利用哈銅原料上引連鑄無氧銅桿的研究

熊 濤，陳享珊

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部銅材公司，江西貴溪 335424）

上引連鑄無氧銅桿由于具有生產(chǎn)工藝獨特、加工性能良好、投資少、啟動快、生產(chǎn)工序簡化等特點，近年來國內(nèi)發(fā)展勢頭迅速，且以中小型企業(yè)應用居多。與傳統(tǒng)工藝相比，上引法生產(chǎn)工藝短，省掉了切頭、切尾、退火和酸洗等工序，且盤重大，生產(chǎn)品種規(guī)格靈活多樣，成材率高，表面光亮，含氧量低，導電率高，金屬損耗和單位能耗少，“三廢”污染少，生產(chǎn)成本低，是銅導體及銅材加工的理想工藝[1，2]。

2008 年，某公司一次性成功投產(chǎn)4 臺上引工頻有芯感應爐，主產(chǎn)品為?8.0mm 無氧銅桿，設計年產(chǎn)能為2 萬噸[3]。建廠初期，為了降低成本能耗，該公司曾試用哈薩克斯坦電解銅（以下簡稱哈銅）。上引連鑄無氧銅桿時，往爐膛內(nèi)添加一定比例的哈銅原料是可行的，通常不超過5%～10%，若過量添加哈銅，無氧銅桿易產(chǎn)生氣孔夾雜、晶粒粗大、組織疏松、偏析、電阻率超標、延伸率不符及環(huán)保等問題，影響銅桿后續(xù)加工，導致生產(chǎn)成本居高不下，利潤空間小。

1 上引連鑄工藝對銅原料的質(zhì)量要求

上引連鑄銅所用原料包括電解銅、哈銅、銅材加工邊角料及廢銅桿線等，常采用的是電解銅。上引連鑄對銅原料的質(zhì)量要求主要有：

（1）鑄桿比重為8.93g/m3，抗拉強度≥170 N/mm2，伸長率≥35%，軟態(tài)導電率不低于100%IACS，含氧量＜10-5。

（2）電解銅產(chǎn)品物理規(guī)格需達到國標的要求，應切除掉有開花粒子和吊耳的部分。開花粒子含砷、銻、鉍、鉛等雜質(zhì)較多，即使后續(xù)清洗也無法消除，化學成分不達標的，杜絕添加。

（3）電解銅表面致密且不得長銅豆，因銅豆含氫量高，在高溫下會產(chǎn)生氣體。

（4）電解銅表面有殘酸或存放期過長，表面長“銅綠”，另外電解銅表面可能有灰砂等，所以入爐前必須清刷干凈酸跡、污垢，烘干后再添加。

2 哈銅在上引連鑄中的缺陷及分析

2.1 哈銅含雜情況分析

哈銅含銅達99.9%以上，但含鉛、硫、錫、鐵的比例超國標，特別是含鉛、硫超標2 倍以上。哈銅含雜種類及其成份見表1。

表1 哈銅雜質(zhì)種類及其成分

（1）哈銅邊緣及表面開花粒子較多，其中含砷、鉛等雜質(zhì)較多，且難以清除。

（2）哈銅表面酸洗不凈，含有大量的銅綠（主要成分為CuSO4）時，添加入爐后，會產(chǎn)生化學反應：

反應生成的SO2與銅液表面覆蓋的木炭及CO 反應生成S 存在于銅液中。

（3）哈銅中混有鋁、鐵、錫及塑料等雜質(zhì)。

（4）哈銅表面粗糙，致密性不如貴冶1#陰極銅，在高溫下易產(chǎn)生氫氣并存在于銅液之中，鑄造時會形成顆粒狀氣孔。

2.2 缺陷分析

上引連鑄過程中會產(chǎn)生鑄造缺陷，特別是利用哈銅原料時問題凸顯，無氧銅桿易產(chǎn)生氣孔夾雜、晶粒粗大、組織疏松、電阻率超標、延伸率不符及環(huán)保等缺陷[4]。

哈銅原料銅綠、“銅豆”在銅液中溶解產(chǎn)生過量的還原性氣體，在結晶成桿時大量析出，產(chǎn)生凹陷、針孔等現(xiàn)象，雜質(zhì)元素還會使無氧銅桿產(chǎn)品導熱性、導電性、可拉性、可退火性等降低，甚至導致上引連鑄過程中斷裂，對后續(xù)工序加工極為不利[5]。

上引連鑄過程中，氧以Cu2O 形式溶于熔融銅液中，而水蒸氣則來源于上引工藝，當熔融銅液中的氧、氫達到一定的濃度時，氧與氫會發(fā)生化學反應生成水蒸氣產(chǎn)生氣孔，特別是添加哈銅原料后，銅液中含氧化物較多，使氣孔、氧化夾雜物增多，易浸蝕石墨結晶器，造成其下口逐漸變大，導致無氧銅桿外表面呈螺旋狀，易開裂且會使牽引受阻。無氧銅桿脆斷裂口圖見圖1a，氣孔圖見圖1b。無氧銅桿正常截面圖，見圖2。無氧銅桿外表呈螺旋狀，見圖3。無氧銅桿正常外表圖，見圖4。

