SCR法連鑄連軋工藝與鑄坯缺陷的研究現狀

2025-11-15 00:00:00梁海成顧力僥程明邵俊韓明奇

有色金屬材料與工程 2025年4期

中圖分類號：TG290 文獻標志碼：A

文章編號：2096-2983（2025）04－0068-08

引文格式：，，，等．SCR法連鑄連軋工藝與鑄壞缺陷的研究現狀[J]．有色金屬材料與工，2025，46（4）：68-75. DOI： 10.13258/j.cnki.nmme.2024042001.LIANG Haicheng， GU Liyao， CHENG Ming，et al.Research status of SCR continuous casting and rolling processand casting billt defects[J].Nonferrous Metal Materials and Engineering2025， 46（4）： 68-75.

Abstract： With the rapid development of the electronics industry， the demand for copper rod in China has been continuously increasing. At present， the submerged continuous rheocasting （SCR） continuous casting and rolling process is the main technology for copper rod production. Combined with the on-site SCR7000 bright copper rod continuous casting and roling production line， this paper systematically introduces the SCR continuous casting and rolling equipment， the SCR continuous casting and rolling production process flow，the basic structure of the five-wheel casting system，and the core advantages of the SCR continuous casting and rolling process. It then focuses on the defect issues in the production process，comprehensively summarizes the formation mechanisms of four typical defects in cast billts—porosity， inclusions， shrinkage cavities，and cracks—and proposes corresponding improvement measures to enhance cast billet quality. Through the aforementioned improvements， defects have been effectively prevented and the yield rate has been significantly improved. Finally， the future development trend of SCR continuous casting and rolling production in China is prospected.

Keywords： SCR continuous casting and roling; five-wheel continuous casting system； preparation process; defects of casting billet

浸沒式連續流變鑄造（submergedcontinuousrheocasting，SCR）連鑄連軋法，是一種將連鑄與連軋工藝深度融合的先進生產技術。該工藝首先通過連鑄工序將熔融金屬澆鑄為壞料，隨后直接將壞料送人連軋機進行連續軋制，最終制成合格的板材或型材，行業內通常簡稱其為SCR法。20世紀50年代SCR法技術開始萌芽，初期主要應用于銅合金的連鑄生產領域。進人20世紀60年代，美國SOUTHWRIE公司、摩根公司與西屋電氣公司聯合研發出一套專門用于生產電工用銅桿的連鑄連軋技術，并建成了全球首條 SCR 法工藝生產線[1]。

我國銅桿連鑄連軋技術起步相對較晚。20世紀80年代，國內依托既有鑄鋼鑄鐵技術與生產經驗，借鑒美國SCR法工藝的先進理念，自主研發設計出第一條以廢電線為原料的銅桿連鑄連軋生產線。此后，通過積累大量實際生產數據持續對該技術進行迭代完善，在設備可靠性與產品質量穩定性方面取得了顯著進步[2]。進入20 世紀90年代，計算機技術逐步融人SCR法工藝體系，為該技術賦予了更先進的過程控制能力。邁入21世紀后，SCR法工藝加速向現代化、智能化方向升級。通過整合先進的控制系統與模擬仿真技術，不僅實現了生產全過程的精準控制與工藝優化，更大幅提升了生產線的智能化管理水平

隨著我國工業化進程的加快，對電線、電纜的需求也在不斷地增長，而銅桿是制造電線電纜的原材料，因此對銅桿的質量要求日益劇增，光亮銅桿生產水平發展更為迅猛[3-。隨著連鑄工藝生產的不斷發展及對高性能銅桿的需求，實際生產過程中出現的問題也逐漸成為生產關注的重點。經生產實踐發現，連鑄過程的工藝控制不當會導致氣孔、縮松、夾雜等多種缺陷問題，這些缺陷對于最終銅桿的質量與性能有很大的影響。其中氣孔是連鑄過程中最為普遍和難以控制的缺陷之一。鑄坯中氣孔的出現會導致在后續的拉拔過程易產生空心斷線，使線材表面產生微小裂紋從而形成毛刺，最終導致漆包線耐壓以及擊穿指標不合格。因此，在銅桿生產中，連鑄是最基礎關鍵的生產工藝，對于該生產工藝中缺陷問題的研究具有一定的現實意義[7]

