銅及銅合金帶坯立式連續鑄造工藝及設備介紹

許冠浩

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 工藝發展歷史

銅及銅合金帶坯立式連鑄工藝最早由瑞典Gr?nges公司研究開發，研究的初衷是為了解決水平連鑄生產帶坯所產生的重力偏析、效率低等問題，其在1983年成功工業化生產寬320mm、厚25mm的銅帶坯。Gr?nges公司后來由芬蘭Outokumpu公司收購，Outokumpu公司利用帶坯立式連鑄工藝生產自己的產品，產品厚度一般為大于20mm的銅及銅合金帶坯。1987年Outokumpu公司立式連鑄部與德國Technica-Guss公司水平連鑄部合并形成Krump-Technica公司，1989年更名Demage-Technica，1999年成立Demage+SMS MEER Gmbh,最終于2005年統一合并于德國SMS集團的SMS-MEER公司。

從上個世紀90年代開始，Technica公司一直致力于帶坯立式連鑄工藝的技術研究，以達到可生產厚度為16mm～18mm的銅及銅合金帶坯的目標，該厚度范圍可以滿足常用冷軋機的供坯需求。Technica公司研究的關鍵是如何順利的將銅液導入窄結晶器內鑄造成帶坯，該研究最終促成了帶坯熱頂鑄造技術的產生。隨后，Technica公司聯合比利時的Cumerio公司(原MHO公司)對帶坯立式連鑄工藝進行試驗，最終實現采用立式連鑄工藝穩定生產DHP和青銅帶坯。2006年俄羅斯的基洛夫有色金屬加工廠(隸屬于烏拉爾礦業集團)從SMS-MEER公司采購了一套銅及銅合金帶坯立式連鑄機組，并于2007年投入生產[1]。

隨著SMS-MEER公司對帶坯立式連鑄工藝及設備的研究與開發，目前，該工藝可以生產紫銅、普通黃銅和部分復雜黃銅、青銅、白銅等合金，帶坯寬度最寬可達700mm，鑄造速度可達600mm/min，其發展目標是可以生產全部合金牌號及規格的銅及銅合金帶坯。

2 設備組成介紹

銅及銅合金帶坯立式連鑄機的組成見圖1。銅及銅合金帶坯立式連鑄機所配置的保溫爐自帶澆注頭，澆注頭上安裝控流系統自動控制銅液流量?？亓飨到y工作原理是：采用液面檢測裝置檢測熱頂內銅液液面高度波動情況，然后將液面檢測裝置檢測信號反饋給控流系統，控流系統根據檢測信號驅動電機控制塞棒轉動，從而控制銅液流量大小，最終達到控制熱頂內銅液液面穩定的目的?？亓飨到y也可以采用手動操作。

熱頂設置在結晶器上部。熱頂鑄造是指結晶器頂部有一段具有良好保溫性能區域的鑄造形式[3]。熱頂是帶坯立式連鑄機的關鍵技術，在下文專門對帶坯熱頂技術進行詳細介紹。帶坯立式連鑄機的結晶器類似于水平連鑄的結晶器，其由帶水室的冷卻器、石墨內襯、框架及連接件組成。結晶器的水路設置是保證鑄坯冷卻效果的關鍵，為保證冷卻效果，一般將結晶器水路分區控制，并設置冷卻水精確調整和控制系統。另外，結晶器石墨模的兩側面增加加熱器，用于加熱鑄坯小面以防止鑄錠角部過早冷凝。

結晶器下面設置二次水水箱。結晶器內冷卻水通過結晶器底部流口噴射到鑄坯表面形成對鑄坯的二次冷卻，目的是將鑄坯進一步冷卻至50℃左右，以利于后續的銑面、彎曲和矯直等作業。二次冷卻水由二次水水箱收集，為防止冷卻水灑落到下部的設備上，二次水水箱與鑄坯間的密封圈非常重要。二次水水箱內設置溢流孔，冷卻水通過溢流孔溢流回循環水泵站。

