H72大規格線材鑄坯連續鑄造加工探究

程敘毅，汪傳燦，佘之貴，章家婷，黃鋼

（蕪湖長潤特種銅線有限公司，安徽蕪湖 241009）

H72是一個普通黃銅牌號，暫未列入國家標準GB/T 5231-2012（加工銅及銅合金牌號和化學成分），但隨著市場需求的不斷增加以及短流程、低能耗的要求，目前越來越多的廠家開始生產此類產品，傳統水平連鑄生產黃銅產品一般生產鑄坯的牌號為H62和H65，規格為φ10mm和φ12mm，大規格線材鑄坯主要以擠壓機擠制、水平連鑄、上引法生產線坯，然后拉拔進行生產線材，本文以水平連鑄法生產H72φ17mm進行研究，主要從大規格、高品位黃銅線材工藝參數和過程控制，對水平連鑄法生產H72大規格線材鑄坯（對應成品為φ12-φ13.5mm）產品工藝進行探究，更好的提升產品質量和成材率。

1 主要設備及工藝

1.1 水平連設備

水平連鑄爐分為750KG工頻感應熔煉爐和500KG保溫爐組成熔鑄部分，采取高低分體的形式進行熔煉和鑄造，保證產品化學成分，降低熔煉操作對鑄造結晶過程的影響，與伺服牽引機構、張力控制系統和被動收線系統組成水平連鑄設備，如圖1所示。

圖1 水平連鑄示意圖

表1 -化學成分質量分數/%

1.2 拉拔設備

采用650/4巨模拉絲機。

1.3 工藝路徑

熔鑄：紫銅+鋅→熔化爐熔煉→化驗→熔化爐撈渣→銅水放入保溫爐→升溫至噴鋅→牽引連鑄→收線成卷

拉拔：收線成卷鑄坯→拉伸→刨皮→拉伸（多道次）→收線

2 化學成分要求

通過前期H62、H65系列黃銅線材積累的生產經驗，結合其他雜質元素對鑄造及加工的影響，并綜合考慮下游生產工藝要求，特制訂如表1所示化學成分要求。

3 鑄坯質量要求

產品在保證化學成分達到要求的前提下，抗拉強度＞300Mpa，斷后伸長率＞45%，拉伸后斷口應能基本拼合，不掉渣，斷裂處有顯著的縮頸現象，斷后鑄坯表面應有較明顯的、規則的結晶紋路。

化學成分檢測，所列元素符合要求；鑄坯外觀質量良好，無夾渣、冷隔、裂紋、氣孔等缺陷，控制表面鋅及雜質的吸附。

因為線材生產是一個連續化的過程，所以某一段的質量測試合格不代表全部合格，所以我們在生產實踐中，要有一個持續穩定的鑄造設備和對牽引速度、牽引-停止-反推的參數進行合理設置，同時對冷卻水溫以及冷卻水壓進行動態控制，再根據鑄坯質量情況及時調整、更換石墨模，才可以使產品質量持續穩定。

4 工藝要求

4.1 成分要求

隨著有色金屬壓延加工和市場經濟的發展，黃銅生產大多數都是采用再生資源，不可避免的會出現如鐵、鋁、鉛、砷、銻、鉍等雜質元素的混入，鐵在固態銅中的溶解極少，呈富鐵相質分布于α基體中，具有細化晶粒作用，但是具有抗磁和沖壓要求的我們一般控制在0.03%以下；鋁在銅中的固溶度可達到9.4%，所以鋁元素一旦混入將形成固溶體，可明顯提高其機械性能，但如含量過高，則不利于后續加工；鉛和鉍在簡單黃銅中是一種有害元素，α黃銅中含鉛量大于0.03%將會出現熱脆性，鉍元素在黃銅中呈連續脆性薄膜分布在晶界上，使黃銅在加工時呈現發脆現象；砷在室溫黃銅中溶解度小于0.01%，砷含量大時將形成脆性砷化物，且其分布于晶界，降低加工性能；銻在銅中含量不足0.1%時候，就會形成脆性化合物，分布于晶界，產生熱脆性，使黃銅的加工性能大幅下降。所以我們在實踐中，根據以往的線材產品加工經驗，控制鐵含量小于0.025%，鉛含量小于0.01%，鋁含量小于0.003%，砷含量小于0.005%，銻含量小于0.003%，鉍含量小于0.003%，其他雜質元素總和小于0.2%，通過對上述元素的控制，保障其有一個良好的后續加工性能。

