電工用銅線坯SCR連軋變形過程分析

劉青松，裴英豪，黃貞益，王 萍，施立發

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽馬鞍山 243000；2.安徽工業大學 冶金工程學院，安徽馬鞍山 243000）

引言

電工用銅線坯是制作電線電纜重要的中間坯料[1]，其產品質量直接決定著成品電線電纜品質的高低。SCR連鑄連軋工藝是目前生產電工用銅線坯最主要的工藝方法之一[2]。生產過程中連軋工藝波動是影響銅線坯力學性能及表面質量重要因素之一[3]。扭轉測試（TTF）是檢驗銅線坯力學性能的重要方法，也是評價后續銅線拉拔性能重要手段之一[4]。國內外企業與學者對銅線坯表面質量與扭轉性能也有大量研究，江海濤等[5]利用掃描電鏡和拉伸試驗機研究了SCR4500生產線銅桿組織和性能的轉變，結果表明銅桿經過多道次軋制組織發生明顯細化。攸駿等[6]通過實驗分析確定了SCR坯料中的氣孔是導致銅線坯及成品銅桿產生表面缺陷的主要原因。彭云等[7]通過對雜質元素氧進行深入研究，確定了銅線坯中氧含量與扭轉次數的關系，并提出了改善電工用銅桿質量的措施和方法。以上學者多從成分、組織及冶煉工藝等方面對銅線坯質量進行研究，對SCR連軋工藝研究的文獻相對較少。

本研究以SCR3000連軋實際生產工藝為研究對象，借助有限元模擬軟件MSC.superform對電工用銅線坯8道次連軋過程進行有限元模擬，分析SCR連軋過程對銅線坯表面質量及扭轉性能的影響。

1 有限元模型建立

電工用銅線坯連軋屬于大變形金屬塑性成型，軋件材料選取氧含量0.025%的低氧銅，熱物性參數如表1所示。

表1 低氧銅材料熱物性參數

低氧銅變形抗力采用Johnson-cook模型，如式（1）所示。

式中，σs為變形抗力；ε˙為變形速率；ε為變形程度；T為變形溫度。

SCR連軋孔型系統為“橢圓-圓”系統，由于連軋過程為對稱軋制，整個模型采用1/4軋件和1/2軋輥進行建模[8]。考慮到計算效率和精確性，連軋8道次采用分別建模，坯料經4道次軋制之后對軋件進行切片取斷面，作為后4道次軋件斷面形狀[9]，整個模型軋輥間距120 mm，具體模型如圖1所示。

圖1 四道次連軋模型

模型軋件兩對稱面采用位移約束，坯料初始溫度為770℃，環境溫度25℃，軋輥溫度40℃，功熱轉換系數取0.9[10]。軋件與軋輥采用剪切摩擦類型，摩擦系數根據式（2）計算[11,12]。

式中，f為摩擦系數；α為表面系數；T為軋制溫度。

2 模擬結果與討論

計算結束后截取軋件各道次軋后斷面積與實際面積進行對比，二者吻合較好，面積最大差值不超過2.5%，模擬結果能較準確地反映軋件實際變形情況及工藝參數變化規律。

2.1 溫度場分析

模型軋件中節點較多，選取軋件截面5個典型的節點進行溫度場分析，節點分布如圖2所示。

圖2 軋件的不同部位

圖3給出了典型節點溫度隨增量步的變化規律。從圖3中可以看出，軋制之前軋件各部分溫度保持一致，隨著軋制的進行軋件中心和1/4厚度處與表面溫度差異逐漸增加，軋件中心溫度保持在690℃～800℃范圍，軋件表面溫度在520℃～680℃范圍內，這主要由于軋制過程中軋件與軋輥表面接觸換熱造成；隨著軋制道次增加軋件中心溫度逐漸升高，連軋前4道次中心溫度上升15.3℃，后4道次中心溫度上升21.2℃，這主要由于金屬塑性變形過程中塑性功和摩擦功轉化為熱量導致溫度升高；在中心溫升及表面溫降共同作用下軋件1/4處溫度較為穩定；軋制結束后整個軋件溫度逐漸趨于一致。