本文主要論述了某材料公司的SCR連鑄連軋生產工藝，通過文獻調研并與實際生產相結合，重點分析了鑄坯中氣孔、夾雜、縮孔、裂紋缺陷的形成因素，并提出了相應的改進措施。

1 SCR連鑄連軋裝備及生產工藝

SCR法制備銅桿的工藝流程是將電解銅板在豎爐中進行熔化，流出的高溫銅液經上流槽流至保溫爐內進行保溫，再流經澆包和五輪式結晶器，鑄出橫截面為梯形的銅鑄壞，經矯直后送入粗軋機、精軋機進行多道次連續軋制，熱軋成直徑 8mm 或其他直徑規格）銅桿。隨后，熱軋出的銅桿在進行無酸清洗的同時達到冷卻效果，最后還需經過在線探傷檢測和涂蠟工序后進入成圈機成圈，產品再經檢驗及壓實包裝后入庫8。目前的SCR法生產線型號有SCR1300、SCR2000、SCR3000、SCR4500、SCR7000、SCR9000等，不同的生產線型號對應著不同的產量、鑄坯截面大小及產品直徑[9]

1.1 SCR連鑄連軋的優勢

SCR法工藝技術把鑄造和軋制兩種工藝巧妙地結合起來，做到同時連續鑄造連續軋制。與傳統的連鑄生產方法相比，該方法有較大的優越性[10]。

（1）SCR法工藝利用鑄造后的鑄坯余熱，直接降溫到軋制需要的溫度，不需要二次加熱，顯著節省能源;

（2）SCR法把連鑄連軋設備與卷線機串聯起來使銅桿產品生產一步到位；

（3）SCR法采用的豎爐熔化具有容量大的特性相對上引連鑄工藝來說對原材料要求較低，可使用

含有一定氧含量的銅液作為原料[11];

（4）SCR法減少了生產中的停機時間和轉換時間，能夠提高生產效率、縮短生產周期，進而增加產量[12]。

1.2SCR連鑄連軋設備及工藝流程

以SCR7000為例，SCR法生產線主要由加料機、豎爐、渣箱、溜槽、保溫爐、澆包、五輪式連鑄機和“五道粗軋、八道精軋”的軋機等組成，具備熔煉、鑄造、軋制、卷線等多項功能。圖1展示了銅桿連鑄連軋示意圖，圖2展示了五輪式SCR法生產工藝流程圖。

首先將合格的銅原料加入豎爐中熔煉，待銅原料熔化后經過溜槽進入保溫爐，在保溫爐中調整銅液流速穩定后流入澆包，可保證連鑄生產的穩定[13]。其次在重力作用下，銅液流入結晶腔，通過冷卻水的作用結晶成坯。由牽引機引拉鑄坯進入軋機，軋制出的銅產品經過無酸清洗后可冷卻至室溫。該工藝可直接生產出直徑為 8mm 的銅桿。

圖1 銅桿連鑄連軋示意圖[14]Fig.1 Schematic diagram of copper rod continuous casting and rollingl14

