上引法生產大載荷水冷銅導體工藝探究

程敘毅，汪傳燦

（蕪湖長潤特種銅線有限公司，安徽蕪湖 241009）

大載荷流體冷卻用銅導體，是一種用于工業爐窯、發電機、整流器等大電流傳導中平衡電容的一種專用導體，因其需要承載大電流和持續發熱，所以需要進行冷卻，傳統的產品采用銅母線和銅管經過銅焊后進行使用，存在流程長，多道次加工，焊接不牢固，銅母線與銅管之間接觸面積小，導熱效果差以及成本高等眾多問題。本文所涉及利用上引連鑄法能夠直接生產一體成型的大載荷流體冷卻用導體，其中含氧量可達高純無氧產品要求，產品最大寬度達到350mm，氧含量≤10PPM，電導率≥58MS/m，公差≤±0.2mm，生產的產品具有表面光亮、性能穩定、安全可靠，導熱效率高等特點，直接用于工業爐窯、發電機、整流器等大電流傳導電容平衡設備，利用該方法生產具有生產工藝流程短、產品質量穩定，生產成本低、產品外觀好等特點。

圖1 常見大載荷導電體截面示意圖

1 主要設備及工藝

1.1 主要設備

上引爐、鋸切機

其中上引連鑄設備由熔化爐（單熔溝）、潛流槽、保溫爐（雙熔溝目的：確保爐內溫度均衡）、伺服控制鑄機和收卷機組成，此設備可生產寬度350mm以內的多種規格水冷銅導體。

1.2 工藝流程

陰極銅→熔化爐（融化）→過渡倉→保溫爐→連鑄機→鑄造成型→收卷或鋸切清理→包裝入庫

主要流程為：陰極銅直接加入上引組合爐中的熔化爐，經工頻感應熔煉成銅液，熔化后銅液經過潛流式過渡倉，平穩的潛流到具有較好保溫效果的雙熔溝保溫爐中，保溫爐表面覆蓋石墨片，熔化爐表面覆蓋木炭，銅液在木炭的作用下還原，然后銅液在保溫爐中通過上引伺服連鑄機中的結晶器將銅液快速結晶成所需形狀鑄坯，同時經過伺服連鑄機上的牽引軋輥將其向上牽引，鑄坯從伺服連鑄機牽引機構引出后，經過導向架、收線限位裝置導入收卷機或進行在線鋸切定尺，最后進行包裝入庫。

2 產品質量要求

產品表面光潔，無裂紋、毛刺、砂眼等，通水孔四周厚度均勻，氧含量≤10PPM，電導率≥58MS/m，公差≤±0.2mm。常見產品截面形狀如圖1所示。

3 過程控制及要求

3.1 原料要求

在上引法中，原料對于產品質量控制存在舉足輕重的作用，一般對產品性能影響較大的如Pb、As、Sb、Bi等雜質元素在熔煉工序基本不會混入，我們這里采用的是國標1號標準銅，Cu+Ag不小于99.95%，且表面潔凈、無油污、粒子、銅豆、銅綠等現象，并確保其干燥貯存。

3.2 熔煉工序

熔煉過程，我們采用的是500Kg熔化爐，入爐前先將電解銅放置在熔化爐上方進行烘烤、干燥，對表面有害附著物進行清除，利用專業吊具緩慢加入爐內，這一過程主要注意的是保證銅料干燥、干凈，同時在銅液表面覆蓋100-150mm的木炭進行隔氧，確保保溫爐液位波動不大于±5mm，定期清理木炭灰。

3.3 工裝準備

上引法生產大載荷水冷銅導體工裝主要有結晶器，與上引法生產無氧桿結晶器存在一定區別，我們這里采用的結晶器是兩處進水和兩處回水設計，使冷卻水循環速度和循環效率大大增強，冷卻均衡。結晶器示意圖如圖2所示。

結晶器準備第一步就是查看結晶器外觀是否變形，快速接頭及焊縫處是否漏水或滲水現象，然后將石墨模具進行打磨安裝，使其盡量貼合冷卻壁，一般貼合率不小于70%，對于有變形的結晶器采用石墨粉填充的方式增加接觸面，最后將端面用硅酸鋁纖維、玻璃纖維帶扎緊，安裝保護套，并將石墨模具與保護套之間的縫隙用石棉填充。