4.2 加料要求

在熔煉銅合金時，采用合理的裝料方式和順序對降低金屬損耗，提高工效具有重要的作用，裝料前將銅料分揀干凈，打包處理，加料按照先加總量多的紫銅原料，然后再添加鋅錠，因為鋅的熔點為419攝氏度，沸點為907攝氏度，而銅的熔點為1083攝氏度，這樣操作就可以降低鋅的氧化、燒損以及揮發，通過高溫快速熔化銅料，低溫加鋅的方式降低損耗。

4.3 操作要求

操作要求方面，我們在日常除了對設備進行點檢、檢修和維保外，生產過程中保證設備穩定運行主要做好以下幾方面：一是保障爐體的供水和供電的穩定性，水主要是爐體線圈冷卻水適中，避免出現斷流或冷卻水汽化現象，這樣對線圈及爐體安全都存在較大影響，電主要是要保證其穩定性，根據不同時段選擇不同的電壓保證爐體熔化功率的穩定性，特別是0點到6點時間段電壓會達到400V以上；牽引機構在正式牽引前先進行空轉運行，在確保石墨底座和石墨模充分預熱后再開啟牽引機構慢速牽引，因為牽引機構采用伺服電機控制，具有精密度高，可往復運動等特點，所以在牽引鑄造過程中“拉-停-反推-?！边@一循環過程中要避免出現線材與石墨套摩擦力增大導致或冷卻不足導致牽引失敗等原因造成的負載過大，降低設備的精密度。

此外生產過程其他方面對產品質量也存在較大影響，例如擦痕、劃痕、壓痕等，外力作用于鑄坯表面，而引起內外表面呈條狀、束狀、凹坑狀尖銳溝槽狀及其他形狀的傷痕，統稱為機械損傷，常見的有：擦傷、劃傷、碰傷、壓傷等，這些都是影響產品質量的因素，實踐中主要就是牽引機構、收線機構壓輪不光滑或未與鑄坯充分貼合，以及收線機構導向輪、壓線輪調整不合理導致。

4.4 工藝要求

水平連鑄主要的參數有：鑄造溫度、牽引速度、節距、停止時間比、反推量、冷卻水溫度、冷卻水強度等，這些參數只有合理、有機、保持一個動態平衡才能連續化生產出合格穩定的產品，我們知道，水平連鑄的操作過程是開啟冷卻水，然后打開塞棒，放銅水，開啟牽引裝置，調整水流和鑄造參數，開啟張力架和收線裝置，銅水從爐體經過石墨模具在外側密閉銅套和銅管形成的空間內實現與冷卻水熱交換，從液態逐步凝殼，這一過程如牽引速度過快，則會出現鑄坯從結晶器出口處還是顯示紅色，這時就要觀察鑄坯表面，如果表面光滑，則還需關注一段時間，避免冷卻不足導致拉漏現象，如鑄坯在結晶器出口呈金黃色或者暗黃色，或者表面不光滑，存在如圖2所示的麻面或者如圖3所示的縱向條痕現象，在牽引速度一定時，則需關注冷卻強度是否過大，導致內部與石墨模具的摩擦力過大或者爐口、石墨模具、牽引機構是否三點在一條水平線上；此外，冷卻強度大，鑄坯晶粒細且機械性能高，冷卻強度過大也會出現應力裂紋。