圖2五輪式SCR法生產工藝流程圖Fig.2 Five wheel SCR process flow chart

1.3 SCR五輪式澆鑄系統

五輪式澆鑄系統是SCR銅桿生產線的技術核心部分，鑄機更是區別于其他生產線的關鍵組件。通過調控各工藝參數鑄造出表面光滑、組織合格的銅鑄坯。

SCR五輪式鑄機結構如圖3所示，五輪式澆鑄機主要由結晶輪、壓輪、惰輪、張緊輪及一條無端鋼帶構成，鑄輪凹槽一側與鋼帶內表面構成一個截面為梯形的封閉模腔，該模腔又稱結晶腔。結晶腔隨著鑄輪和鋼帶的轉動而連續轉動，銅液從中間包底部的 45^° 澆嘴進人結晶腔后，在鋼帶和鑄輪兩側的高壓噴水作用下在結晶腔內形成初生壞殼，然后不斷地凝固生長變厚，最后形成銅鑄壞。在結晶輪順時針的轉動下，銅鑄壞在大約 270^° 位置脫離模腔，至此完成連鑄過程[15]。

圖3 SCR五輪式鑄機結構圖[4

Fig.3SCR five wheel casting machine structure diagram[14]

1.4 國內外研究現狀

美國SOUTHWRIE的SCR連鑄連軋法是最廣泛的銅桿生產工藝，銅桿及銅線的應用領域主要集中在電子、電子技術及電線電纜等行業[1。隨著這些領域的不斷發展進步，對銅桿及銅線的質量要求越高，銅桿及銅線的應用也越來越廣泛。

在連鑄連軋生產工藝中，關于連鑄坯性能方面的研究，目前國外學者取得了不錯的成果，在鑄鋼方面，Bui等[1]通過分析鋼壞缺陷的形成因素，改變鋼液的成分和冷卻水的分布使鋼壞的缺陷大幅減小，鋼壞的質量明顯提高。但國外SCR生產線較少，更側重于節能的Contirod工藝生產線。Sulitsin等[18]對Contirod生產過程中出現的氣孔對線材質量的影響開展了研究，發現在塑性變形過程中，氣孔的平均尺寸大小是決定線材質量的關鍵因素，在此基礎上，建立了以氣孔體積占比為基礎的含氫量計算方法。最后對連鑄過程進行了優化，降低了銅絲在標準扭轉測試中產生的裂紋幾率。楊玉林等[19]對 SCR法生產線鑄造系統的構造和工作原理進行分析，并研究了各工藝參數對鑄造過程、組織和銅桿性能的影響。尚澤[1對 SCR3000連鑄連軋的主要技術參數進行理論分析，重點研究水冷系統；同時采用FLUENT軟件進行數字仿真，分析了結晶區內溫度場、流場分布及凝固點分布等因素對結晶區的影響規律，結合生產實踐得出：采用適當降溫、降低拉速可有效抑制鑄件中氣孔與夾雜物的出現。葉斌民等[20]通過對SCR4500 銅桿生產過程中出現的鑄壞開裂問題探討，提出通過調整澆鑄銅液溫度、控制銅鑄壞入軋溫度、降低軋制張力和嚴格控制氧含量等措施對生產線工藝進行優化改善，有效解決了銅桿開裂的問題。在其他銅連鑄材相關研究中，肖寒等[21]研究了TP2 銅管壞在連續鑄軋過程中出現的缺陷并提出改進措施，重點分析了鑄型、拉制速率等因素對鑄壞質量的影響規律，給出了防止開裂、氣孔等缺陷的技術方案。

綜上所述，國內外學者在連鑄連軋生產工藝方面的研究取得了一些進展，但仍需要更多的研究和實踐來進一步完善和優化該工藝

2 SCR連鑄壞的主要缺陷分析

通過SCR連鑄連軋技術生產銅鑄坯已成為行業內一種普遍的方式，但由于鑄壞在凝固過程中經常會出現氣孔、夾雜、縮孔和裂紋等缺陷，這嚴重影響了產品的合格率。因此，需詳細分析鑄坯缺陷的產生原因，并提出合理改善措施，以提高 ?8mm 銅桿成品率。