圖2 結晶器示意圖

3.4 鑄造工序

鑄造過程，我們采用的是300Kg+300Kg雙保溫爐，采用雙熔溝保溫爐是為了使溫度更加穩定,銅液上部覆蓋石墨鱗片80-100mm，主要作用是隔絕氣體和保溫，鑄造前，要將安裝好的結晶器接上進出水管，石墨模具一端在爐口進行充分烘烤，同時觀察期是否漏水，然后將引導排從結晶器上口安裝至離石墨模具下端面5-10mm處，從上口加入石墨鱗片至結晶器高度三分之一處；鑄造時，結晶器上的石墨模具在保護套的包圍下插入銅液中，保護套上口與銅液液面距離約30-40mm，銅液上下波動控制在±5mm以內，此外，鑄造溫度、鑄造速度、冷卻溫度等工藝參數對產品質量保證也非常重要。

3.4.1 鑄造溫度

鑄造溫度即保溫爐溫度，我們采用的是雙熔溝保溫爐，因為對于水冷銅導體這種截面積較大的的產品來說，溫度較上引法生產無氧桿波動大，雙熔溝有利于溫度的控制；鑄造溫度可以說對產品質量起著決定性作用，因為溫度過高會導致結晶過程變慢、銅液吸氣大量增加，造成鑄坯上存在氣孔缺陷，且晶粒粗大，此外，溫度高也導致能耗較高；鑄造溫度過低將出現銅液流動性不足，兩側冷卻面積大的地方出現不能及時補充收縮，嚴重出現裂紋、冷隔、穿孔、拉斷，甚至因阻力大而無法牽引。

3.4.2 鑄造速度

我們知道，上引連鑄是利用真空將熔體吸入結晶器，銅液經過石墨模具與冷卻水進行熱交換，實現冷卻與凝固，同時牽引裝置不停的向上牽引，實現連續鑄造。鑄造過程中，鑄坯由兩邊向中間逐步冷卻，兩側冷卻接觸面積大，速度過快會導致形成如圖3所示快速牽引時結晶紋形狀倒立式圓弧狀結晶紋，導致晶粒粗大，甚至出現中間未充分冷卻，來不及結晶而導致中心拉漏或孔洞；速度過慢會造成過度冷卻，表面與結晶器摩擦增大導致鑄坯表面裂紋，損傷模具，增大牽引力，甚至出現損傷模具，造成牽引失敗。

圖3 不同速度結晶紋形狀

3.4.3 冷卻強度

冷卻強度大小與產品質量是密不可分的，冷卻強度大，晶粒細，性能好，但是也要與鑄造速度和鑄造溫度進行合理搭配，避免出現冷卻強度過大或過小導致產品質量問題或者牽引失敗，增加冷卻水強度主要方法有降低冷卻水進水水溫，增大冷卻水水壓等。實踐中我們采用自循環式低硬度冷卻水，冷卻水回水通過冷卻水過濾裝置，保證水質清澈、無雜質，降低結晶器結垢的概率。冷卻水進水水溫一般控制在35℃以下，水壓控制在200-300Kpa。

通過生產實踐，我們總結出以下工藝參數，經過規范、合理的操作，可以生產出符合要求的產品，具體如下：

熔化爐溫度：1090-1180℃

保溫爐溫度：1130±5℃

進水溫度：28-35℃

出水溫度：40-50℃

水壓：200-300Kpa

節距：1-2mm

引速：30-50mm/Min

以上參數參考截面積在2000-8000mm2產品進行生產，實際生產中對于不同規格及形狀還需進一步調整，一般隨著產品截面厚度大于10mm的采取牽引速度不大于35mm/Min，產品截面厚度小于10mm的采取牽引速度上限為50mm/Min，同時截面越復雜的牽引速度取下限。作為大載荷水冷導體，最重要的是產品組織要致密，不能有裂紋、氣孔、沙眼等缺陷，所以在生產過程中應根據具體規格及出現的問題及時進行調整，對產品進行封閉試壓、試水檢測。

實踐證明，做好各工序的過程把關，嚴格按照工藝要求進行操作，生產的產品具有表面光亮，公差一致性好，無需進行二次銑面，產品通水部分不滲水、不漏水，可直接用于工業爐窯、發電機、整流器等大電流傳導電容平衡的導體使用，同時氧含量可達到無氧水平，熱傳導效率高，大大提高了工效和經濟效益。此外,該套設備還可以生產帶坯,與水平連鑄相比,不需銑面,直接進行軋制,成材率高。