圖1 無氧銅桿缺陷截面圖

圖2 無氧銅桿正常截面圖

圖3 無氧銅桿外表呈螺旋狀

圖4 無氧銅桿正常外表圖

熔融銅液吸氣性強，木炭潮濕帶水，氧和氫易混入銅液，使上引連鑄無氧銅桿產(chǎn)生氣孔。木炭中混入鐵釘進入銅液中，混入量少，上引連鑄無氧銅桿電阻率上升；混入量大，上引連鑄無氧銅桿電阻率超標。

3 利用哈銅原料上引連鑄無氧銅桿的研究

3.1 嚴格把控銅原料采購

上引連鑄過程中無精煉工序，因而電解銅質(zhì)量對無氧銅桿品質(zhì)的影響至關重要。除了與熔煉工藝有關外，上引連鑄無氧銅桿中的雜質(zhì)主要來源于電解銅。進廠銅原料必須附有嚴格的化學成分分析報告，主要成分達不到要求和含雜超標的，杜絕入庫。

3.2 優(yōu)化哈銅原料最佳配料比

先針對未添加哈銅原料上引連鑄無氧銅桿的機械性能和電性能及生產(chǎn)狀況等進行統(tǒng)計、分析。按不同比例添加哈銅原料，進行對比試驗，并做好跟蹤記錄和分析，同時，制訂合理的上引連鑄工藝，并進行試生產(chǎn)試驗。對于每一種比例試驗時，早、中、晚三班都按同樣比例添加，以保持生產(chǎn)過程的連續(xù)性和添加比例的準確性。應化驗、分析哈銅原料成分情況，對雜質(zhì)含量的波動范圍進行把關，制定出雜質(zhì)成分分析表。從不同比例添加后生產(chǎn)出的銅桿中，取兩根試樣，分別檢測其伸長率、抗拉強度和電阻率，與不添加哈銅生產(chǎn)的銅桿線進行對比和分析，從而摸索出哈銅原料最佳配料比。

3.3 摸索最佳熔煉溫度和上引溫度

上引連鑄銅桿生產(chǎn)工藝中，為了保證銅桿質(zhì)量，往往對銅液工藝溫度的控制要求較高[6]，嚴格控制好熔煉溫度、上引溫度參數(shù)極為關鍵。熔煉或保溫溫度過長，熔煉溫度高甚至過熱時，導致氧化、吸氣現(xiàn)象嚴重，易產(chǎn)生氣孔、組織疏松等缺陷；熔煉溫度低，金屬流動性差，熔銅速率低，木炭易吸附還原性氣體氫，使銅液中含氫量陡增。

3.4 確定最佳連鑄速度和冷卻強度

連鑄無氧銅桿的結晶組織主要取決于連鑄速度，金屬凝固由外及里即鑄桿外表面向內(nèi)不斷擴展。合理的連鑄速度需根據(jù)生產(chǎn)實際而定。連鑄速度慢，生產(chǎn)效率低下，鑄桿表面易產(chǎn)生裂紋；連鑄速度快，會使鑄桿中心與邊緣之間的溫度梯度增大，液穴加深，鑄桿易產(chǎn)生結晶粗大、氣孔、組織疏松、裂紋等缺陷，降低壓力加工性能。

連鑄無氧銅桿的晶粒形狀、大小與冷卻強度不無關系。在其他條件一定的情況下，冷卻強度對桿坯結晶組織起著決定性的作用。冷卻強度越小，通常有利于粗等軸晶的生長；冷卻強度越大，則會使無氧銅桿中心與邊緣之間的溫度梯度越小，有利于細柱狀晶的生長，晶粒越細小，連鑄銅桿產(chǎn)品強度越高，塑性越好，則更有利于軋制、拉伸等深加工性能，不易開裂。

3.5 改進了木炭烘烤工藝

覆蓋劑常采用干凈、燒透的優(yōu)質(zhì)木炭，以杜絕銅液與空氣的直接接觸。應改進木炭烘烤工藝，木炭使用前需經(jīng)過60℃烘烤4h，木炭吸潮力極強，生產(chǎn)過程中若木炭潮濕，易造成氫和氧進入銅液，使鑄桿產(chǎn)生氣孔和裂紋。應延長烘烤時間，保證使用的木炭干燥不帶入水份，木炭不得過生、過軟，否則起不到隔絕空氣的作用。木炭需覆蓋嚴密，銅液表面的灰渣阻礙了上層木炭進一步脫氧，應及時清除在爐內(nèi)生產(chǎn)的灰渣。

木炭中常伴有鐵釘出現(xiàn)，若木炭中鐵釘分揀不干凈混入銅液中，混入量少會使上引連鑄銅桿電阻率上升，混入量大則造成電阻率超標。木炭使用前應徹底清理鐵釘，先用肉眼檢查木炭內(nèi)是否混有鐵釘并清理干凈，再用磁鐵徹底吸附盛裝在非鐵制托盤中的木炭，徹底清理釘入木炭中或木炭中夾裹的鐵釘，保證使用的木炭無鐵釘混入。

4 結語

生產(chǎn)實踐表明，該公司利用哈銅原料上引連鑄無氧銅桿的研究是成功的。該公司已摸索出了一整套符合以哈銅原料上引連鑄無氧銅桿的生產(chǎn)工藝，能最大限度地利用哈銅原料上引連鑄無氧銅桿，鑄桿產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)中有升，可消除或減少污染，成本能耗低，有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。