2.1 氣孔

在實際生產中，導致銅鑄坯中產生氣孔的元素主要是氫和氧，氫具有極強的溶解性，幾乎可以溶于所有的金屬液。氫在銅液中的溶解度隨溫度的升高而增大，銅液在凝固過程中，隨著銅液溫度降低氫氣的溶解度急劇下降，析出的過飽和氫與 Cu₂O 發生還原反應生成水汽泡，有些汽泡或氣體未能來得及逸出而滯留在銅液中就會形成氣孔。氣孔形狀一般呈表面光滑的圓形、橢圓或者長條形，如圖4所示。有些氣孔可以在后續的軋制過程消除，但無法消除的氣孔會在后續的拉絲工藝中導致空心斷線，如圖5所示。

圖4鑄坯上的氣孔缺陷Fig.4 Porosity defect on casting billet

圖5銅桿的空心斷線Fig.5 Hollow broken wire of copper rod

章文槐等[22]針對SCR法生產線鑄壞氣孔缺陷成因進行了研究，提出通過去除原材料表面污垢、控制豎爐及溜槽中的燃燒氣體、改善涂碳工藝等措施，可減少鑄壞斷面上的氣孔。攸駿等[23]進行了一系列的鑄坯缺陷試驗，從而證實鑄壞缺陷和銅桿表面大缺陷之間的關系：銅鑄坯內部的大氣孔越多，相應的銅桿表面缺陷就越多。他們針對SCR法工藝的整體機制和鑄壞中氣孔的產生機制分析，提出以下措施：在合理范圍內降低鑄造速度或銅液澆鑄溫度、采用傾斜澆鑄方式、降低鑄輪1和2區的冷卻強度并且要保證軋制溫度不變，這4個措施可以有效減少銅鑄壞產生氣孔。李明茂等[24對超細銅絲拉拔時的斷裂現象進行顯微分析，發現銅絲中存在大量氣孔、夾雜物等缺陷。基于缺陷產生原因及生產實踐，他們通過優化原料、模具、潤滑劑的選擇及改進設備，實現了對斷絲的有效控制，保障了超細銅線的正常生產。

綜上所述，通過合理存放原料、適當降低銅液澆鑄溫度、適當降低拉壞速度，以及調節不同區間水冷參數，可有效減少SCR法連鑄壞的氣孔缺陷形成。結合企業現場生產實踐，以下條件可減少氣孔產生：保證電解銅板表面清潔，能顯著提高鑄壞質量。當澆鑄溫度為 1122^°C 時，鑄坯試樣靠近鑄輪側會出現大量析出形皮下氣孔；在其他工藝條件不變的情況下，將澆鑄溫度降至 1155^°C 左右，氣孔數量明顯減少。當澆鑄溫度為 1155°C 時，將鑄造速度從 44.7t/h 降至 43.6t/h. ，氣孔數量同樣明顯減少。保證其他工藝條件一致，將鑄輪1、2區的水流量調低20個單位，同時將鑄輪3、4區的水流量調高20個單位，也可明顯觀察到氣孔減少。

2.2 夾雜

夾雜是指與基體存在明顯分界、且性能差異極大的金屬或非金屬物質。鑄坯中若存在夾雜物，會導致其在軋制或拉絲階段發生斷線，進而影響產品生產效率與成品品質，如圖6所示。由于SCR法的豎爐需對電解銅板進行連續加熱熔化，無法針對銅液開展雜質去除作業，因此銅原料的雜質含量會直接影響低氧銅桿的性能。此外，生產過程中還存在其他影響因素：生產設備表皮脫落產生的雜質，會混入銅液或鑄壞中熱軋環節中，氧化皮若被軋入銅材內部，同樣會對最終銅桿的性能造成影響[25]

