水平连铸工艺研究
2012-06-20 13:18阅读：
水平连铸工艺研究
摘要：水平连铸法生产HPB59-1铜棒是近年来从国外引进的一种新兴工艺方法，由于对该工艺方法理解掌握的局限性，导致铸坯量不过关，造成产品的表面起皮、晶间裂，从而影响产品的质量及成品率。本文从水平连铸的结晶过程、工艺参数的选择、常见质量缺陷及解决办法等几个方面对水平连铸生产HPB59-1工艺的研究结果进行了详述。
1. 前言
随着国民经济的迅猛发展,HPB59-1带以起良好的工艺性能、机械性能和耐蚀、导电、导热等特性，广泛应用于电气、五金、电子电讯、机器制造、计算机接插件、建筑装潢等行业，应用量正逐年增加。常规生产方法是采用电炉熔解—手动铸造的方式。水平连铸生产铜棒生产出成品HPB59-1生产工艺与电炉熔解—手动铸造的方式生产工艺相比，可以省去人力、工艺流程短，作为一种新兴的工艺方法而被铜加工行业所采用。本文将从水平连铸的结晶过程、工艺参数的选择、常见质量缺陷及解决办法等几个方面对水平连铸生产HPB59-1铜棒的工艺研究结果进行祥述，以便于促进这种新兴的工艺方法在我国的推广及应用。
2、水平连铸生产HPB59-1结晶过程分析
水平连铸生产线有熔化炉→保温炉→结晶器（铜水冷套与石墨内衬）→引铸机（牵引机）→锯床→附属收屑机构组成。
为了弄清有关因素对棒质量的影响，以便采取适当的措施，有必要对水平连铸的结晶过程、特性、机理进行分析，以便采取合理工艺制度获得优质产品。
2.1 在引铸停止时，结晶内铸坯的受力情况(见图1)
在引铸停止时，结晶器内铸坯受如下几种力：①炉内熔体金属所产生的液体静压力，由P=Hpg（H为液柱高度;p为液体密度；g为重力加速度）可知：P1＞P2；②铸坯的重力，由于水平连铸为封闭式铸造，铸液穴与炉内容体相连，热量直接传递，因此在接近炉内的石墨板上并没凝壳形成，凝壳是在进于合金结晶温度的石墨板内壁上形成，即液固两相区，且朝带出口方向凝壳逐渐变厚，直至凝固成铜棒，由于冷凝收缩，于是在石墨内套于凝壳之间产生的间隙，有利于铸坯的拉出；但由于凝壳薄且有金属液柱静压力的作用，因而一部分凝壳（L1和L2区域）实际上并不离开套内表面，只是在凝壳较厚的铸坯上才会产生空隙（模高16mm的结晶器，结晶器出口铜棒厚度大约0.5mm，模宽456mm结晶其坯料，结晶器出口铜棒收缩约为7mm），下侧金属凝壳所受到的静压力P1（P1＞P2）和重力的双重作用，使得坯铸侧下与石墨的接触区长L1＞上侧接触区长L2；加之由于接触界面间凹凸不平与相互粘连作用，而使形成的引淀阻力，下部比上部大的多。
2.2在停拉过程中，熔体金属在结晶器内凝固过程及受力分析
为方便起见，假设上下结晶在一个垂直界面上结晶，引拉过程中凝壳过程如图2。
引拉开始后，熔体瞬间在熔体与固体之间腾出一部分，在金属液体静压力作用下，后部的金属马上对其进行补充，在熔体在纵向距石墨越近，冷却强度越大，金属温度越低，流动性越不好，而中间的金属温度高，流动速度快。根据流体力学原理，在液体中流速越快的位置压强越小，所以熔体在纵向从石墨壁位置向中心位置所受压强逐步递减，熔体内部形成了压差，迫使金属沿箭头所使方向流动，由于金属键的牵拉作用，使薄凝壳部分产生了形，但由于停拉时下表面所受的静压力大于上表面，所以下表面弧度小于上表面。
随着拉距的不断增加,S新区域逐渐增加,凝壳弧度个弧长也不断增加,当磨檫力足够小,凝壳 强度足够高时,没有断裂,形成弧面(凹槽),但弧面较粗糙.而大多数情况下结晶时,随着拉距的不断增加,结晶区域铜水温度越来越高,凝壳越来越薄,在凝壳中最薄弱的某一点凝壳发生断裂,新的一小股液流从裂口溢出,填补到凝壳的凹陷部分,若此恰好引拉结束,在停的过程中这部分金属瞬间结晶,与弧形凝壳的其他部分连接起来,在再次拉铸时,才一道被拉出来,而先凝壳的金属想中心部分长大,形成大的柱状晶,晶粒大小是该细晶的100～150倍左右，见金相图片图3、图4。
图3是H65结晶时纵向剖面的宏观照片，图4是纵向剖面的局部示意图（与结晶器接触区域），即小股液流与原始凝壳交界处部分区域的金相组织图（X100），有图可知，后填补的且细晶与柱状晶有明显的分见面，没有彼此的交错咬合，交界处应当富集金属氧化凝固时益出的气体，铣面时必须铣去。
图5是将铸坯表面铣去0.4mm的宏观底倍组织照片,在照片中粗晶区域为先结晶部分,细结晶区域为断裂后填补部分,(为了测定细晶厚度,将左侧的表面多铣去一部分,纵向明显的弧线为铣刀痕).
