上引法连铸的工艺与设备

关键 上引法连铸 感应炉 连铸机 结晶器 异型铜材摘要

本文介绍了上引法连铸机的工艺特点及装备，为进一步开拓市场，增强国产上引法设备在国际贸易中的竞争力，不断改进上引法的工艺装备是十分必要的。同时，此举也可以进一步开拓上引法在其它工业领域的应用。

一、概述随着电气工业的蓬勃发展，对电线电缆制品的质量要求也随之提高，需要使用更多的杂质含量少，含氧量低的高纯铜，高纯铜的特点在于高导电率、高密度、极优的塑性和良好的抗疲劳强度。

目前世界上普遍采用的生产高纯铜的方法有铜的连铸连轧法（Continuous Casting and Rolling）、浸涂法（Dipforming）和上引法（UP-Casting）。上引法与连铸连轧和浸涂法相比，其特点是：

1. 由于拉轧工艺与铸造工艺不是连续的，拉轧是在常温下进行的，不需气体保护，铜材也不会被氧化。因此设备投资小，厂房布置也灵活。

2. 单机产量变化范围大，年产量可以从几百吨到几万吨，可供不同规模的厂家选用不同型号的上引机组。此外，由于连铸机是多头的，可以很容易地通过改变铸造规格（铸杆直径），来改变单位时间的生产量，因此其产量可视原材料的供应情况和产品的需求情况来决定，便于组织生产，节约能源。

3. 只需更换结晶器和改变石墨模的形状，即可生产铜管，铜排等异型铜材，并可在同一机器上生产不同规格、品种的铜材，灵活机动，这可说是上引法的最大特点了。

4. 如果采用分体炉，即熔化和保温在二个感应炉中进行，则就比较容易实现用上引法

生产合金铜材。

二、工艺原理上引法连铸铜杆的基本特点是\"无氧\"，即氧含量在10ppm以下，在电解铜熔化，铜液转移，结晶成型的整个工艺过程中，采用木碳还源和鳞片石墨覆盖、隔氧等措施。氧在熔融铜液中是以氧化铜（CuO）和氧化亚铜（CuO2）的形式存在的，木碳（C）在高温下与其作用，可以脱氧，使其氧含量小于10ppm，反应方程式如下：

CuO+CuO2+C→Cu+CuO+CO→2Cu+CO2↑在反应过程中产生的CO保护气氛和鳞片石墨的隔氧作用，使铜液在熔化腔向保温腔的转移及结晶过程中，铜液不再被氧化。

三、设备简介电解铜经剪切（或整块），用人工（或机械）加入工频感应熔化炉（或连体炉的熔化部分），熔化是在木碳覆盖保护下进行的，熔融的铜液经过一段时间的静止还原脱氧并达到一定的温度后，通过有CO气体保护的流槽（或连体炉的溢流口）经过渡腔（铜液在此进一步还原脱氧、清除渣质），进而平稳地流入保温炉（或连体炉的保温腔），铜液的温度由热电偶测量，温度值由仪表显示。炉子输入功率可以根据设定的温度自动调节，也可根据铜液的实际温度电动调节，以控制铜液的温度在一定的范围内。

连铸机固定于保温炉的上方，有6头、8头、多至20多头等多种形式，分两排各自固定在连铸机的两侧，每根铸杆有上、下两对辊轮间歇向上牵引、辊轮由一台（或多台）直流电动机（或步进电机或伺服电机）驱动，每根结晶器可单独装拆而不影响其他结晶器的正常工作。根据保温炉内铜液液位的高低，连铸机可上、下自行运动，以保证结晶器和保温炉内铜液液位相对位置恒定。每根铸杆都有一控制器和挠杆机，铸杆经导轮装置从连铸机引到控制器和挠杆成圈，成圈完毕后把铸杆剪断，并把成圈铸杆吊运走，供下道工序加工。