圖6銅桿夾雜斷線

Fig.6Copper rod mixed with broken wire

沈韶峰等[2通過對圓銅線斷口特征的分析，得出鑄坯中的夾雜缺陷可以導致斷線的結論，并通過改進鑄輪及鋼帶表面的碳清洗技術，使斷口缺陷問題得到了極大的改善。趙大軍等[27]分析指出，夾雜斷裂包括外部和內部夾雜，且認為夾雜物主要來自鑄造過程；他根據夾雜物形成機理提出盡量避免夾雜物進入鑄壞或銅線壞、避免耐火材料脫落進入銅液形成非磁性夾雜物、避免使用鋼絲或鐵絲清理澆嘴等措施，以預防和減少夾雜斷裂。汪建華等[28對影響鑄壞及銅桿質量的雜質元素進行分析，發現除氫和氧外，磷、硫、銀等其他雜質元素均來源于原料和生產器具；因此，他們認為確保電解銅原料質量、按時檢修主要生產設備等，均可有效緩解此類缺陷的產生。羅云等[25]對各種雜質元素的來源，以及其對低氧銅桿組織與性能的影響進行分析，認為提高銅桿質量需從原料和生產工藝兩個方向入手。原料方面：首先要控制原料的表面質量，避免其存在“銅綠”；同時在選用原材料時應注意，如Pb、Fe等雜質含量不得過量。生產工藝方面：氧的質量分數控制在 0.025%～0.040% 。生產設備方面：及時對生產設備進行檢修，避免耐火材料及鐵屑影響銅桿質量。

綜上所述，對于SCR法連鑄鑄坯的夾雜缺陷，需從原料控制、除碳工藝優化、設備按時檢修三方面入手。結合企業現場生產實踐可知：選用優質電解銅板的同時，需處理好因運輸途中或天氣原因導致的表面污垢，防止夾雜物直接進入銅液；現場將除碳的高壓噴水壓力從 75MPa 增大到 84MPa ，可有效去除碳層殘留，避免碳垢落入銅液，同時確保有效傳熱和良好的冷卻凝固；定期打磨鑄輪，并檢修、維護其他工藝設備。以上措施均可防止夾雜缺陷的產生。

2.3 縮孔

銅液凝固過程中，在凝固最后一刻由于補縮不良而產生的孔洞即為縮孔，如圖7所示。與氣孔不同，縮孔表面形狀不規則，孔洞內壁粗糙并存在枝狀晶，其形成位置主要位于結晶線上。石玉坤[2通過探索水平連鑄中液穴深度與鑄壞質量的關系，認為液穴越深，縮孔出現概率越大。他提出通過提高二次冷卻強度減小液穴深度，可有效防止縮孔缺陷產生。溫斌等[30]將中縮敏感系數作為工藝與中心縮孔縮松的關聯橋梁，證實其他工藝條件固定時，拉坯速度會影響連鑄坯縮孔形成——拉坯速度越大，連鑄壞出現中心縮孔的可能性越高。因此，適當降低拉坯速度有利于防控縮孔。禹建敏[以SCR1600連鑄連軋為研究對象，探討不同鑄造工藝對鑄壞質量的影響。分析認為，澆鑄溫度、鑄造速度過高易導致鑄坯縮孔缺陷，最終得出合理工藝參數：將澆鑄溫度控制在 1 110～1 125°C. ，澆鑄速度控制在 120～150mm/s_?

圖7鑄坯縮孔缺陷 Fig.7Shrinkage hole defect of casting billet

綜上所述，最終導致SCR法連鑄壞縮孔產生的原因，與較高的澆鑄溫度和較高的鑄造速度直接相關。結合企業現場生產收集的資料，當澆鑄溫度為1120^°C 、鑄造速度為 45.6t/h 時，鑄壞會出現縮孔缺陷；而通過將澆鑄溫度降至 1115°C 左右、鑄造速度調整至 44t/h 左右，縮孔問題得到了良好解決。