牽引機將鑄坯從結晶器內不斷引出，牽引速度要求可精確控制，并連續可調。牽引機牽引方式可采用液壓夾緊輥或者液壓夾鉗，驅動方式一般采用伺服電機、電液脈沖馬達或者液壓馬達。

在線銑面機用于鑄坯銑面。銑面的目的是清除帶坯表面氣孔、夾渣、冷隔、裂紋和偏析等缺陷。該在線銑面機主要銑鑄坯的兩個大面，銑面厚度為0.25mm/面～1.00mm/面，紫銅類等表面質量較好的鑄坯可以不用銑面，以提高產品的綜合成品率。

彎曲機構和矯直機構主要目的是將鑄坯由垂直于地面狀態轉換為平行于地面狀態，以便于鑄坯出料。剪切機用于將鑄坯中斷和剪切試片，剪切機在剪切過程中可與鑄坯保持同步運行。卷取機為3輥卷取機，用于將鑄坯卷成卷狀。鑄卷的卷重、卷徑(內徑和外徑)和塔形等均要滿足后續軋機開卷的需求。

3 生產工藝過程介紹

原料由加料裝置加入熔化爐內熔化，熔化后銅液經過成分分析和調整后，轉入帶澆注頭的保溫爐內保溫靜置，并調整銅液澆注溫度；然后將銅液經安裝在保溫爐澆注頭底部的澆注管注入熱頂內，銅液由熱頂流入結晶器內，并在結晶器內冷卻凝固成鑄坯，鑄坯由牽引機向下牽引增長，并經二次冷卻水冷卻至50℃以下；然后經在線銑面機銑去鑄坯兩個大面的表面缺陷，并由彎曲機構將鑄坯彎曲，彎曲后鑄坯經矯直機構矯直后，鑄坯由垂直于地面狀態改變為平行于地面狀態；然后，鑄坯經卷取機卷取成卷，待卷重達到設定重量后，由剪切機將鑄坯中斷，經檢查合格后用天車將鑄卷坯吊至堆放區堆放。

4 帶坯立式連鑄工藝熱頂技術介紹

采用立式連續鑄造技術生產帶坯，由于結晶器的小面太窄，無法采用澆注管直接向結晶器內轉注銅液，并且為了在結晶器寬度范圍內同時均勻、等速的注入等溫的銅液(類似于水平連續鑄造的供流方式)，經過研究，SMS-MEER公司引入了熱頂技術。銅及銅合金帶坯水平連鑄供流方式示意圖見圖2，立式連鑄熱頂供流方式見圖3，熱頂裝置組成見圖4。

由圖2和圖3可知，帶坯熱頂裝置可以在結晶器上方儲存一定容量的銅液，類似于水平連鑄機組保溫爐的作用。因此，銅液可以由熱頂全充滿式流入底部結晶器，與水平連鑄的銅液由保溫爐前端流入結晶器內的供流方式相似。

由圖4可知，熱頂主要由石墨內襯、電阻絲、固定裝置和夾持裝置等組成。熱頂設置在結晶器上方，與結晶器固定于一體，其主要作用是在結晶器頂部形成廣口型腔，方便銅液注入，并可以在整個結晶器頂部形成熔液池，則銅液可以在結晶器整個型腔范圍內同時、等速、均勻的流入結晶器內。

另外，銅液在熱頂內不能有太大的降溫，更不能凝固，因此熱頂需要有良好的保溫效果，同時要有加熱裝置加熱銅液。因此，熱頂的石墨內襯四周設置了電阻絲，以加熱熱頂內銅液。

5 結語

帶坯立式連鑄工藝及設備經過30年的發展，其采用熱頂技術，解決了如何向小面很窄的結晶器內澆注銅液的技術難題，使銅液可以在結晶器寬度范圍內同時均勻、等速、等溫的注入，從而生產出質量合格的鑄坯，可直接向冷軋機供坯，屬于典型的短流程生產工藝，具有較好的應用前景，值得我們深入研究分析。