由结晶原理及相关的图片可看出,正是这种新老凝壳被氧化的温度不同及凹凸不平呈周期性变化,才形成了表征节距的环状斑纹。
3 工艺条件的确定及操作
3.1 浇铸温度
将液态金属浇入到保温炉的温度，浇铸温度大约比金属的液态温度高100~105摄氏度，它要求比铸造温度高30~40摄氏度，以避免熔体流经溜槽时的热量消失，H65浇铸温度为1040~1060摄氏度之间，保温炉波动范围控制在±10摄氏度。
3.2 停拉制度
拉铸采用反推→拉→停程序，反推的作用：①是防止与结晶器直接接触区域的凝壳表面与结晶器壁的粘连（结晶时这部分区域石墨上有针尖状的铜吸附，在拆下的石墨上用手触摸有扎手的感觉）。②是清理石墨模上（在铸坯与石墨有空隙的区域）粘附的氧化锌及锌，减少模子对铸件的摩擦。③起到震动细化晶粒作用。
锌一氧的亲和力大于碳与氧的亲和力，在富含锌HPB59-1中，氧基本不与石墨反应，液相区的石墨比较平整、光滑无凹坑，而凝固区域的石墨板粘附Zn0与Zn，摩擦阻力大，为避免Zn0与Zn在同一区域的叠加力，随着拉铸的进行，可通过适当降速的方法，使结晶区域向容体方向内移，改善铸坯的表面质量，提高石墨的使用寿命。
从水平连铸成型过成型来看，间断拉铸的作用是停止时得到足够厚度和强度的凝壳，使不致拉裂、拉漏，所以拉停制度的选择十分重要。
拉停是两个互相制约的因素，停时间长—拉时间长—拉距就可增大，停时间短拉时间就短—拉距就短，由于H65两相区较宽，枝晶发达，凝固时析出的气体向液体相区扩散较慢，故一般宜采用中低行程，中等瞬速，中高频率拉铸，并保证铜棒出口温度达到固相线的30~35%（对16mm厚度的铜棒而言），结晶出口铜棒表面为暗红色为佳。
3.3 冷却强度
良好的铸坯质量是铸造温度、引铸温度、冷却强度综合作用的结果，在温度和引拉制度都确定的条件先，通常将水压选择为6bar
,然后通过调整各出口水调整冷却强度，保证出口铜棒的温度达到金属固相线温度的30~35%，为保证冷却强度的实质效果，实际生产中必须保证石墨与水冷铜套间的配合间隙不超过0.02mm，应对铜冷套进行定期研磨，定期消除冷却水腔内壁积垢，以便减少热阻，增加二次冷却水，使液穴浅平，组织致密。
4.水平连铸常见质量问题，影响因素、控制措施
水平连铸法生产HPB常见的质量问题是带材表面起皮及拉裂。
主要是通过控制金属熔体的含气量，减少引锭阻力，增强凝壳强度及减少凝壳断裂时小股液流的补焊深度。
4.1含气量的影响
熔体中含气量过大，在凝固时来不及析出，夹杂在金属内部，形成内部气孔，当坯料轧制到0.5~0.3mm厚时，气泡发生破裂后才会被发现，这类起皮表征为条状、带状分层，工艺中采取以下方法解决此问题。
①
对新打制的结晶器进行充分烘烤，确保覆盖的木炭，原料充分干燥，保证保温炉和熔化炉中木炭覆盖层的厚度。
②
采用二次喷火出炉，使熔炉中的氢进入锌蒸气中排出。
③
加入微量的磷元素脱氧，同时也可以改善蒸气的流动性。
4.2 结晶器相关因素的影响
从图2