圖3 軋件不同部位溫度變化

2.2 軋制力學性能分析

圖4為軋制過程中各道次軋制力隨增量步的變化曲線。從圖4中可以看出，軋件從自由狀態到與后機架連軋關系建立過程中軋制力都有一個階梯狀變化。前4道次連軋過程中，軋件從自由狀態到與第3機架連軋關系建立，軋制力下降了2.8 kN；軋件從3、4機架連軋狀態到第4機架自由軋制狀態，第3機架軋制力增加了4.1 kN，變化量超過25%。由此可以說明軋件在連軋1至4機架間存在較大張力。而軋件在5至8機架間連軋關系建立時軋制力波動相對較小，軋件從第7、8機架連軋到自由軋制狀態軋制力下降了0.65 kN，因此可以判斷軋件在連軋5至8機架間處于相對理想的連軋狀態，但第7、8機架間存在著微推力軋制狀態。

圖4 軋制力隨增量步的變化

圖5為軋制過程中各道次軋制力矩隨增量步的變化曲線。從圖5中可以看出，軋件在各機架連軋關系建立過程中軋制力矩都有一個階梯形變化的趨勢。軋件從第1機架到與第3機架連軋關系建立時軋制力矩下降了48.3%；而第3機架從連軋狀態到軋件自由軋制，軋制力矩降低了55.5%；連軋過程中由于第6、7機架間張力及7、8機架間推力，導致第7機架軋制力矩較自由軋制狀態增加了33.3%。機架間推拉關系分布的差異，導致軋件在連軋關系建立后機架間載荷差異較大，部分機架載荷的異常增加會限制連軋產線生產能力的發揮。

圖5 軋制力矩隨增量步的變化

2.3 軋件損傷分析

韌性損傷破壞是金屬塑性成型過程中的重要問題[13]。Cockroft-Latham破壞準則可以準確描述金屬不同變形條件下韌性損傷破壞的分布，具體公式如式（3）所示。

其中：σmax分別是最大主應力和等效米塞斯應力；εf為斷裂時臨界等效應變˙為等效塑性應變率；C為材料的斷裂伐值。

軋件典型節點損傷值隨增量步變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著軋制道次的增加軋件典型節點處損傷值均呈階梯狀增加，第1至4機架連軋結束后軋件表面Y方向損傷值為4.98，X方向損傷值為4.77，而中心處損傷值為0.54。經8道次軋制后軋件表面Y方向累積損傷值為7.18，X方向累積損傷值為6.71，中心累積損傷值為0.877，軋件表面1/4處損傷與中心處損傷較為接近。因此軋件在連軋過程中表面較中心更容易損傷，軋制結束后各道次損傷逐漸累積易使得軋件表面形成加工缺陷，影響成品性能。

圖6 軋件不同部位損傷變化

圖7為連軋結束后軋件損傷分布。

圖7 軋制后軋件斷面損傷分布

2.4 扭轉裂紋形成原因分析

連軋過程中各道次軋件斷面積結合軋制速度計算出的連軋機架間堆拉率如表2所示。由表2中可以看出，SCR連軋8機架間堆拉關系存在較大差異。其中第1、2機架間，2、3機架間，6、7機架間處于張力軋制狀態，特別是第1、2機架間和2、3機架間堆拉率均大于5.5%，遠大于線材連軋微張力軋制堆拉率0.2%～1%的范圍，軋件在機架間受到較大的張力作用；第3、4機架間，5、6機架間，7、8機架間存在微推力軋制狀態。

表2 連軋各機架工藝參數

銅線坯在SCR連軋過程中由于軋件表面與軋輥之間熱交換，軋件表面溫度在520℃～680℃范圍內波動。圖8為低氧銅材料塑性圖，由低氧銅材料斷面收縮率隨溫度變化曲線可以看出，銅線坯連軋過程中表面處于低塑性區域，延伸率和斷面收縮率均在40%以下。銅線坯表面較低的延伸率在SCR連軋機架間大張力作用下易形成微裂紋缺陷，裂紋在后續機架軋制過程中難以焊合被保留下來，成為影響電工用銅線坯扭轉性能的潛在缺陷。

圖8 低氧銅材料塑性圖

3 結論

（1）電工用銅線坯在SCR連軋過程中受表面與軋輥熱交換影響，軋件表面溫度較低為520℃～680℃。

（2）SCR連軋過程中第1、2機架間和2、3機架間堆拉率分別為6.20%、5.67%，使得軋件在機架間受到較大的張力作用；

（3）軋件經8道次連軋表面Y方向累積損傷值7.18，X方向累積損傷值為6.71，中心累積損傷值為0.877，軋件表面1/4處損傷與中心處損傷較為接近。

（4）銅線坯表面較低的延伸率在SCR連軋機架間大張力作用下易形成微裂紋缺陷，裂紋在后續軋制過程中難以焊合，形成影響電工用銅線坯扭轉性能的主要因素。