四、新型上引连铸设备的特点上海电缆研究所从1978年研究试制上引法至今已有25个年头了，上引法的炉、连铸机和挠杆机在这25年中都有了很多改进，以进一步开拓市场，

增强国产上引法在国际贸易中的竞争力。 1. 工频感应电炉是连铸机的基本设备要生产高质量的无氧铜杆，首先要提供高质量的无氧铜熔液，工频有芯感应炉可以满足这个要求。新型的上引法用工频感应电炉有以下几个特点： ⑴ 把熔化炉膛设计成长方形，可以整块电解铜加料而不增加炉膛的散热面积。 ⑵ 用连体炉取代了分体炉，不但可以减少铜液在从熔化炉到保温炉转移过程中的氧化和温度及液位的波动，而且省掉了分体炉必须的煤气发生炉，从而减少了投资和运行成本。 ⑶ 在熔化腔和保温腔之间增设一个过渡腔，铜液从熔化腔经过渡腔流入保温腔时避免直接流入，这不仅有利于温度和液位的平稳，而且在过渡腔内使铜液得到更充分的还原，同时可以比较容易在过渡腔内清除渣质。有了过渡腔以后，使铜液的温度稳定均匀，液位平稳，铜液清洁，从而使铜杆质量稳定。 ⑷ 采用不等截面熔沟，使铜液在熔沟内形成定向高速流动，有充分的热交换，使各种高熔点的氧化渣及已蚀损的石英砂随液流流出熔沟。加速熔铜内铜液的流动，这不仅可以缩短熔炼时间，提高电炉生产能力，而且降低了熔沟内的温度，避免熔渣堵塞，从而提高炉子的工作寿命。 ⑸ 在一般情况下，炉体的寿命是感应体寿命的2－5倍，而且熔化炉和保温炉的感应体寿命也不一样，因此设计可拆卸式感应体是合理的，也是必须的。这样可以在某一感应体发生故障时，不需要拆除整个炉子，而只需拆下损坏的感应体重筑，从而节省停炉时间和生产投入。 2. 连铸机是上引法的关键设备 ⑴ 上引连铸是间歇向上牵引实现的，间歇牵引每次动作的升程的节距。间歇牵引的开停比例，牵引频率和节距都会影响铸杆的质量。

从上引法诞生至今，连铸机的牵引部分经历了三个阶段：

第一阶段是机械牵引系统，超越离合器、棘轮棘爪、螺杆步进机构和凸轮步进机构都属于这一类，这种牵引机构维修方便，造价便宜，它的最大缺点是易磨损、打滑，从而影响产品质量。此外引杆速度低，节距调节困难等等。目前新型的连铸机已不采用这种机构。

第二阶段是步进电机牵引系统，这种系统是为了克服机械牵引系统的缺点而研究出来的，不易打滑，牵引力矩大，有利于铸杆质量的提高，但引杆速度不快，常用于大直径（φ14mm

以上）铸杆的牵引系统。

第三阶段是伺服电机牵引系统：近年来φ8mm小直径铸杆的上引机很受青睐，可以省去冷轧机或巨拉机，降低生产成本30％以上。φ8mm铸杆的截面积仅为φ14mm铸杆截面积的1/3，为了保持同样头数的上引机的产量，必须要提高上引速度，间歇牵引的开停动作达每分钟600次左右，机械牵引和步进电机牵引都很难达到，于是产生了伺服电机牵引系统，不仅满足了高频率的间歇牵引，节距可根据不同铸杆直径任意调节，而且不会打滑，运行稳定。 ⑵ 结晶器是连铸机的重要部件，对铸杆的质量和上引速度起决定性的作用，尤其是一次冷却区的结构、材料的选用和加工精度，却直接影响到热传导的效果和结晶速度，结晶器二次冷却区的铜管内壁与铸杆间的间隙大小对铸杆冷却效果也有很大的影响。铸杆与铜管内壁间是一个近乎真空的气隙，其热阻为1/k 1/k=1/α（d2/d1） α：为气隙的放热系数是一常数 d2：为铜管内壁之直径 d1：为铸杆的直径因此为达到冷却效果，合理选择内套管的直径是很重要的，而且铸杆直径越小，其气隙应更少。在使用过程中，结晶器内管的外侧和隔套的内侧，常会结水垢，每厚1毫米的水垢相当于30毫米厚的钢板的热阻，可见水垢对冷却效果的影响有多大！为了保证引杆的速度和质量，对冷却水的要求绝不能轻视。 3. 电控系统上引法连铸的工艺过程简单是它的特点之一，但是对工艺操作的要求却非常严格，铜液的温度、液位的高低结晶器插入铜液的温度，牵引的节距、频率以及冷却水的压力、流量和温度等都必须控制在一定的范围内，以往常常凭经验，由人工操作、控制，这难免会产生差错，导致产品质量不稳定。新型的上引连铸机组有一套比较完善的控制和报警系统，例如铜液温度的自动控制和极限高温与极限低温的报警，液位自动跟踪和高位与低位的报警及紧急停车，冷却水压的自动调节系统等，此外，牵引的伺服电机控制由PLC系统来完成并配备彩屏显示和打印装置，可以把即时的运行参数显示出来并能定时打印，这不但省去了抄表记录繁琐的工作，而且避免了差错，这不仅有利于稳定产品质量还便于生产管理。五、上引连铸技术的发展前景及延伸产品在本文的概述部分，已经阐述了与连铸连轧和浸涂法相比，上引法的最大特点是其产品的多样性--可以生产异

型铜材。用上引法生产异型铜材是近几年来才发展起来的，到目前为止，我们已经可以用上引法生产外圆内圆、外方内圆等多种管材、铜排和双孔铜排等铸造铜材，经后道工序加工可以制造发电机用的空心导线，冰箱和空调机用的蒸发管，电车线等产品。 上引法还可以制造铜合金铸坯，铜合金的使用范围就更广泛了。例如，黄铜材料可以用于制造表壳、拉链、锁坯、眼镜架和建筑装潢材料等。

上引法这一铜材生产工艺，除了在电线电缆行业中应用外，在其他工业领域中还有广阔的发展空间。