壓力和流量，能有效控制銅桿表面氧化膜厚度。

5 結語

普通電線電纜企業對銅粉含量的要求不高，銅粉含量能達到8～12mg，均能滿足這類企業的生產要求。但對于高端漆包線企業而言，這個標準遠不能滿足正常生產的需要，因此銅桿的銅粉含量控制在6mg以下，才能保證高端漆包線的產品質量和生產效率，降低生產成本。國內已經有部分銅桿企業已經能夠將銅粉含量穩定控制在3mg左右。

銅桿質量的優劣，決定著下游拉絲產品的等級。質量優異的銅桿，可以生產出品質優良的高端拉絲產品;反之，質量一般的銅桿，生產的拉絲產品質量檔次就低。銅桿是電線電纜和漆包線的主要原料，下游用戶對銅桿的性能要求主要集中于銅桿的表面質量和銅桿的拉伸性能。優質的銅桿可以穩定占領多頭高速漆包線的高端市場。普通電線電纜企業用銅桿，由于產品直徑大、電纜表面質量要求低而影響不明顯。生產微細銅線的企業選用的銅桿，為降低斷線率，提高生產效率和產品質量，同樣對銅桿拉絲過程中產生的銅粉量有較高要求。

當前國內銅桿年產量日益增加，產能過剩將愈加明顯，下游用戶對銅桿產品質量日益嚴格，市場競爭更加激烈。如何才能穩定占據高低端用戶市場地位的壓力已經落到攻克產品質量的任務上。提高銅桿產品質量，成為銅桿市場競爭的主要手段。

[1]趙新生.銅線桿生產現狀和發展趨勢[J].中國有色金屬，2011(18):38－39.

[2]馬世光.中國銅鋁加工產業現狀及關于銅加工發展的幾點討論[M].2014年中國銅加工產品及裝備發展研討會文集，中國有色金屬加工工業協會，2014:1－8.

[3]何坤鸝.Contirod和SCR工藝生產銅桿鑄造原理分析[J].有色冶金設計與研究，2012(4):38－40.

[4]楊玉林.淺談銅線拉伸乳化液的使用及維護[J].銅業工程，2013(6):70－77.

[5]肖洪量，危利民.淺析銅桿表面銅粉的形成機理及關鍵控制環節[J].銅業工程，2012(5):1－3.

[6]鄭穎.探討漆包線生產對銅導體質量的要求[J].電線電纜，2013(1):20－23.

[7]GB/T3952－2008.電工用銅線坯[S]:1－6.