圖2 麻面

圖3 縱向條痕

圖4 凝固過程示意圖

表2 熔鑄工藝參數表

我們將H72噴火時溫度作為可出爐溫度，實際約1100-1180攝氏度，實踐中一般噴火次數在2～3次即可，因為過多的噴火會導致鋅損耗加大。

我們從凝固過程示意圖可以看出，水平連鑄法生產鑄坯時，銅液進入結晶器后，在結晶器內部逐步形成凝殼，然后轉變為固態，這一過程受到上下兩個部分的阻力，因為鑄坯本身重力，所以下部受到的阻力較大，其直接接觸到冷卻的強度更大，晶粒更細，而上部因重力作用以及液固轉變體積縮小，存在一定的間隙，冷卻強度弱，晶粒較下部粗大，為此，我們采用“拉-停-反推-?！边@一牽引方法，使凝殼在很短暫的停止過程與內壁充分交換熱量，同時反推可使液固-固固附近金屬擠壓而使的結晶更緊密，而且能清除表面附帶的如鋅、銅氧化物等夾雜物。

通過多次試驗和總結，綜合考慮各種因素，確定四套工藝參數，如表2所示。

通過以上四套參數試驗可知：工藝參數一生產的鑄坯出現表面不光滑，其組織不致密，結晶紋較深，存在表面結疤現象，延伸率為43%～48%，拉力試驗斷后斷口能基本拼合；工藝參數二生產的鑄坯表面存在一定結晶紋，斷面存在輕微疏松，延伸率為45%～50%，拉力試驗斷后斷口能基本拼合，斷裂處有縮頸現象；工藝參數三生產鑄坯表面光滑，斷面結晶致密，無疏松，經過拉伸試驗，延伸率為48%～55%，拉力試驗后斷口能基本拼合，斷裂處有顯著的縮頸現象，且斷后鑄坯表面應有較明顯的、規則的結晶紋路。此外，φ17mm相對線材來說，尺寸較大，需散熱量大，二次冷卻水加入有利于其快速降溫，降低對牽引機構軸承的影響，避免長時間高溫接觸牽引機構導輪導致軸承內部油脂碳化。

為了進一步驗證工藝參數對鑄坯質量的影響，我們通過以下工藝將其拉拔至13.5mm和12mm成品：

工序一、收線成卷鑄坯17mm→拉伸16mm→刨皮15.7mm→拉伸15.3mm→收線；

工序二、收線成卷坯料15.3mm→拉伸14.85mm→刨皮14.5mm→拉伸13.5mm→收線；

工序三、收線成卷坯料13.5mm退火（600℃，升溫60min，保溫90min）→拉伸12.5mm→拉伸12mm→收線。

將上述四種工藝參數生產鑄坯經過巨拉機拉伸至φ13.5mm和φ12mm，過程中參數一生產產品拉拔工序一時出現連續斷線無法繼續生產；參數二生產產品拉拔工序一和工序二可順利拉拔，但拉拔過后表面出現裂紋現象；參數三、四生產產品拉拔工序一和工序二均可順利拉拔，且拉拔后表面光滑，無裂紋現象，外觀光滑，組織致密。

5 結論

（1）合理的操作工藝及符合規范的操作要求，確保雜質元素不超標是生產出合格產品的基礎，例如工裝、設備應在正常狀態，滿足正常生產，原材料品質達到入爐原料要求，特別是控制鉛、砷、銻鉍等雜質元素的含量。

（2）合理的工藝參數是生產出合格產品的必備條件，通過上述實驗，我們得出水平連鑄法生產H72φ17mm系列產品工藝參數如下：

鑄造溫度：1040℃～1080℃

牽引速度：1.3～1.4m/min

節距：8～10mm

停止時間比：30%～32%

反推量：34%

冷卻水溫度（進水）：＜40℃

冷卻水強度：200kpa

二次冷卻水溫度：＜40℃

（3）通過對工藝參數及操作規范要求的摸索，利用中等節距、低頻率牽引所生產的H72φ17mm大規格水平連鑄鑄坯具有外觀光滑，組織致密，具有較好的抗拉強度和延伸率，且在保證原材料、操作規程、工裝設備等前提下，H72大規格線材連續鑄造產品質量便可持續穩定。