2.4 裂紋

在鑄造過程中，銅液產生的傳熱與應力共同作用會導致鑄壞裂紋形成，進而使成品在后續拉絲階段發生斷線，嚴重影響生產效率與產品質量，如圖8所示。銅液凝固過程中產生的裂紋稱為熱裂紋，凝固后產生的裂紋則稱為冷裂紋。俞巍巍[32]光亮銅桿的裂紋產生主要源于連鑄坯結晶較差，同時還受原料銅板中Bi、Sb、As、Pb）等雜質元素的影響；這些雜質會以單質或化合物形式分布在鑄壞晶界，導致軋制時鑄壞出現開裂現象。結合企業現場生產資料，通過嚴格控制原料、對燃燒氣體進行脫硫處理并按時更新脫硫劑、低溫快速澆鑄、對澆嘴位置進行熱氣體保護、定期更換軋輥等措施，銅桿裂紋缺陷問題得到極大改善。趙大軍[33]通過研究 SCR連鑄連軋鑄壞裂紋缺陷的形成機理，認為裂紋主要由鑄造過程中鑄坯的凝固特性導致。他提出，將銅液溫度控制在 1 103～1 108°C 、保證穩定的澆鑄速度及優化水冷條件，均可有效減少裂紋缺陷。

圖8銅鑄壞的內部裂紋缺陷[33] Internal crack defects of copper casting bilet3]

綜上所述，針對SCR法連鑄連軋的裂紋缺陷問題，可總結出以下兩點核心解決措施：一是通過調節澆鑄溫度、鑄造速度及水冷參數，確定最穩態的生產工藝參數，避免因冷卻過快或過慢導致應力集中，進而引發裂紋；二是保證高質量的銅原料，減少原料中的雜質含量，避免過多雜質在銅液結晶時分布于晶界，最終產生裂紋。

3 SCR連鑄連軋的發展趨勢

國內的SCR銅桿連鑄連軋技術作為一種高效節能的銅桿生產工藝，具有較大的發展潛力。同時高導銅材料的制備為今后研究的主要方向[34]，SCR法的發展趨勢可能包括以下幾個方面：

（1）技術改革創新：隨著科技的不斷進步，SCR連鑄連軋技術將不斷地進行改進和創新。例如，通過提高燃氣使用率以降低能耗；利用數值模擬和仿真技術對SCR法連鑄工藝進行仿真，可實現對鑄壞組織與工藝缺陷的高精度模擬及預測

（2）智能化生產：智能制造技術的應用將進一步推動SCR連鑄連軋設備的自動化與智能化水平，提升生產效率與管理精度。具體應用包括：在高速軋制條件下實現桿坯心部缺陷的在線檢測；利用自動化設備完成上料作業；實現智能化設備間的數據共享與實時通信；對生產線進行遠程監控與集中管理；通過生產過程的大數據分析，及時發現并處理生產問題。

（3）環保與節能：未來SCR法將更注重環保與節能，采用更清潔的生產工藝及設施，減少廢氣廢水排放。例如，使用高效節能環保燃爐優化燃燒工藝，通過廢氣廢水處理實現最大程度循環利用。

（4）產能擴大：隨著市場需求的增加，SCR法生產線的產能可能會進一步擴大，以滿足銅線桿市場的需求。

（5）產業鏈整合：SCR法將更多地與其他銅線生產環節整合，構建完整產業鏈，從而提高資源利用效率、降低生產成本。例如，將SCR法生產銅桿與拉絲環節的原料供應整合，把SCR法產出的銅桿直接用于銅線拉絲，實現銅桿連續生產與連續拉絲，減少中間環節以節省時間、提升生產效率。

未來，隨著科學技術的發展與市場需求的變化，SCR連鑄連軋技術在發展中將繼續保持高效、節能、環保的核心特點，同時持續推進技術創新與產業鏈整合，以匹配并滿足銅桿工業不斷發展的需求。

4結論

SCR法連鑄連軋生產技術目前仍有部分問題亟待解決，例如銅鑄壞質量不穩定、設備磨損嚴重等。其中，鑄坯缺陷一直是制約連鑄過程穩定性與產品品質的重要因素。SCR法工藝生產中，鑄坯缺陷產生的原因分析、調控方法優化等，均需依靠生產與科研工作者的不懈努力，以及工藝設備的更新換代，才有望進一步改善連鑄壞質量。

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